Soirée mensuelle du 11 janvier 2021

CE QUE VOUS AVEZ PEUT-ÊTRE MANQUÉ...Soirée mensuelle DU 11 janvier 2021

Le 11 janvier dernier, à l’occasion de la soirée réfrigération & méritas technologiques, le Chapitre de Montréal a reçu Mme Kathleen Neault qui nous a présenté une conférence sur l'ammoniac ainsi que M. Frédérick Lavalée-Trubiano qui nous a présenté le CO₂ comme réfrigérant. Cette quatrième soirée-conférence de la saison a eu lieu sous forme de webinaire pour respecter les restrictions causées par la COVID-19.

Première conférence

Pour la première conférence de sa soirée de janvier 2021, le Chapitre ASHRAE de Montréal a eu le plaisir d’accueillir Mme Kathleen Neault, Présidente de Refri-Ozone.

CONCEPTS FONDAMENTAUX DU CHAPITRE 4 DU MANUEL ASHRAE REFRIGERATION HANDBOOK 2018 – SURALIMENTATION DE LIQUIDE DES SYSTÈMES À L’AMMONIAC

Lors de sa présentation, Mme Neault a présenté les concepts fondamentaux des différents types de systèmes à l’ammoniac à suralimentation de liquide. Elle a, entre autres, présenté les quatre grands différents types de systèmes. Elle a également abordé les avantages et les inconvénients de ce système par rapport à ceux à expansion directe, a expliqué le concept de ratio de suralimentation et a touché les différentes composantes de ces systèmes et l’attention particulière à apporter à chacun lors de la conception.

TYPES DE SYSTÈMES À SURALIMENTATION DE LIQUIDE

Mme Neault a présenté les 4 grands types de systèmes ainsi que leurs différentes composantes, leur fonctionnement et particularités. Elle a mentionné que le chapitre 4 du ASHRAE Refrigeration Handbook 2018 présente très bien les caractéristiques de ces systèmes et a encouragé les participants à le consulter. Voici les systèmes présentés ainsi que leurs configurations.

1. Système à pompe de réfrigérant liquide (Liquid Overfeed with Mechanical Pump)

2. Système à pompes de réfrigérant liquide et gazeux (Double-Pumper-Drum-System)

3. Système à pression contrôlée (Constant-Pressure Liquid Overfeed System)

4. Système à gravité (Liquid Overfeed System Connected on Common System with Gravity-Flooded Evaporators)

AVANTAGES ET DÉSAVANTAGES DES SYSTÈMES À SURALIMENTATION DE LIQUIDE

Chaque type de système de réfrigération comporte des avantages et des inconvénients. Mme Neault a passé en revue ces derniers par rapport aux systèmes à expansion directe, ceux plus conventionnels qu’on apprend à connaître lors de nos cours universitaires en thermodynamique. Voici les avantages et inconvénients majeurs présentés.

AVANTAGES :

1. La surface de l’évaporateur est plus efficace du à la surcharge de réfrigérant alimenté.
2. Les compresseurs sont protégés des potentiels coups de liquide liés à l’opération du système.
3. La simplicité des contrôles et des cycles de dégivrages.
4. L’alimentation du liquide n’est pas dépendant de la pression de condensation.
5. Le «flash gaz» est habituellement non présent, il s’effectue à l’entrée du réservoir basse pression et l’alimentation en liquide est habituellement sous-refroidie (pressurisée).
6. Les réservoirs, pompes et contrôles se trouvent généralement dans une salle mécanique, ce qui facilite l’entretien.
7. L’entretien de ces systèmes est relativement simple.

DÉSAVANTAGES :

1. La charge de réfrigérant est supérieure.
2. Les lignes d’alimentation et de retour aux évaporateurs sont plus grosses en raison de la pression d’opération.
3. L’isolation des lignes de réfrigérant est très importante et toutes les lignes alimentant les évaporateurs doivent être isolées.
4. Le coût d’installation est supérieur.
5. Une attention particulière doit être apportée aux raccordements des pompes, lorsque présentes, car le système fonctionne près de la condition de saturation.

RATIO DE SURALIMENTATION À L’ÉVAPORATEUR ET COMPOSANTES

Mme Neault a pris le temps d’expliquer la notion de ratio de suralimentation à l’évaporateur (lien entre la masse de liquide bouilli et de vapeur produite) pour que les auditeurs comprennent ce dont on parle lorsqu’ils sont abordés dans le chapitre 4 du Refrigeration Handbook.

Exemples : ratio 1 :1 = pour 1 livre de liquide entré à l’évaporateur pour 1 livre bouillie, donc sortant entièrement en vapeur. Ratio 3 :1 = pour 3 livres de liquide entré à l’évaporateur, il sortira une part gazeuse pour deux parts de liquide.

Pour le reste du webinaire, Mme Nault a abordé les différentes composantes clés des systèmes à suralimentation de liquide. Au niveau de l’évaporateur, elle a parlé des types d’alimentation «bottom feed» et «top feed» et de leurs spécificités. Elle a discuté des différences entre les réservoirs horizontaux et verticaux. Les différents types de pompes ont été abordés en plus de parler des différents modes de contrôle des systèmes.

Conclusion

En conclusion, les systèmes de réfrigération à l’ammoniac à suralimentation de liquide sont des systèmes performants comportant plusieurs avantages et certaines spécificités bien particulières. Il est fortement conseillé à quiconque s’intéresse au sujet de consulter le chapitre 4 du ASHRAE Refrigeration Handbook 2018. Il renferme une foule d’information pertinente pouvant vous aider à guider vos choix technologiques.

Par Samira-Hélène Sammoun ing., Comité édition

Consultez la présentation de la conférence en format PDF. 

Deuxième conférence 

Pour la deuxième conférence de la soirée, M. Frédérick Lavallée-Trubiano nous a fait un ‘’tour du circuit de réfrigération pour découvrir les nouvelles avancées de la technologie CO₂ transcritique’’. Plusieurs sujets seront abordés, soit la réglementation sur les réfrigérants, les systèmes au CO₂ et ce qui a amené le développement de cette technologie, l’efficacité énergétique des différents systèmes ainsi que les diverses installations possibles avec leurs particularités.

DÉFIS ET OPPORTUNITÉS

Côté réglementation et défis, on sait tous que le Canada a signé le Protocole de Montréal pour réduire les gaz à effets de serre et cela amène certains bannissements de réfrigérants. Côté financier, plusieurs financements incitatifs (HQ, TEQ, Crédit Carbone) sont en vigueur pour aider à l’implantation de cette technologie. Pour le CO₂, on a des pressions jusqu’à 1000-1500 psi, alors l’installation du système aura un impact sur l’efficacité énergétique. Mais lorsqu’on parle du côté énergie, il est important de voir non seulement la partie du système de réfrigération, mais également la partie bâtiment au complet, car il peut y avoir une bonne interaction entre les deux.

M. Lavallée-Trubiano nous a présenté la cédule de suppression graduelle au Canada et celle au Québec et l’image suivante nous présente ce qui se passe depuis un certain temps et ce qui est envisagé pour le remplacement des réfrigérants. On observe qu’on s’en va de plus en plus avec de mélanges de réfrigérants pour réduire le potentiel d’émission de GES.

Figure 6: Les réfrigérants de remplacement

M. Lavallée-Trubiano profite pour nous rappeler ce que c’est un GES en le comparant à une voiture et la comparaison des différents réfrigérants nous montre l’impact réduit que le CO₂ a sur le GES :

• Un supermarché possède 4000 livres de réfrigérant en moyenne selon EPA;
• Taux de fuite moyenne selon EPA: 25% (1000 livres par année);
• Une voiture émet en moyenne 4.6 tonnes de CO₂ par année en faisant 20 000 km/année (10 141 livres de CO₂);
• En comparant au R12 PRP : 10 900 (banni en 1996 pour PDO) (1075 voitures équivalent);
• En comparant au R22 PRP : 1 810 (banni en 2010 pour PDO) (176 voitures équivalent);
• En comparant au R404A PRP : 3 922 (banni en 2020 pour PRP) (385 voitures équivalent);
• En comparant au R407A PRP : 2 107 (208 voitures équivalent);
• Avec le CO₂ GWP : 1 (0.098 voitures équivalent).

CO₂ TRANSCRITIQUE

M. Lavallée-Trubiano nous a rappelé les particularités d’un système au CO₂, soit :

• Point critique à 87.76°F (30.97 °C) (1080 PSI) (74 Bar);
• PRP de 1 (température de réchauffement climatique);
• Opération transcritique (jusqu’à 1500 PSI) (103 Bar);
• Opération 2 stages pour la basse température;
• Vanne de dérivation de gaz au réservoir (flash gaz bypass);
• Section haute pression 1740 PSI (120 Bar) et basse pression 650 PSI (45 bar).

Un schéma standard de CO₂ transcritique à deux stages a été présenté et le fonctionnement a été survolé par M. Lavallée-Trubiano. De manière générale on retrouve les composantes suivantes : les compresseurs médium température, la décharge, le serpentin à l’huile, le gaz cooler (en mode transcritique sans changement de phase du CO₂), la throttling valve (qui contrôle la pression de décharge des compresseurs en fonction de la température extérieure et qui sépare le côté haute pression en rouge du côté basse pression en bleu), le réservoir appelé flash tank (qui sépare la partie du gaz de la partie liquide), les valves d’expansion (état liquide), les évaporateurs médium/basse température et les compresseurs basse température qui déchargent dans la succion des compresseurs médium température.

Figure 7: CO₂ transcritique

La représentation sur un diagramme P-h est montrée sur la figure 8. En mode transcritique les compresseurs médium température déchargent vers le gaz cooler et on retrouve une température d’environ 90^oF à la sortie du réfrigérant (point 4) en se retrouvant au-dessus de la cloche de réfrigération. Du point 4 au point 7 on a une dépressurisation, on tombe dans le milieu au point 7, c’est à dire on a une partie en état liquide et une partie en état gazeux. Ce qui est envoyé aux valves d’expansion c’est juste la partie liquide pour être certains d’avoir un bon refroidissement. Le gaz pris par la flash gaz bypass qui va contrôler la pression à certains endroits.

Figure 8: Diagramme P-h

CONDITIONS D’OPÉRATION

Les conditions d’opération du CO₂ sont présentées dans les 2 tableaux ci-bas. Pour le côté moyenne température on a des variations entre -4^oF(-20^oC) et 68^oF(20^oC) et pour le côté basse température on a des températures variantes entre -58^oF(-50^oC) et 5^oF (-15^oC).

Figure 9: Conditions d’opération

Figure 10: Conditions d’opération

CONCEPTION SYSTÈME CO₂

Un des défis au niveau de la conception d’un système au CO₂ est de savoir comment gérer la variation de la quantité de liquide par rapport à la quantité de gaz saturé qui sort du flash tank (presque pas de surchauffe). L’autre défi c’est de savoir comment contrôler la surchauffe aux compresseurs médium température qui rencontrent 3 parties de gaz différents.

Figure 11: Conception système CO₂

LA RÉCUPÉRATION DE CHALEUR

L’avantage d’être en mode transcritique c’est de faire de la récupération de chaleur. Pour un système qui opère en été au Québec à 90^oF comme température extérieure, on a 80% de récupération de chaleur possible lorsque la température est au-dessus de 110^oF. C’est un gros potentiel de récupération de chaleur qui peut être utilisé pour différents usages comme pour le réchauffement de l’eau sanitaire, le préchauffage, etc.

Un autre défi avec un système au CO₂ c’est de maintenir la pression en cas de panne électrique. Étant donné qu’on a un design basse pression, le réservoir se trouve à une T de 30^oF et la pièce où le réservoir est situé est au-dessus de cette température de 30^oF. Si le système arrête, il faut avoir un système qui va maintenir la pression dans le réservoir pour être certains de ne pas relâcher le CO₂. Une solution est d’ajouter une petite unité de condensation avec une génératrice qui nous assurera en cas de panne électrique et lorsque l’électricité va revenir le système sera prêt à partir.

Figure 12: Unité d’urgence

Efficacité énergétique

Par la suite M. Lavallée-Trubiano nous a présenté les différents concepts pour augmenter l’efficacité énergétique en mode transcritique soit : compression parallèle, éjecteur, sous refroidissement mécanique et la déshumidification.

a) Compression parallèle

Caractéristiques :

• La pression réservoir est 100 PSI plus élevée que la pression de succion;
• Jusqu’à 50% du gaz peut passer par la valve de dépressurisation;
• L’ajout d’un groupe de compresseurs qui maintient le réservoir au lieu d’utiliser la valve de dépressurisation fait en sorte qu’on a un compresseur qui travaille à plus haute efficacité.

Avantages:

• Groupe de compresseurs fonctionne à une pression plus élevée;
• Moins de compresseurs sur la température moyenne;
• Systèmes plus efficaces par temps chaud (15% d’économie).

Désavantages:

• Plus de groupes de succion;
• Modulation requise pour le maintien de pression du réservoir stable.

Figure 13: Compression parallèle

b) Éjecteur

Caractéristiques:

 Utilise l’effet de venturi pour transporter du gaz de la succion médium température vers les compresseurs parallèles;

• Dois avoir des compresseurs parallèles;
• Remplace la valve haute pression;
• Transfère le CO₂ vers une section plus efficace.
• 10% plus efficace en mode transcritique.

Figure 14: Éjecteur

c) Sous refroidissement mécanique (CO₂)

  Avantages

• 17% plus efficace par temps chaud;
• Réduction de la quantité de compresseurs;
• Possibilité d’utiliser un sous-refroidisseur à plus haute efficacité;
• Simplification du système.

Désavantages :

• 2 systèmes de réfrigérant indépendants;
• Plus de composantes mobiles.  

EFFICACITÉ ÉNERGÉTIQUE

Si on regarde l’efficacité d’un système transcritique aux conditions de conception dans un climat chaud et on compare les différents concepts présentés ci-haut, on retrouve une amélioration maximale possible pour les conditions présentées de 24% (passage de 105kW a 80kW):

Tableau 1: Efficacité aux conditions de conception (95^oF, climat chaud)

Pour un système à Montréal, où le climat est particulier (4 saisons), on a une variation de +35^oC a -35^oC, alors la condition de design ne représente pas l’efficacité générale du système sur toute l’année.

Alors, pour un système à Montréal avec une température de 20^oF on a un gain d’efficacité de 12% par rapport à la consommation d’un système utilisant le R404A. Cependant, avec les diverses options d’efficacité énergétique (compresseur parallèle, éjecteur, sous-refroidissement mécanique) on a une efficacité de 2% pour l’année au complet qui peut être très avantageuse lorsque nous avons besoin de diminuer le pic de demande électrique puisque ces systèmes sont de grands consommateurs d’énergie.

Tableau 2: Efficacité aux conditions de conception (20^oF, Montréal)

Pour un système à Montréal avec une température de -20^oF on a un gain d’efficacité de 23% par rapport à la consommation du R404A, ce qui est dû au fait qu’on profite des stages des compresseurs. Cependant, avec les diverses options d’efficacité énergétique (compresseur parallèle, éjecteur, sous-refroidissement mécanique) on a une efficacité de 1% ou 2% pour l’année au complet, mais parfois le retour sur investissement dû au rajout de ces technologies n’est pas très intéressant.

Tableau 3: Efficacité aux conditions de conception (-20^oF, Montréal)

INTERACTION DES SYSTÈMES AU CO₂ AVEC LES SYSTÈMES CVAC

Une autre option avec les systèmes au CO₂ c’est de les intégrer avec les systèmes CVAC. Un des avantages c’est d’éliminer tout type de réfrigérant synthétique dans le système et d’utiliser seulement le CO₂ pour faire toute la réfrigération/climatisation au complet. On peut les concevoir pour qu’un travaille avec l’autre afin d’augmenter l’efficacité énergétique.

La figure 15 montre un exemple d’interaction de système au CO₂ avec un système CVCA pour un marché d’alimentation, on profite pour faire la climatisation en utilisant le compresseur de climatisation comme compresseur parallèle.

Figure 15: Intégration de la climatisation

La figure 16 montre un autre exemple d’utilisation du système de CO2, soit une pompe à chaleur tirant avantage du système de réfrigération. Puisque notre système est interrelié côté climatisation et côté réfrigération, on peut utiliser le système de climatisation en hiver comme une thermopompe. En mettant quelques échangeurs de chaleur, on peut tirer avantage des compresseurs de réfrigération : on les met à plus haute température et on va pouvoir envoyer la chaleur récupérée dans les unités de ventilation. On élimine ainsi toute source de réfrigérants synthétiques.

Figure 16 : Pompe à chaleur tirant avantage du système de réfrigération

La figure 17 montre l’exemple d’un système de réfrigération au CO₂ combiné avec le CVAC pour faire la déshumidification de l’air, soit en utilisant l’avantage de travailler avec les 2 stages de pression (côté haute et basse pression). Normalement pour faire la déshumidification on refroidit l’air et avant de l’envoyer à l’intérieur du bâtiment on veut le réchauffer un peu (passage de 50^oF à 70^oF) pour avoir pourcentage d’humidité relative d’environ 50%. De façon générale, pour faire la déshumidification, on y va avec la décharge des compresseurs pour réchauffer l’air, mais. Avec les systèmes au CO₂, le réchauffement d’air nous permet de refroidir le CO₂ avant de le faire entrer dans le système ce qui augmente l’efficacité du système et réduit la quantité des compresseurs requis pour le projet.

Figure 17: Système au CO₂ avec déshumidification CVCA

Entretien et installation

Pour finir, M. Lavallée-Trubiano nous montre une installation typique avec de la tuyauterie cuivre et isolation en arma Flex pour éviter la condensation:

• Tuyauterie en cuivre type L ou K selon la dimension requise;
• Calculer selon ASME B31.5;
• Certification CRN des raccords pour la pression requise;
• Isolation sur toutes les lignes ½ liquide et ¾ succion;
• 6 PSI de perte de pression tolérée (réduction de la grosseur de la tuyauterie).

Tuyauterie haute pression:

• Toute tuyauterie haute pression doit être en acier inoxydable
• Calculer selon ASME B31.5 ou CRN.

La charte qu’un utilise pour l’installation en chantier est :

Figure 18 : Installation en chantier

Conclusion

Cette présentation nous a permis de faire un survol sur les équipements au CO₂ et de découvrir les nouvelles avancées de la technologie CO₂ transcritique.

Par Magdalena Stanescu, ing., Ph.D., Comité édition

Consultez la présentation de la conférence en format PDF.

COUREZ LA CHANCE DE GAGNER UNE CARTE-CADEAU

En raison de la nouvelle réalité, nous vous sondons régulièrement afin de s'adapter. Après chaque Soirée mensuelle, nous offrons aux particiapants la possibilité d'évaluer les conférenciers en remplissant un formulaire en ligne qui est disponible dès la fin de votre connexion en format virtuel ou par réception d'un lien par courriel de la soirée si vous partcipez en présentiel. Plusieurs cartes-cadeaux seront tirées en direct, le 10 mai 2021, lors de notre dernière soirée mensuelle de la saison 2020-2021. Plus vous participerez plus vous aurez de chances de gagner. Bonne chance à tous!  

MERCI À NOS PARTENAIRES DE LA SOIRÉE  

 ET POUR LA DIFFUSION DU WEBINAIRE À:

Notre prochain rendez-vous pour la soirée mensuelle sera le 8 février. Notre soirée recrutement des membres où tous les participants profiteront du tarif membre.