Système HC/HFC-CO2 en cascade Régulation du système

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1 Guide d application Système HC/HFC-CO2 en cascade Régulation du système Danfoss R EKC 313 DCR GD/DGS AKS 2050 ETS EVR AK-SC 255/ AK-SM 350/ AK-SM 720/ AKA 245 AK-CC 450 AKS 2050 Pump EVRH SGN AKS 32 R DCR AK-CC 550 A GD/DGS AKVH

2 Description générale Les systèmes en cascade ne sont généralement pas utilisés dans les applications traditionnelles impliquant des réfrigérants classiques. Quelques raisons expliquent ce fait : la nécessité de gérer deux réfrigérants en un seul système ; la stratégie de commande du système (en particulier celle d un échangeur de chaleur en cascade) est plus complexe. Simultanément, l utilisation du CO2 dans des systèmes en cascade procure un certain nombre d avantages : haute efficacité du système même sous les climats chauds, faible quantité de réfrigérant requise pour un niveau de température élevée, faible différence de température avec un échangeur de chaleur en cascade et sur le côté haute pression, utilisation possible de divers réfrigérants, par ex. HC/HFC ou NH 3. Les systèmes en cascade ammoniac/co2 sont les plus performants. Si l hydrofluorocarbone (HFC) doit être utilisé à un niveau de température élevée, le R134a constitue la meilleure option en raison de ses propriétés thermodynamiques et de son faible potentiel de réchauffement global (par rapport au R404A). Températures et pressions dans les systèmes en cascade La température intermédiaire dans un système en cascade est sélectionnée en fonction de la température requise pour les cas de hautes température dans un entrepôt, ce qui signifie que le refroidissement peut s effectuer directement par CO2. La température intermédiaire peut également être optimisée afin d obtenir le meilleur rendement énergétique si le système est utilisé uniquement à basse température. Étant donné qu un système en cascade se compose en fait de deux systèmes de réfrigération différents interfacés, mais isolés au niveau de l échangeur de chaleur en cascade, la pression de service maximale de chaque système peut varier. La pression de calcul du CO2 s appuie généralement sur la disponibilité des composants et est égale à bars (ce qui correspond à C). Pour empêcher la pression de dépasser les mesures citées précédemment, les systèmes d immobilisation sont recommandés. Le réglage des vannes de sûreté doit être le plus élevé possible. La pression d immobilisation peut être obtenue en augmentant la pression de calcul à bars. EKC 313 AK-CC 450 Tous types de réfrigérant Niveau de pression 40 bar Par exemple : Côté CO2 Pression de service maximale du système (température d aspiration saturée) : 40 bars (+5 C) Réglages des soupapes : 36 bars (-10 % pression de service max. PMS) Réglage des alarmes : 34 bars (-1 C) Réglage de la pression de refoulement du CO2 : 30 bars (-5 C) AK-CC 550 Niveau de pression 25 bar Plus l échangeur de chaleur en cascade est efficace, moins la différence entre la température de condensation du CO2 et la température d évaporation du réfrigérant sur le côté haute température est importante. Étant donné que la différence de température augmente sur le condenseur en cascade, l efficacité globale du système de réfrigération diminue. 2 Guide d application RA8AB104 Danfoss 01/2011 Système HC/HFC-CO2 en cascade

3 Températures et pressions dans les systèmes en cascade (suite) Sur les systèmes à basses températures de refoulement du gaz CO2 (faible surchauffe), la surchauffe du détendeur peut constituer le facteur de dimensionnement de l échangeur de chaleur. Si un système CO2 présente une surchauffe élevée, des désurchauffeurs doivent alors être employés pour réduire la charge sur le côté haute température. La pression intermédiaire optimale des systèmes CO2 en cascade dépend d un certain nombre de paramètres (réfrigérant haute température, modèle de charge, etc.). En général, 2 cas sont à considérer : 1) Les systèmes avec charge à la température moyenne. Dans ce cas, la pression intermédiaire doit être aussi élevée que possible pour réduire la charge au niveau de température élevée. Les limites sont par conséquent la température requise au niveau intermédiaire et la pression nominale du système. 2) Les systèmes sans charge à la température moyenne. Dans ce cas, la température intermédiaire doit se situer dans la plage comprise entre -10 et 0 C (en raison de la pression élevée du CO2 basse température), où la limite inférieure est définie par l efficacité et la pression nominale du système. Séquence de fonctionnement des systèmes en cascade Dans les systèmes en cascade, il est essentiel qu au moins un compresseur côté haute température fonctionne avant le démarrage du premier compresseur côté basse température. Sinon, le compresseur côté basse température peut être interrompu suite à une pression élevée. Cette séquence s applique également pour le remplissage du système. Avant toute chose, le circuit haute température doit être rempli avec du réfrigérant, puis démarré. Une fois cette étape réalisée, le CO2 peut être ajouté dans le système basse température. Le détendeur haute température (ETS) de l échangeur de chaleur en cascade doit démarrer en même temps que les compresseurs haute température. Le détendeur contrôle ensuite la surchauffe du gaz haute température. Les compresseurs basse température sont ensuite démarrés sous l effet de l augmentation de pression de CO2 dans la conduite d aspiration. Les régulateurs de centrales Danfoss, tels que l AK-PC 740 et l AK-PC 780, sont spécialement conçus avec des fonctions de régulation intégrées, chargées de coordonner ces opérations. Injection dans un échangeur de chaleur en cascade Injecter du liquide dans un échangeur thermique à plaques n est pas évident. L échangeur thermique est souvent compact, par conséquent, la constante de temps est très faible. Les vannes AKV sont déconseillées pour cette application. En revanche, il est recommandé d utiliser des détendeurs pas à pas qui fournissent un débit constant. La désurchauffe du gaz CO2 entrant dans l échangeur de chaleur en cascade peut également être recommandée pour trois raisons. La première est que le gaz est souvent à 60 C, la chaleur peut donc être rejetée dans l environnement ou utilisée à des fins de récupération de chaleur sans aucun problème. La deuxième raison est la réduction de la contrainte thermique dans l échangeur de chaleur. La troisième est que le gaz CO2 produit des flux de chaleur très élevés, qui créent par conséquent des conditions instables côté évaporation. Il est donc préconisé de réduire la surchauffe côté CO2. La répartition côté CO2 constitue également un problème critique. C est la raison pour laquelle l échangeur de chaleur doit être conçu pour la détente directe afin de garantir la répartition équitable du mélange de gaz et de liquide au niveau de l échangeur. Si l échangeur de chaleur est conçu pour une chute de pression raisonnable au niveau de la charge partielle, le transport et la répartition de l huile doivent s effectuer dans toutes les conditions. Système HC/HFC-CO2 en cascade Guide d application RA8AB104 Danfoss 01/2011 3

4 Danfoss R EKC 313 DCR GD/DGS AKS 2050 ETS EVR AK-SC 255/ AK-SM 350/ AK-SM 720/ AKA 245 AK-CC 450 AKS 2050 Pump EVRH SGN AKS 32 R DCR AK-CC 550 A GD/DGS AKVH Système HFC-CO2 en cascade 4 Guide d application RA8AB104 Danfoss 01/2011 Système HC/HFC-CO2 en cascade

5 Régulations du système en cascade La régulation des systèmes en cascade peut être répartie comme suit : Régulation de la capacité du condenseur Régulation de la capacité du compresseur Régulation de l injection en cascade Régulation du débit de CO2 de l évaporateur à température moyenne Régulation de l injection de l évaporateur à basse température Régulation de la capacité du condenseur La régulation de la capacité du condenseur peut être réalisée via la régulation par étape ou la régulation de la vitesse des ventilateurs. À titre de capteur de régulation du distributeur de capacité, la pression du condenseur doit être sélectionnée. La référence pour la régulation peut être définie de deux façons : une référence fixe ou une référence qui varie en fonction de la température extérieure. La référence de la pression de condensation est établie en C. Demande de cap. Libération de cap. Régulations de la puissance du compresseur Le régulateur de groupe AK-PC 740 (jusqu à 4 compresseurs) ou AK-PC 780 (jusqu à 8 compresseurs) gère la pression d aspiration basse température et constitue un régulateur standard de centrales dans un système de réfrigération. Le régulateur peut contrôler de régulateur peut contrôler la vitesse variable de deux compresseurs associés à des compresseurs mono-étape de même tailles ou de tailles différentes, selon le choix du modèle de couplage. Une seule fonction de l permet d utiliser la pression Pc côté CO2 basse température comme capteur de contrôle de la pression d aspiration haute température. Ceci garantit une régulation rapide et stable de la pression de condensation côté CO2 basse température. Coordination basse pression/haute pression L est également capable de coordonner le démarrage haute et basse température pour assurer un fonctionnement en souplesse. Ici, les compresseurs haute pression peuvent démarrer selon deux modes : - charge sur le circuit haute pression ; - besoins du circuit basse pression. Le circuit haute pression assure toujours le démarrage du circuit basse pression uniquement lorsqu au moins un compresseur haute pression est lancé. Il garantit également la conformité des temporisateurs de sécurité et des compresseurs. Démarrage comp. HT - sortie Démarrage comp. BT - entrée Demande comp. HT - entrée Demande comp. BT - sortie Ici, une sortie de relais et une entrée On/off sont utilisés sur les deux contrôleurs. Gestion/ égalisation de l huile Le système de gestion d huile intégré couvre la plupart des systèmes disponibles sur le marché actuel. Il peut être utilisé aussi bien avec le CO2 qu avec tous les autres réfrigérants conventionnels. De plus, il gère les signaux d entrée des éléments suivants : capteur de niveau du compresseur capteur de niveau du séparateur d huile capteur de niveau du réservoir d huile transmetteur de pression du réservoir d huile L alimentation en huile des compresseurs est gérée en activant les électrovannes séquentielles ON/OFF définies par l utilisateur. Système HC/HFC-CO2 en cascade Guide d application RA8AB104 Danfoss 01/2011 5

6 Régulation de l injection en cascade Dans les systèmes avec régulation en cascade et CO2 comme réfrigérant sur le circuit basse température, l EKC 313 peut réguler l injection de liquide (au moyen d'un détendeur pas à pas ETS) dans l échangeur de chaleur en cascade selon l une des deux méthodes suivantes : optimisation de la surchauffe ; régulation de la pression de condensation dans le circuit basse température tout en veillant à ce que la surchauffe ne baisse pas trop. En l absence d évaporateurs sur le circuit haute température, les régulateurs en cascade doivent être définis sur le mode de régulation 1 pour optimiser la surchauffe. Dans cette application, la pression de condensation du circuit basse température doit être régulée par le régulateur de capacité du compresseur du circuit haute température. Le signal PC basse température est ici reçu au niveau de l entrée P0 haute température. Régulation du débit de CO 2 de l évaporateur à température moyenne La température de l air dans les vitrines ou zones de présentation à température moyenne est régulée en ouvrant/fermant une électrovanne/ vanne motorisée de l alimentation en CO2 de l évaporateur. La régulation de température réelle peut être obtenue de deux façons : soit une régulation ON/OFF normale avec différentiel, soit une régulation modulante (PWM), où la variation de température est loin d être aussi importante que lors de la régulation on/off. Dans un système avec plusieurs évaporateurs alimentés par la même pompe CO2, la régulation modulante de la température doit être sélectionnée, car elle fournit également un débit plus constant de CO2 à la pompe CO2. Période n63 Régulation de l injection de l évaporateur à basse température La régulation de l injection des évaporateurs de chambres froides et de vitrines basse température s effectue via un AK-CC 550A utilisant les vannes d injection à séquentielle AKVH et des algorithmes logiciels adaptatifs brevetés pour optimiser les performances et le fonctionnement du système. Régulation de la pression Les régulateurs de CO2 Danfoss disposent d un plus grand nombre de fonctions de sécurité liées à la pression, ce qui empêche les vannes de sûreté de s ouvrir et donc de perdre de la charge. Régulateur de groupe AK-PC 740 Une fonction de sécurité liée à la pression de refoulement max. du compresseur réduit la capacité du compresseur. 6 Guide d application RA8AB104 Danfoss 01/2011 Système HC/HFC-CO2 en cascade

7 AK-PC 740 Régulateur flexible pour le contrôle de la capacité des compresseurs et des ventilateurs de condenseurs. Le nombre d E/S peut être étendu avec des modules d extension AK-XM. AK-PC 780 Identique à l AK-PC 740 plus : AK-CC 450 Régulation totale du meuble frigorifique avec une grande flexibilité pour s adapter à tous les types de meubles et d entrepôts frigorifiques. 4 compresseurs avec 3 réductions de puissance par compresseur 6 ventilateurs 60 entrées/sorties max. Régulation de la vitesse variable du compresseur principal et des ventilateurs de condenseurs Fonction intégrée de gestion d'huile Fonction de démarrage-demande pour la coordination entre les compresseurs haute et basse pression 8 compresseurs avec 3 réductions de puissance par compresseur 8 ventilateurs 100 entrées/sorties max. Pour refroidissement avec saumure ou pompe CO2 Pour utilisation avec un détendeur thermostatique Optimisation de l énergie de l ensemble du meuble frigorifique Un seul régulateur pour plusieurs meubles frigorifiques Dégivrage naturel, électrique ou par gaz chauds AK-CC 550A Identique à l AK-CC Pour refroidissement avec détendeur électronique Régulation adaptative de la surchauffe Dégivrage adaptatif en fonction de la performance de l évaporateur AK-CC 750 Régulateur flexible de meubles frigorifiques pour 4 évaporateurs maximum. EKC 313 Régulateur d injection de liquide des échangeurs de chaleur en cascade avec CO2 comme réfrigérant dans le circuit basse température. Circuit de sortie du moteur pas-à-pas pour détendeur ETS ou CCM. Sortie 0-10 V pour les vannes ICMTS ETS ETS est une série de détendeurs à commande électrique (moteur pas-à-pas) Détendeurs à commande électrique pour l injection précise de liquide dans des évaporateurs Totalement équilibrées, offrant une fonction bidirectionnelle ainsi qu une fonction d arrêt étanche de l électrovanne dans les deux sens de débit. Système HC/HFC-CO2 en cascade Guide d application RA8AB104 Danfoss 01/2011 7

8 Danfoss n assume aucune responsabilité quant aux erreurs qui se seraient glissées dans les catalogues, brochures ou autres documentations écrites. Dans un souci constant d amélioration, Danfoss se réserve le droit d apporter sans préavis toutes modifications à ses produits, y compris ceux se trouvant déjà en commande, sous réserve, toutefois, que ces modifications n affectent pas les caractéristiques déjà arrêtées en accord avec le client. Toutes les marques de fabrique de cette documentation sont la propriété des sociétés correspondantes. Danfoss et le logotype Danfoss sont des marques de fabrique de Danfoss A/S. Tous droits réservés. FC-SPMC 8 Guide d application RA8AB104 Danfoss 01/2011 Système HC/HFC-CO2 en cascade