ECOLACTIS - RECUPERATEURS DE CHALEUR - RAPPORT D'ESSAIS -

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1 ECOLACTIS - RECUPERATEURS DE CHALEUR - RAPPORT D'ESSAIS -

2 2 / 13 Sommaire 1. Introduction Fonctionnement du récupérateur standard Fonctionnement du récupérateur Ecolactéo Objectifs des essais Bancs d'essais / dispositifs expérimentaux Schéma de principe des bancs d'essais Résultats Essais de validation du procédé au R Essais d'évaluation des performances au R404a Essais à basses températures...13

3 3 / Introduction Systèmes de réfrigération et de conservation du lait : Un refroidisseur de lait en vrac (tank à lait) est destiné à refroidir et stocker le lait produit dans les exploitations laitières jusqu à la collecte par le camion citerne de la laiterie. Il doit refroidir le lait des traites successives (généralement 2 fois par jour) à une température comprise entre 3 et 4 C dans un temps ne dépassant pas 3 heures (Norme EN 13732). Un tank à lait est constitué d une cuve à double parois isolée équipée d un évaporateur pour assurer le transfert de chaleur. Il est également équipé d un groupe frigorifique, d un système d agitation, d un système de commande (et de lavage pour les cuves fermés). Le groupe frigorifique est composé d un compresseur, d un condenseur à air et d un détendeur relié à un évaporateur plaqué sur le tank à lait. Le principe de base consiste à évaporer un fluide frigorigène suite à une détente : des calories sont transférées depuis le lait jusqu au même fluide. Après une compression de la phase vapeur du fluide réfrigérant, on la condense : les calories emmagasinées lors de la phase précédente sont restituées à l environnement ambiant (par une circulation d air au travers du condenseur assurée par des motoventilateur). Figure 1 : tank à lait et groupe frigorifique / Sources : Delaval Lors de la réfrigération, la chaleur extraite du lait est donc rejetée par le condenseur à air dans l atmosphère. Principe technique du récupérateur de calories : La mise en place d un récupérateur consiste généralement à intercaler entre le compresseur et le condenseur à air un échangeur de chaleur fluide frigorigène / eau dans le but de chauffer de l eau en exploitant la chaleur extraite du lait lorsque l on procède à son refroidissement. Le fluide frigorigène transporte l énergie thermique depuis le tank à lait (évaporateur) jusqu au récupérateur où il cède des calories à l eau qui voit alors sa température augmenter. Figure 2 : Schéma synoptique du système de récupération de calories / Sources Ecolactis Le récupérateur Ecolactéo est constitué d'un échangeur à plaques brasées, dans lequel les fluides circulent en contre courant, intercalé entre le compresseur et le condenseur à air du groupe frigorifique équipant le tank à lait.

4 4 / Fonctionnement du récupérateur standard Sur les récupérateurs de calories standard, le fonctionnement du condenseur à air est modifié à l aide de pressostats ou de régulateurs de vitesse de ventilation pour augmenter la température de condensation et par conséquent la température du fluide frigorigène en sortie de compresseur (refoulement) ce qui améliore le niveau de récupération de chaleur. Figure 3 : Pressostats de régulation pour récupérateur standard / Sources : Ecolactis Les récupérateurs standards offrent de bonnes performances lorsqu'ils fonctionnent sur des installations au R22. Cependant, la quantité d'énergie récupérée est très dépendante de la température ambiante; le temps d'obtention de l'eau préchauffée peut être long et la température finale au sein du ballon variable en fonction de la température extérieure (les températures ambiantes faibles induisant des performances de récupération faibles voir nulles). Pour faire simple, plus la température ambiante est faible, moins les performances de récupération seront importantes pour des systèmes standards. La température de refoulement compresseur des machines fonctionnant au R404a étant moins importante, on note alors des baisses de performances importantes.

5 5 / Fonctionnement du récupérateur Ecolactéo 2 modes de fonctionnement successifs au cours d un même cycle de réfrigération : En début de cycle, le mode «pompe à chaleur» privilégie le chauffage de l eau et le rendement énergétique global tant que la température de l eau permet de condenser le fluide dans le récupérateur. Le condenseur à air est à l arrêt : la chaleur extraite du lait et la chaleur générée par le compresseur sont transférées intégralement à l eau par l échangeur de chaleur. Le régulateur de débit assure une température d eau de 55 C en sortie d échangeur. Le pressostat de sécurité intervient en cas d anomalie pour assurer la réfrigération du lait en toutes circonstances en activant le condenseur. Quand la totalité de l eau est préchauffée, sa température ne permet plus de condenser le fluide dans le récupérateur. Le système passe alors en mode «réfrigération» Le thermostat actionne le condenseur à air. En fonction de la température ambiant, l échangeur récupère une partie de la chaleur (désurchauffe) et porte la température de l eau à une température plus élevée. La chaleur résiduelle est évacuée par le condenseur. Figure 4 : schéma de principe du fonctionnement d'ecolactéo / Sources : Ecolactis

6 6 / Objectifs des essais Déterminer l'impact de l'utilisation du récupérateur Ecolactéo sur le groupe frigorifique. Mesurer les performances du récupérateur Ecolactéo. Evaluation de l'impact du système de récupération sur le groupe frigorifique L'insertion du système de récupération au sein d'un groupe frigorifique présente un impact sur le fonctionnement de ce dernier qu'il est important de quantifier aussi bien d'un point de vue fonctionnel qu'au niveau du bilan énergétique final. Il est en effet primordial de respecter les normes portant sur les conditions de refroidissement du lait tout en réalisant une économie d'énergie suffisamment importante pour que la récupération de chaleur représente un intérêt. Détermination des performances Ecolactéo étant un système basé sur un procédé novateur, il a été nécessaire d'évaluer, par des mesures précises, les performances de récupération. Les résultats d essais sont utilisés pour exprimer des performances énergétiques théoriques, basées sur des mesures effectuées dans des conditions fixes. Il faut alors considérer ces performances comme un élément de référence, étant entendu que les performances réelles des matériels observées in situ pourront être soumises à d autres facteurs. Cependant, ces essais ont été orientés pour mettre le récupérateur dans des conditions de fonctionnement standard mais aussi "critiques" et le plus proche possible des conditions réelles d'utilisation. Les essais se sont déroulés en 2 temps : -Une première phase ayant pour objectif de valider la pertinence du procédé novateur d'ecolactéo. Ces essais ont été réalisés dans les locaux de l unité de recherche «Génie des procédés frigorifiques» du CEMAGREF (Institut de recherche pour l ingénierie de l agriculture et de l environnement) en mars et avril Une seconde phase axée sur l'évaluation des performances du système Ecolactéo en présence d'un groupe frigorifique fonctionnant au R404a. Les essais ont été réalisés en chambre climatisée à Nevers en collaboration avec la société Nevinox en septembre Les paramètres clefs suivants ont alors été directement mesurés où calculés à partir des acquisitions réalisées : Energies/Puissances mises en jeu durant le cycle de réfrigération du lait et de récupération de chaleur Températures/Pressions de fonctionnement du système COP (coefficients de performance) Potentiels de récupération et températures de l'eau préchauffée par le récupérateur Rappel : (source : Techniques de l'ingénieur) "Pour caractériser l efficacité d'un groupe frigorifique ou d une pompe à chaleur, on considère, respectivement : le coefficient de performance frigorifique (aussi noté ε): Ces COP sont objectivement des rendements, mais on évite de leur donner ce nom pour ne pas choquer les habitudes car ils ont très souvent des valeurs supérieures à l unité, contrairement aux rendements des machines thermiques produisant de l énergie mécanique." On défini pour la suite :

7 7 / 13 Banc d'essai CEMAGREF : 5. Bancs d'essais / dispositifs expérimentaux Refroidisseur de lait R22 : -Tank à lait 3100 litres -Groupe frigorifique fonctionnant au R22 -Compresseur à pistons 4.5Ch -Condenseur à air bi-ventilateur -Installation équipée d'un réservoir liquide Ballon de stockage : -Ballon 300 litres "domestique" Matériel de mesure et de contrôle : -Station d'acquisition et d'enregistrement -Capteurs de pression (haute et basse pression du circuit) -Capteurs de température (thermocouples type T) -Débitmètres sur circuit hydraulique et circuit frigorifique -Dispositifs de contrôle du fonctionnement (voyants liquide, manomètres,...) Mise en forme des données : -Tableur / Grapheur Banc d'essai Nevers : Cellule climatisée : -Cellule permettant d'effectuer des essais à température stabilisée (de 5 à 32 C) Refroidisseur de lait R404a : -Tank à lait 6000 litres -Groupe frigorifique fonctionnant au R404a -Compresseur à pistons 5.5Ch -Condensation à air -Installation équipée d'un réservoir liquide Ballon de stockage : Ballon 300 litres Ecolactéo (utilisé comme un ballon domestique pour les essais comparatifs avec les essais du CEMAGREF). Figure 5 : Banc d'essai : laboratoire du Cemagref / Sources : Ecolactis Matériel de mesure et de contrôle : -Station d'acquisition et d'enregistrement autonome -Capteurs de pression (haute et basse pression du circuit) -Capteurs de température (thermocouples type T et sondes PT 100) -Débitmètre sur circuit hydraulique -Dispositifs de contrôle du fonctionnement (voyants liquide, manomètres,...) Mise en forme des données : -Tableur / Grapheur Figure 6 : banc d'essai en cellule climatisé / Sources : Ecolactis Nota : Le matériel testé au CEMAGREF était un prototype fonctionnel d Ecolactéo ; des améliorations ont été apportées au système pour les essais au R404A à Nevers en particulier sur la régulation de débit d eau. Ce dernier correspond à la version commercialisée et a été dimensionné en fonction du matériel présent au niveau du banc d'essais.

8 8 / Schéma de principe des bancs d'essais

9 9 / Résultats 7.1 Essais de validation du procédé au R22 Grâce à la comparaison d'acquisitions de données réalisées sur une installation classique (sans récupérateur de chaleur) puis équipée de récupérateur ECOLACTEO dans des conditions de fonctionnement identiques, les essais réalisés en collaboration avec le CEMAGREF ont permis de valider l'intérêt du procédé Ecolactéo d'un point de vue fonctionnel et énergétique. Remarque : Ces essais de validation ont été effectués dans des conditions de mise en service du système (ballon totalement rempli d'eau froide) et ne prennent pas en compte les paramètres tels que les volumes d'eau chaude et préchauffée encore présent dans un ballon de stockage et produit lors de la précédente traite dans des conditions réelles d'exploitation. Résultats Point de vue fonctionnel D'après les observations réalisées durant les essais, le fonctionnement du groupe n'est pas altéré par l'installation du récupérateur Ecolactéo. On constate en effet une évolution cohérente des paramètres (températures et pressions) en comparaison avec les données relevées sur un groupe "classique" fonctionnant sans récupérateur de chaleur. Au regard des temps de refroidissement, on peut alors conclure que le récupérateur Ecolactéo permet au refroidisseur de conserver des performances de réfrigération conformes aux normes avec des conditions de fonctionnement optimales. L utilisation du récupérateur Ecolactéo permet d éviter le pic de pression en 1 traite par température ambiante élevée car la condensation est réalisée avec l eau froide du ballon pendant cette phase critique. Figure 7 : Banc d'essai du Cemagref : essai sans récupérateur / Sources : Ecolactis

10 10 / 13 Point de vue énergétique La comparaison des essais permet aussi de justifier l'intérêt énergétique du récupérateur Ecolactéo. Malgré une légère augmentation du temps de refroidissement et de la consommation électrique, Ecolactéo présente un bilan énergétique positif dans sa globalité ; l'énergie utilisée pour le refroidissement du "lait" lors des essais est inférieure à l'énergie récupérée par Ecolactéo et transmise au ballon de stockage de l'eau préchauffée. On récupère en effet 25 Wh par litre de lait refroidi de 35 à 3 C alors que le groupe consomme 17.8Wh par litre de lait refroidi de 35 à 3 C. Lors des essais, on a donc chauffé 300 litres d'eau de 12 à 53 C (soit 14,3kWh) en consommant 9,7kWh pour refroidir le lait contenu dans le tank jusqu'à une température de 3 C. Les essais démontrent que l'énergie contenue dans le lait ainsi que l'énergie apportée par le compresseur permettent de chauffer plus d'un litre d'eau avec un litre de lait refroidi soit un coefficient de 1.2 litres d'eau préchauffée par litre de lait refroidi dans le cas d'un système fonctionnant au R22 (Cf. remarque tableau ci après pour le calcul du ratio). Ecolactéo permet donc d'optimiser les performances de récupération tout en maintenant la consommation à un niveau proche de celle d'un groupe qui n'est pas équipé de récupérateur. Récapitulatif des essais d'ecolactéo menés sur un groupe frigorifique fonctionnant au R22 (Prototype) Les essais ont donc permis de valider l'intérêt du récupérateur Ecolactéo tant d'un point de vue fonctionnel qu'énergétique; le récupérateur conjugue performances de récupération importantes et faible impact sur le groupe frigorifique.

11 11 / Essais d'évaluation des performances au R404a Après validation de l'intérêt du procédé Ecolactéo au R22, il a été nécessaire de déterminer les performances du système sur une groupe frigorifique fonctionnant au R404A qui présente des températures de refoulement compresseur plus faible que le R22 et qui est à l'origine de la diminution des performances de récupération. Validation des performances au R404a Un essai de mise en service (du même type que les essais réalisés au CEMAGREF) a permis de valider les performances du récupérateur Ecolactéo intégré à un groupe fonctionnant au R404a. Les données acquises montrent que l'on conserve un ratio proche d'1 litre d'eau chauffée pour 1 litre de lait refroidi. Les consommations relevées ainsi que la production frigorifique permettent de tirer les même conclusions que pour les essais réalisés avec du R22. Ecolactéo est donc apte à fonctionner avec du R404a et obtient des performances de récupération proches de celles obtenues en présence de R22. Nota : Les différences de qualité d'isolation des conduites (canalisations circulation de l'eau préchauffée) peuvent expliquer les écarts de température d'eau entre les essais au R22 et les essais au R404a. Ces écarts ne remettent cependant pas en cause les différentes analyses réalisées. Récapitulatif de l'essai d'ecolactéo (mise en service) mené sur un groupe frigorifique fonctionnant au R404a et avec un ballon «domestique» pour une température ambiante de 20 C Remarque : Essai effectué dans des conditions de mise en service du système (ballon domestique totalement rempli d'eau à 11.6 C) et ne prenant pas en compte les paramètres tels que les volumes d'eau chaude et préchauffée encore présent dans un ballon de stockage et produit lors de la précédente traite dans des conditions réelles d'exploitation.

12 12 / 13 Graphique regroupant les principaux paramètres enregistrés lors des essais

13 13 / Essais à basses températures Ecolactéo a été conçu pour être indépendant de la température ambiante durant tout le cycle de récupération d'énergie ("pompe à chaleur") et ainsi garantir des performances constantes quelques soient les conditions ambiantes. Les données enregistrées pour des conditions de fonctionnement critiques telles qu'une température ambiante faible (5 C en moyenne) et une température d'eau au sein du ballon égale à 5 C (simulation d'une température du réseau très faible), démontrent que la température ambiante a une influence minime sur la performance du système : elle n a d influence que sur le cycle «réfrigération» ou le récupérateur n exploite qu une partie de la désurchauffe. Durant ces essais réalisés avec le groupe frigorifique fonctionnant au R404a, on observe des performances voisines aux essais réalisés à température ambiante de 20 C : 1.04 litres d'eau préchauffée par litre de lait refroidi. Ecolactéo permet donc de répondre aux besoins en eau préchauffée (et eau chaude) indépendamment des conditions ambiantes. Récapitulatif de l'essai d'ecolactéo mené sur un groupe frigorifique fonctionnant au R404a à 5 C d'ambiance sur une première traite (ballon «domestique» rempli d'eau froide au départ de l'essai : mise en service). Remarque : Essai effectué dans des conditions de mise en service du système (ballon domestique totalement rempli d'eau à 4.9 C) et ne prenant pas en compte les paramètres tels que les volumes d'eau chaude et préchauffée encore présent dans un ballon de stockage et produit lors de la précédente traite dans des conditions réelles d'exploitation. Groupes frigorifiques sans réservoir liquide Des essais fonctionnels réalisés sur un groupe frigorifique sans réservoir liquide (à charge réduite) ont mis en évidence un déficit d alimentation du détendeur en phase pompe à chaleur dans certaines conditions de température. Il faut donc prévoir l ajout d un réservoir liquide sur les appareils non équipés. Une solution permettant de conserver la charge réduite a été développée et sera prochainement commercialisée.