L'aérorefroidisseur est l'un des composants les plus simples, mais aussi les plus mal compris, des systemes de refroidissement industriel. Un aérorefroidisseur (dry cooler) se résume à une batterie à tubes ailettés qui refroidit de l'eau ou un mélange eau-glycol en n'utilisant que l'air ambiant extérieur, mis en mouvement par des ventilateurs. Il ne comporte ni cycle de fluide frigorigene, ni compresseur, ni consommation d'eau ; il transfere la chaleur directement à l'air, au sein d'un circuit entierement fermé. Dans cet article, nous expliquons ce qu'est un dry cooler au niveau de sa structure et de son principe de fonctionnement, et nous clarifions la différence entre un aérorefroidisseur et une tour de refroidissement, ainsi que ce qui le distingue d'un chiller.
Qu'est-ce qu'un aérorefroidisseur ? Structure et composants
L'aérorefroidisseur est, dans son essence, un grand échangeur de chaleur air-liquide. En son cœur se trouve une batterie à tubes ailettés, constituée d'ailettes en aluminium enfilées sur des tubes en cuivre. Lorsque le liquide de process chaud circule à l'intérieur de cette batterie, de l'air est forcé à travers celle-ci et la chaleur est transportée vers l'air par l'intermédiaire des surfaces métalliques. Les ventilateurs axiaux qui mettent l'air en mouvement, la structure porteuse (construction verticale, horizontale ou en V), les collecteurs et la régulation de la vitesse des ventilateurs en constituent les composants essentiels.
Le terme « sec » présent dans le nom de l'appareil marque une distinction cruciale : le refroidissement s'effectue entierement par transfert de chaleur sensible, c'est-à-dire sans aucune évaporation entre le liquide et l'air. Le circuit est fermé ; l'eau ou le mélange eau-glycol qu'il contient n'entre pas en contact avec l'air extérieur, ne se salit pas et ne se consomme pas. C'est ce qui fait de l'aérorefroidisseur une solution à faible entretien et sans dépense d'eau.
Principe de fonctionnement de l'aérorefroidisseur
Le principe de fonctionnement de l'aérorefroidisseur est simple sur le plan thermodynamique. Le liquide chauffé par le process est envoyé vers la batterie à l'aide d'une pompe. À mesure que les ventilateurs font passer l'air extérieur à travers la batterie, la température du liquide baisse et le fluide refroidi retourne vers le process. La température de liquide la plus basse que l'on puisse atteindre dépend directement de la température seche de l'air extérieur ; en pratique, le fluide peut etre refroidi jusqu'à quelques degrés au-dessus de la température de l'air extérieur (écart d'approche, approach).
Cette dépendance signifie que la capacité de l'aérorefroidisseur varie selon la saison et l'heure de la journée. Alors que les performances sont élevées les jours froids, la température de liquide atteignable augmente lors des chaudes apres-midi d'été. C'est pourquoi les ventilateurs sont le plus souvent à moteurs EC et à vitesse variable ; ils maintiennent la consommation d'énergie et le niveau sonore au strict nécessaire tout en préservant la température de liquide visée.
Différence entre l'aérorefroidisseur et la tour de refroidissement
Le sujet le plus fréquemment confondu est la différence entre l'aérorefroidisseur et la tour de refroidissement. Tous deux évacuent la chaleur vers l'air extérieur, mais leurs méthodes sont fondamentalement différentes. La tour de refroidissement est un systeme ouvert qui refroidit en évaporant une partie de l'eau ; grâce à cette évaporation, l'eau peut descendre jusqu'à des valeurs proches de la température humide de l'air extérieur, mais consomme en contrepartie de l'eau en permanence ; elle exige un appoint d'eau, un conditionnement chimique et la gestion du risque de légionellose. L'aérorefroidisseur, quant à lui, fonctionne en circuit fermé, sans évaporation, uniquement par transfert de chaleur sensible.
- Consommation d'eau : la tour de refroidissement consomme de l'eau en continu et nécessite un appoint ; l'aérorefroidisseur ne consomme pas d'eau.
- Type de circuit : la tour est généralement en circuit ouvert et met l'eau en contact avec l'air ; l'aérorefroidisseur est en circuit entierement fermé.
- Température atteignable : la tour se rapproche de la température humide, tandis que l'aérorefroidisseur se rapproche de la température seche.
- Entretien et hygiene : la tour requiert un conditionnement chimique et une gestion du risque biologique ; l'aérorefroidisseur en est exempt.
- Exploitation : l'aérorefroidisseur est protégé contre le gel en hiver grâce au mélange eau-glycol, et la gestion du risque de gel y est simple.
Différence avec le chiller et domaines d'utilisation
La différence fondamentale entre l'aérorefroidisseur et le chiller est qu'il ne comporte ni cycle de fluide frigorigene ni compresseur. Le chiller peut, grâce à son cycle compresseur-condenseur-détendeur-évaporateur, abaisser le liquide en dessous de la température de l'air extérieur. L'aérorefroidisseur, lui, ne peut pas produire une température plus froide que l'air extérieur ; sa véritable force réside dans le fait qu'il accomplit sa tâche non pas à l'électricité, mais directement grâce à l'air ambiant, et qu'il consomme ainsi tres peu d'énergie.
Ces caractéristiques déterminent les domaines d'utilisation typiques de l'aérorefroidisseur :
- Étage de free cooling (refroidissement libre) : lorsque l'air extérieur est suffisamment froid, désactiver le compresseur du chiller et confier le refroidissement à l'aérorefroidisseur.
- Refroidissement de l'eau du condenseur dans les chillers à condensation par eau : utiliser un aérorefroidisseur en circuit fermé plutôt qu'une tour ouverte.
- Refroidissement direct du process : alimenter directement le process avec l'aérorefroidisseur lorsque les conditions de l'air extérieur le permettent.
Un aérorefroidisseur adiabatique pour les journées chaudes
La seule limite de l'aérorefroidisseur est que sa capacité dépend de la température de l'air extérieur. Pour repousser cette limite, l'aérorefroidisseur adiabatique (aérorefroidisseur à pré-refroidissement évaporatif) a été développé. Dans les systemes adiabatiques, l'air entrant dans la batterie est d'abord refroidi de quelques degrés par évaporation, en le faisant passer à travers des médias humidifiés ou des surfaces de brumisation ; ainsi, l'air atteint la batterie à une température plus basse et la capacité est préservée au pic de chaleur estivale.
Comme l'étage adiabatique n'est activé qu'aux heures les plus chaudes et seulement autant que nécessaire, l'eau n'est utilisée qu'en conditions de pointe et en quantité limitée. On préserve ainsi en grande partie l'avantage de la faible consommation d'eau de l'aérorefroidisseur, tout en obtenant des performances suffisantes meme dans les climats chauds.
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