Choix du Compresseur

Les critères thermiques

Température d'évaporation la plus haute possible.

La température d'évaporation est naturellement dictée par la nécessité de maintenir dans l'espace à réfrigérer une température définie en fonction du type de denrée à conservation. Néanmoins, l'option de "coller" le plus haut possible à cette température nécessite de choisir des systèmes de régulation adéquats pour piloter la plupart des équipements du circuit frigorifique.
Le maintien d'une température "haute" ou "haute pression" dans l'évaporateur, quelle que soit la charge frigorifique au niveau de l'évaporateur, influence :
  • le choix du détendeur et de sa régulation par rapport à la surchauffe;
  • le choix de la régulation du compresseur.
 Régulation de la surchauffe et du débit du compresseur.

Température de condensation la plus basse possible.

La température de condensation dépend en grande partie de la température de l'air pour un condenseur à air et de la température de l'eau pour un condenseur à eau. Néanmoins, l'option de "coller" le plus bas possible à cette température nécessite de choisir des systèmes de régulation adéquats pour piloter la plupart des équipements du circuit frigorifique.
Le maintien d'une température "basse" ou "basse pression" au condenseur, quelle que soit la charge frigorifique et les conditions externes d'échange, influence :
  • le choix du détendeur et de sa régulation par rapport à la différence de pression à laquelle il est soumis;
  • le choix du condenseur et de sa régulation;
  • le choix de la régulation du compresseur.
Régulation de la surchauffe et du débit du compresseur et de la pression de condensation.

Les critères de choix énergétique

Le coût du placement des installations frigorifiques commerciales est important et les compresseurs en représentent une part importante. Pour cette raison, sur le plan énergétique, il est nécessaire d'établir des critères de sélection. En réalité ils sont peu nombreux et les seuls à émerger vraiment sont :
  • le coefficient de performance énergétique EER (Energy efficiency Ratio) ou couramment appelé COPfroid;
  • le taux de compression HP/BP;
  • le rendement volumétrique.

Le coefficient de performance COP

Tous les compresseurs ne présentent pas une performance égale. Cette performance peut être mesurée via le COP de la machine frigorifique dans laquelle ils seront insérés.
Contrairement au domaine de la climatisation, en froid commercial, la détermination d'un EER ou COPfroid global et annuel d'une machine frigorifique n'est pas évidente à évaluer. La plupart des grandes marques adoptent très peu les protocoles d'établissement de performance énergétique des standards comme ouverture d'une nouvelle fenêtre ! EUROVENT et ouverture d'une nouvelle fenêtre ! ARI (Air-conditioning and Refrigeration Institute).
Par contre, les fabricants de compresseurs renseignent de manière précise sur leur site des valeurs de EER ou permettent l'utilisation de leur logiciel de dimensionnement et de sélection en fonction de différents paramètres tels que :
  • la température d'évaporation;
  • la température de condensation;
  • le type de fluide frigorigène envisagé;
  • la valeur de sous-refroidissement
  • la valeur de surchauffe;
  • ....
Pour un même compresseur sélectionné, la variation des valeurs des paramètres de sélection influence de manière différente la valeur du COP.
Prévoir dès le départ la mesure du COP de l'installation :
Pour la bonne gestion future d'une grosse installation, on peut imaginer de placer un compteur d'énergie sur l'eau glycolée d'un circuit caloporteur et un compteur électrique sur le compresseur (coût de l'ordre de 5 000 Euros). Il sera alors possible d'imposer un COP moyen annuel minimum à la société de maintenance... en laissant celle-ci se débrouiller pour y arriver. Un remboursement de la différence peut être prévu comme pénalité en cas de non-respect.

Le taux de compression HP/BP

Le taux de compression HP/BP d'un compresseur, comme son nom l'indique, est le rapport de la pression absolue de refoulement par celle d'aspiration. C'est une caractéristique principalement :
  • intrinsèque aux compresseurs à vis et scroll (caractéristiques géométriques et mécaniques du compresseur);
  • extrinsèque aux compresseurs à piston.
Mais comme toute machine au sens large du terme, la choisir hors de son contexte ne rime à rien. Les conditions de pression au niveau du condenseur pour la haute pression et de l'évaporateur pour la basse pression.
Le taux de compression influence les performances énergétiques du compresseur en influençant le rendement volumique de la machine.
Pour rappel, les conditions de pression et de température sont dictées au niveau :
  • du condenseur (haute pression) par les conditions externes de refroidissement (la température de l'air externe pour un condenseur à air par exemple);
  • de l'évaporateur (basse pression) par la charge frigorifique à refroidir à une certaine température (et donc à une certaine pression).

Les compresseurs à vis et scroll

Pour les compresseurs à vis comme pour les compresseurs scroll, le risque est de sélectionner un compresseur dont le taux de compression est trop élevé : le compresseur travaillera "pour rien" puisque le fluide frigorigène sera trop comprimé puis se détendra au travers de l'orifice de refoulement jusqu'à atteindre la pression de condensation.
La pression de condensation est liée au régime de fonctionnement du condenseur de l'installation. Il importe que la pression interne de refoulement soit la plus proche possible de la pression de condensation.
Le concepteur choisira un "rapport de volume interne" (cela correspond au taux de compression, mais exprimé sous forme d'un rapport entre les volumes à l'entrée et à la sortie du compresseur) approprié au cas d'utilisation et pour lequel le compresseur exige la plus faible puissance d'entraînement possible.
Pour les cas où les conditions de pression de fonctionnement varient fortement, on a mis au point le compresseur à vis à rapport de volume interne variable. Le taux de compression s'adapte automatiquement au rapport de pression utile en fonction des paramètres de température de condensation et de température d'évaporation.
Cette technique optimalise le rendement énergétique tant à pleine charge, qu'à charge partielle.
On peut atteindre sans problème des taux de compression importants sans trop dégrader les performances du compresseur. Des taux de compression importants sont obtenus grâce à l'huile qui réduit l'échauffement des gaz comprimés.

Les compresseurs à pistons

Pour les compresseurs à pistons, le taux de compression HP/BP est lié essentiellement aux conditions externes utiles en amont (évaporateur) et en aval (condenseur).
Pour rappel :
  • Le clapet d'aspiration côté évaporateur (BP) ne s'ouvrira que pour autant que la pression à l'intérieur de la chambre de compression (au point mort bas) soit inférieure à celle dans la tuyauterie d'aspiration.
  • De même, le clapet de refoulement côté condenseur (HP) ne s'ouvrira que pour autant que la pression à l'intérieur de cette même chambre e compression (au point mort haut) soit supérieure à celle régnant dans la conduite de refoulement.
En général, les compresseurs à pistons, pour des raisons mécaniques et d'étanchéité, n'admettent que des taux de compression de l'ordre de 8 voire maximum 10.
On en déduit que :
  • pour les applications à froid positif (température d'évaporation de l'ordre de -3 à -14°C), les compresseurs mono étagés suffisent dans la plupart des cas.
  • à l'inverse, pour les applications à froid négatif (température d'évaporation de l'ordre de -30 à -38°C), les compresseurs biétagés sont utilisés.

Le rendement volumétrique

A une vitesse donnée, un compresseur est garanti par un volume balayé; c'est une des caractéristiques de la plaque signalétique. Mais en réalité, pour certains compresseurs tel que celui à piston, le volume réel aspiré est inférieur au volume balayé. Le taux compression influence fondamentalement l'écart entre le volume réel et le volume balayé, cet écart augmentant avec l'augmentation du rapport HP/BP.
Le rendement volumétrique exprime le rapport entre le volume réel et le volume balayé. Ce rendement volumétrique souvent exprimé en fonction du taux de compression est différent pour les compresseurs à vis et ceux à piston.

Les compresseurs à vis

Étant donné que les compresseurs à vis ont un espace mort pratiquement inexistant, le rendement volumétrique de ces machines est assez bon même à des taux de compression élevés.
A titre d'exemple,
Le graphique ci-dessous illustre l'abaque que fournissent les fabricants de compresseurs à vis. Même si le taux de compression en croissant dégrade le rendement volumétrique, pour un rapport HP/BP de 12, le rendement volumétrique est toujours de 80 %. Le rendement volumétrique se dégrade lorsque la pression en aval augmente pour la simple raison que le reflux des gaz de refoulement vers l'aspiration augmente aussi.
Exemple de courbe de rendement volumétrique d'un fabricant.

Les compresseurs à pistons

Le rendement volumétrique est donné par la relation suivante :
= 1 - 0,05 x (HP/BP)
Cette formule est empirique et permet d'évaluer le rendement volumétrique avec une bonne approximation.
A titre d'exemple,
Aux mêmes conditions de fonctionnement que le compresseur à vis ci-dessus, le rendement volumétrique d'un compresseur à pistons est de :
= 1 - 0,05 x (HP/BP)
= 1 - 0,05 x 12
= 0,4 ou 40 %
Pour les compresseurs à pistons, le volume balayé est défini par la relation suivante :
Vb = (  x D² / 4) x C x n x N x 60 [m³/h]
Où :
  • D : diamètre du cylindre [m];
  • C : course du piston [m];
  • n : vitesse de rotation [tr/min];
  • N : nombre de cylindres;


On voit tout de suite que pour assurer un volume réel équivalent au volume nécessaire à fournir la puissance frigorifique utile, le compresseur devra tourner plus vite toute autre chose restant égale. Par conséquent, la consommation électrique du moteur entrainant le compresseur sera plus importante et défavorable, à puissance frigorifique utile égale, à la performance énergétique du compresseur.

Vue globale

La puissance frigorifique à atteindre constitue un critère de choix classique de départ, mais la sélection d'un compresseur demande une vue globale sur les typologies disponibles en fonction de la puissance frigorifique et sur le mode de régulation de puissance. Un camion peut être très performant, mais s'il est trop puissant, il n'atteint pas la performance de 2 camionnettes...
Dans le tableau synthèse de sélection, on trouvera les deux critères rassemblés.

Choix du type de compresseur

Il existe de nombreuses technologies de conception des compresseurs.
Systèmes et composants 

Pour aider à la sélection, il est possible de les regrouper par "familles" et d'en tirer leur propriétés communes selon :
  • le mode de compression;
  • l'association moteur-compresseur.

Mode de compression

On distingue les compresseurs par le mode de compression :
  • Les compresseurs volumétriques;
  • les compresseurs centrifuges;

Les compresseurs volumétriques

Compresseur à vis.
(Source Bitzer).
Compresseur scroll.
(Source Copeland).
Compresseur semi-hermétique à piston.
(Source Bitzer).
La compression du fluide frigorigène se fait par réduction du volume de la chambre de compression. Il existe des compresseurs à piston, à vis, à spirales (compresseurs scroll) et des compresseurs rotatifs.

Le compresseur centrifuge

La compression du fluide est créée par la force centrifuge générée par une roue à aubes. On parle de turbocompresseur. Les turbo-compresseurs sont souvent choisis dans des applications industrielles de grosses puissances.

Association moteur-compresseur

On les distingue également par l'association moteur-compresseur :

Le compresseur ouvert

Le moteur est dissocié du compresseur et raccordé par un manchon ou une courroie. L'accès aux différents éléments est possible pour réparation et la vitesse de rotation est modifiable en changeant la poulie du moteur. Mais ces deux avantages (fort théoriques...) ne compensent pas le défaut majeur de l'existence d'un joint d'étanchéité rotatif à la traversée du carter par l'arbre. Ce joint, qui doit être lubrifié pour assurer l'étanchéité, est source de fuites... inacceptables aujourd'hui dans un contexte "zéro-fuite" de fluide réfrigérant.

Le compresseur hermétique

Le moteur et compresseur sont enfermés dans une même enveloppe. Le joint tournant disparaît et avec lui le risque de fuite. Mais des contraintes nouvelles apparaissent, dont le fait que le refroidissement du moteur est réalisé par le fluide frigorigène lui-même. Cet échauffement est préjudiciable au cycle frigorifique puisque la température à l'aspiration du compresseur augmente. De plus, si le moteur vient à griller, c'est l'ensemble du circuit frigorifique qui sera pollué : un nettoyage complet du circuit doit être réalisé si l'on veut éviter de nouveaux ennuis. En cas de problème, il n'est plus possible de réparer... Dès lors, un organe de sécurité contre la surchauffe (Klixon) est incorporé. Grâce à cette sécurité thermique, montée dans les enroulements du moteur ou sur ces derniers, l'alimentation électrique sera coupée lors d'une surchauffe du moteur.
Le compresseur hermétique est couramment utilisé pour les petites et moyennes puissances : climatiseurs, armoires de climatisation, pompes à chaleur, ...

Le compresseur semi-hermétique

qui réalise un compromis entre les deux produits précédents. Il tente de bénéficier des avantages du groupe ouvert (accès aux mécanismes) et du groupe hermétique (limitation des fuites). Mais l'étanchéité reste imparfaite (nombre de joints non négligeable) et le prix est sensiblement plus élevé que pour le compresseur hermétique.
Le compresseur semi-hermétique est utilisé pour les moyennes puissances

Comment choisir ?

Machines tournantes ?

Globalement en climatisation et réfrigération industrielle, la tendance actuelle est :
  • à l'abandon des machines à mouvement alternatif (compresseur à pistons),
  • au développement des machines tournantes, à came rotative, à spirale rotative (scroll) ou à vis.
Le compresseur à vis.
(Source Bitzer).
Compresseur scroll.
(Source Bitzer).
Les avantages et inconvénients :










(+)
  • une réduction des pièces mécaniques en mouvement (suppression des clapets) et donc une plus grande fiabilité,
  • un rendement volumétrique d'un compresseur assez bon grâce à l'absence d'espaces morts, comme dans les compresseurs à pistons,
  • une plus grande longévité,
  • un niveau sonore nettement plus favorable (moins de vibrations), surtout pour les appareils hermétiques,
  • une moindre sensibilité aux entrées de fluide frigorigène liquide ("coups de liquide" destructeurs des compresseurs à pistons),
  • un coût de maintenance également plus faible, puisque le risque de panne est diminué.
(-)
  • leur coût d'achat plus élevé;
  • nécessité de personnel qualifié;
  • en cas de défaillance, les compresseurs hermétiques tels que les scroll's doivent être remplacés et sont limités en puissance;
  • les compresseurs à vis sont de plus grosse puissance et moins adaptés à la puissance frigorifique nécessaire habituellement dans les commerces.

Machines alternatives ?

Le compresseur semi-hermétique à piston (source Bitzer).
Les spécialistes du froid alimentaire dans la distribution quant à eux continuent de préconiser les compresseurs à pistons semi-hermétiques.
Les avantages et inconvénients :










(+)
  • l'investissement est raisonnable;
  • la réparation est facile;
  • au niveau des centrales de compresseurs, le niveau de puissance frigorifique est très modulable par le découpage par étage ainsi qu'une régulation de vitesse sur un des compresseurs;
  • la gamme de puissance frigorifique unitaire est étendue.
(-)
  • leur longévité est limitée;
  • ils sont sensibles aux entrées de fluide frigorigène liquide;
  • le risque de panne n'est pas négligeable;
  • ...

En matière d'environnement

On choisira des compresseurs hermétiques ou semi-hermétiques pour atteindre l'objectif zéro-fuite de fluide frigorigène, objectif qui sera un jour ou est déjà obligatoire au niveau réglementaire.

Suralimentation des compresseurs à vis

Le fonctionnement technique de la suralimentation dépasse la portée de nos propos, mais le principe de base consiste à injecter une quantité de fluide frigorigène supplémentaire dans le compresseur, à une pression intermédiaire entre la pression de condensation et d'aspiration.
La puissance frigorifique en est nettement améliorée alors que la puissance absorbée n'augmente que légèrement.

Le dimensionnement du compresseur

Dimensionnement classique du compresseur

La puissance de la machine frigorifique a été dimensionnée pour répondre aux conditions de fonctionnement extrêmes (période de canicule), sans compter les surdimensionnements liés aux incertitudes d'utilisation des meubles et des chambres frigorifiques.

Généralités

La première économie consiste à évaluer au plus près la puissance frigorifique nécessaire, car la machine frigorifique s'adapte mal aux bas régimes. Chaque palier de diminution de 25 % de la puissance frigorifique du groupe ne réduit la puissance électrique absorbée que de 10 % en moyenne !
Le dimensionnement courant du compresseur pour une installation de froid alimentaire est naturellement conditionné par :
  • la puissance frigorifique à fournir
  • le type de fluide réfrigérant;
  • la température nécessaire à l'application au niveau de l'évaporateur (froid positif ou négatif, type de denrées à conserver, ...) et ce, dans des conditions optimales;
  • la température extrême qu'il peut régner au niveau du condenseur (température de l'air ou de l'eau selon le type de condenseur).
Une température de condensation qui revient régulièrement dans le dimensionnement classique est de l'ordre de 40°C; ce qui correspond, compte tenu d'un "pincement" (caractérise le dimensionnement du condenseur) de l'ordre de 8 K, à une température d'entrée d'air de 32°C. Cette température d'air d'entrée correspond à une température "caniculaire".
Ce qui est terrible dans le froid alimentaire, par rapport à la climatisation de bâtiment tertiaire où on pourrait tolérer un certain inconfort momentané, c'est que les règlementations et normes en matière de respect de la chaîne de froid sont très contraignantes (il y a va de la santé des consommateurs) et imposent aux commerçants de prendre les précautions qui s'imposent afin de respecter les températures de conservation. En d'autres termes, le bureau d'étude chargé du dimensionnement des compresseurs n'hésitera pas à prendre une valeur de 40°C de température de condensation même si on observe des températures d'air de l'ordre de 32°C quelques heures sur les 8 760 heures qui composent une année et donc de surdimensionner la puissance des compresseurs.

Froid négatif

On rappelle, de par les limites mécaniques des compresseurs à pistons, par exemple, que le taux de compression HP/BP ne peut pas dépasser en pratique la valeur de 8. En froid négatif, le taux de compression HP/BP nécessaire pour assurer au niveau de l'évaporateur des températures de l'ordre de -35°C implique un taux de compression de l'ordre de 15. Ces applications demandent donc de découper la phase de compression en deux étages.
"Lorsque le taux de compression est trop élevé, on travaille plutôt avec deux étages".
Afin de réduire au maximum la taille (ou la cylindrée) des compresseurs, la pression intermédiaire entre les deux étages de compression doit être choisie de manière précise. La formule suivante exprime l'optimum de la pression intermédiaire Pi :
Pi = ( HP x BP)0,5 [bars abs]
Où :
  • HP : Haute Pression absolue côté aspiration du compresseur [bars];
  • BP : Basse Pression absolue côté refoulement du compresseur [bars].
Différentes solutions existent pour étager le taux de compression HP/BP :
  • deux compresseurs séparés sont placés l'un à la suite de l'autre (en série). Mais cette solution est coûteuse;
  • un compresseur biétagé monobloc permet d'atteindre des taux de compression importants avec l'avantage de n'investir que dans une seule machine.

Le choix de la régulation de puissance du compresseur

 Même si la puissance frigorifique du compresseur est calculée au plus juste pour une température de condensation raisonnable, il faut choisir une régulation qui lui permette de répondre à des besoins frigorifiques généralement beaucoup plus faibles que la valeur nominale et fluctuants dans le temps.
Diverses techniques de régulation sont possibles :  
  • la régulation par "tout ou rien" (marche/arrêt ou pump-down),
  • la régulation progressive de la pression d'évaporation,
  • la régulation par "étages",
  • la régulation par cascades (ou "centrales"),
  • la régulation par variation de vitesse ou "INVERTER",
  • la mise hors service de cylindres,
  • le by-pass des vapeurs refoulement-aspiration,
  • l'obturation de l'orifice d'aspiration,
  • la régulation par injection des gaz chauds,
  • la régulation "par tiroir" des compresseurs à vis.

La variation de la puissance du compresseur

La variation de la puissance frigorifique de l'application de froid alimentaire (puissance utile à l'évaporateur) conditionne le fonctionnement du compresseur. Pour y répondre, comme le compresseur est de type volumétrique, il doit adapter sa puissance en faisant varier le volume de fluide frigorigène qui le traverse.
A l'heure actuelle, classiquement, la solution consiste à faire varier la puissance du compresseur :
  • soit en créant une cascade entre plusieurs compresseurs (= compresseurs en centrales);
  • par variation de la vitesse du compresseur.

Cascade de plusieurs compresseurs

A partir du moment où la puissance frigorifique devient importante (superettes, supermarchés ou hypermarchés), le choix d'une centrale de compresseurs s'impose pour les raisons suivantes :
  • fiabilité et sécurité d'alimentation en fluide frigorigène (ne pas "casser" la chaîne du froid) puisque les machines sont indépendantes;
  • modulation de la puissance frigorifique par enclenchement ou déclenchement successifs des différents compresseurs de la centrale.
La variation progressive de la puissance est énergétiquement favorable puisqu'aucune machine n'est dégradée dans son fonctionnement.
Centrale de 3 compresseurs en parallèle.
Bien sûr, le coût d'investissement est plus élevé que si l'on utilisait une seule grosse machine, mais imaginerait-on d'installer une grosse chaudière sans prévoir une cascade pour reprendre les faibles besoins de la mi-saison ?
Un découpage de la puissance en étages est recommandé, tout particulièrement lorsque les variations de charge sont importantes.
Il en résultera :
Un gain sur les kWh (énergie) :
  • car le "petit" compresseur alimentera un condenseur surdimensionné pour ses besoins, d'où une pression de condensation plus basse,
  • car le rendement du moteur du compresseur sera amélioré.
  • Une longévité accrue de l'installation par un fonctionnement plus régulier.
  • Une sécurité d'exploitation.
  • Un gain sur la pointe 1/4 horaire en kW (puissance), facturée par la société de distribution.
En général, on établit les enclenchements en cascade sur base de l'évolution de la pression d'aspiration de la centrale des compresseurs. Le tout est temporisé de telle sorte que les compresseurs ne s'enclenchent pas tous les uns à la suite des autres.

La variation de vitesse du compresseur

Centrale positive avec variateur de vitesse des compresseurs.
(Source : Carrefour Mons).
C'est une autre solution avantageuse en plein développement : soit un moteur d'entraînement à deux vitesses, soit un entraînement à vitesse variable. Cette dernière technique est sans aucun doute à recommander actuellement.
Le régime de vitesse s'adapte à la puissance de réfrigération souhaitée.
Par exemple, un variateur de fréquence génère une tension dont la fréquence varie entre 20 et 60 Hz. S'il s'agit d'un moteur prévu pour fonctionner à 1 500 tours à 50 Hz, il tournera entre 600 et 1 800 tours/min selon les besoins.
Pourquoi la limitation à 20 Hz ? Un défaut de lubrification du compresseur peut apparaît à basse vitesse, mais les constructeurs améliorent les systèmes régulièrement et trouvent des solutions.
Cette technique de variation de puissance par la variation de vitesse du compresseur (encore appelée INVERTER) entraine :
  • Un meilleur respect des températures de conservation des denrées (bonne stabilité de la température à l'évaporateur, car régulation de la pression à l'aspiration du compresseur).
  • Un rendement énergétique supérieur aux autres techniques de régulation de puissance, car on ne détruit pas le rendement volumétrique, on givre moins (en chambre frigorifique), on limite les dépassements de consigne de régulation propre aux systèmes de régulation tout ou rien (liés au différentiel de régulation).
  • Une réduction du bruit et des vibrations.
  • Un cos phi élevé (entre 0,95 et 0,98), ce qui permet d'éviter des pénalités ou le placement de condensateurs de compensation.


Production électrique 

Le supplément de coût (si un compresseur coûte 100, sa version avec variateur de vitesse tournera entre 150 et 180) sera rapidement amorti par l'économie d'exploitation. Il ne sera plus nécessaire de prévoir un démarrage étoile-triangle" puisqu'un démarrage "en douceur" est réalisé par le variateur.
A priori, les différents types de compresseurs peuvent être équipés de cette technique (excepté les petits compresseurs hermétiques), mais s'il s'agit de greffer un variateur sur un matériel existant, une consultation préalable du fabricant sera bienvenue (risque de défaut de lubrification).
Cette technique est également intéressante pour les compresseurs à vis (énergétiquement plus efficace que la régulation par tiroir), mais des troubles de lubrification et un échauffement du moteur peuvent apparaître à vitesse réduite.

La mise à l'arrêt de cylindres

Méthode assez répandue parmi les techniques de découpage de la puissance, il est possible de jouer avec la mise hors service des cylindres (ce qui peut s'adapter sur une installation existante).
Avantage :
  • pour éviter les pointes de courant de démarrage, il est possible de démarrer à vide le compresseur.
Inconvénients :
  • Ce réglage est énergétiquement moins favorable; les cylindres tournant à vide ont pour conséquence que, pour une puissance de réfrigération de 50 %, par exemple, la machine absorbe encore environ 65 % de la puissance d'entraînement.
  • La variation de la puissance n'est pas continue (sauts de puissance).
  • L'usure de la machine est pratiquement identique à vide ou en charge.

L'obturation de l'orifice d'aspiration

A cet égard, le réglage par un étranglement dans la conduite d'aspiration n'est pas meilleur. On modifie alors la puissance de réfrigération en agissant sur le débit du réfrigérant.

L'injection des gaz chauds

 Quant au réglage de la puissance du compresseur par injection des gaz chauds dans l'évaporateur ou à l'entrée du compresseur, il faut le qualifier de "pur gaspillage d'énergie". Dans ce cas, la puissance absorbée reste la même lorsque la puissance de réfrigération diminue. De plus, ils provoquent un échauffement du moteur. Dans la mesure du possible, il faut mettre ce système aberrant hors service dans les installations existantes.
C'est le compresseur qui travaille sur lui-même. On pourrait tenter l'image suivante : une pompe remonte de l'eau de la cave vers le rez-de-chaussée. Si l'eau vient à manquer, on risque de faire caviter la pompe. Aussi, on décider de redescendre de l'eau vers la cave, de réinjecter de l'eau supplémentaire à l'entrée de la pompe. Ainsi, on est sûr que le débit de la pompe restera suffisant !
(A ne pas confondre avec le dégivrage par injection de gaz chauds, qui est par contre une technique très efficace de dégivrage).

Tableau synthèse de sélection

L'importance d'une mesure préalable !
La mise en place d'une régulation performante demande de connaître la puissance effective nécessaire en fonction des saisons. Aussi, si le choix d'un compresseur doit être fait en vue du remplacement d'une machine existante, on placera un simple compteur horaire sur l'alimentation électrique du compresseur actuel pour ainsi connaître son temps de fonctionnement et donc la puissance moyenne demandée. Cela permettra de mieux choisir la nouvelle machine frigorifique.
Si l'installation doit vaincre les apports d'une machine spécifique à enclenchement discontinu, la puissance moyenne peut être trompeuse : à certains moments, c'est la puissance totale qui est demandée, et zéro le reste du temps... Idéalement, on enregistrera la puissance demandée, en relevant en parallèle la source des apports thermiques.
Le tableau de synthèse ci-dessous se base sur l'analyse des catalogues des constructeurs de référence en matière de froid alimentaire positif et négatif. Les compresseurs repris sont les plus couramment rencontrés dans les commerces. Mais on notera que pour la plupart des installations actuelles, le compresseur à pistons semi-hermétique est largement choisi.

Plages de puissance
(kW frigorifiques)
Régulation adaptée
Compresseur scroll
de 1 à 40, ...  kW par compresseur
(mais possibilité de puissance supérieure par mise en parallèle de compresseurs)
Modulation de puissance optimale, par variation de la vitesse de rotation ou par mise en "centrale"
Compresseur à piston


Ouvert
de..., 2 à 100, ...  kW
Etanchéité aux fluides frigorigènes insuffisante aujourd'hui
Semi-hermétique
de ...,2 à 60, ....kW
  • Un compresseur à plusieurs étages
    ou plusieurs compresseurs en cascade ("centrale")
  • Variation de la vitesse de rotation
Compresseur à vis
de ...40 à 250 kW
Excellente fiabilité et longévité
Modulation de puissance par "tiroirs" très souple, de 100 à 10 %, avec une très faible dégradation du COP par la régulation "par tiroirs", du moins au-dessus de 50 % de la puissance.

Compresseur à pistons


Semi-hermétique bi-étage
de ..., 6 à 60, ... kW
Modulation de puissance optimale par mise en centrale
Remarque.
Choisir un compresseur performant, c'est bien. Le placer dans un environnement favorable, c'est mieux. En pratique, on sera très attentif aux assembliers qui proposent
"un échangeur + un compresseur + un échangeur".
L'ensemble forme une machine frigorifique, certes, mais les pertes de charge liées aux échangeurs sont parfois très élevées pour le compresseur, ce qui augmente fortement sa consommation !
On choisira de préférence une installation globale, montée d'usine et dont le fabricant garantit la performance globale. 

Les critères acoustiques

En local technique

C'est le compresseur qui génère le plus de bruit, il est donc toujours préférable de le placer en local technique lorsque l'on dispose d'un espace suffisant, tandis que le condenseur refroidi par air est placé en terrasse. Cette solution est la plus adaptée en ce qui concerne la diminution des nuisances sonores vers l'extérieur du bâtiment.
   
Lorsque les compresseurs sont placés en local technique, ils masquent tous les bruits de détente ou de circulation interne des fluides dans la machine.
Pour diminuer les nuisances acoustiques du compresseur, il faut mettre en place les dispositifs suivants :
  • Mettre un capot acoustique sur la machine.
  • Prévoir une dalle flottante équipée d'isolateurs à ressorts.
  • Placer des plots en élastomère entre la machine et la dalle flottante.
Si le groupe évaporateur/compresseur est implanté au-dessus de locaux occupés, on peut placer un matelas de laine de verre entre la dalle flottante et le socle de propreté de la machine.
N.B. : la suspension antivibratile des compresseurs ne peut ne pas être suffisamment efficace, car les compresseurs sont reliés aux autres éléments de façon rigide. Ainsi, on utilisera des manchettes souples pour relier l'évaporateur aux canalisations du réseau hydraulique.

En terrasse

Si on ne dispose pas d'un local de service, évaporateur, compresseurs et condenseur seront placés en terrasse. Mais, sur le plan acoustique, ce type de disposition est toujours à éviter.
Dans tous les cas, il faudra éloigner au maximum les compresseurs de tous les plaignants potentiels.
Remarquons que l'éloignement de la machine impose des longueurs de canalisations plus importantes, ce qui peut avoir une influence sur le dimensionnement des équipements (collecteurs, pompes, ...) et augmenter le coût de l'installation.
Il faudra éviter de placer les compresseurs à proximité de parois qui pourraient augmenter sa directivité vers une zone sensible. Au contraire, il faudra envisager de placer la machine de façon à la cacher derrière un obstacle. Ainsi, en terrasse, on pourra placer la machine derrière la cabine d'ascenseur ou profiter de la présence de l'armoire électrique de la machine, par exemple.
Remarque.
 Si la réduction des nuisances acoustiques est un critère important, le placement d'un variateur de vitesse sur le compresseur (qui se justifie déjà pour des raisons énergétiques) est incontournable.
 Certains variateurs peuvent être paramétrés pour "sauter" la(les) gamme(s) de fréquence(s) qui génère(nt) des vibrations du compresseur (fréquences de résonance de la machine). Simplement, il ne s'arrête pas sur ces fréquences critiques.
A titre d'exemple, voici quelques niveaux sonores donnés par un fabricant de groupes refroidisseurs de liquide (pression sonore mesurée à 10 m en champ libre en dBA).
- machines équipées de compresseur scroll hermétique :
Puissance comprise entre 3 et 15 kW : 55 à 86 dBA
- machines équipées de compresseur à piston semi-hermétique :
Puissance comprise entre 6 et 50 kW : 60 à 80 dBA
- machines équipées de compresseur à vis :
Puissance comprise entre 40 et 210 kW : > 60 dBA

Le choix de l'alimentation en "noyé" des évaporateurs

Le choix de l'alimentation en "noyé" des évaporateurs associés à la machine frigorifique permet d'optimiser les performances de l'évaporateur par une augmentation significative de l'effet utile par kg de fluide frigorigène. Pour autant que la conduite d'aspiration soit de courte longueur et bien isolée, la surchauffe est faible. Par conséquent, le débit massique est réduit au minimum et permet d'obtenir des valeurs de performance énergétique meilleures.
Dans la mesure du possible, le placement des machines frigorifiques en hauteur par rapport à l'évaporateur permettra de l'alimenter par gravité. C'est entre autre pour cette raison que les commerces qui disposent d'une puissance frigorifique importante préfèrent placer le local technique accueillant les machines frigorifiques en toiture.

Les meubles et les vitrines frigorifiques

Introduction

Le meuble frigorifique représente le dernier maillon de la chaîne du froid alimentaire avant que la denrée ne se retrouve en possession du consommateur. A ce stade, la mise en valeur des denrées alimentaires est primordiale tout en assurant leur conservation. En d'autres termes, le meuble frigorifique a donc pour mission de présenter ou d'exposer les denrées dans un volume utile à une température de conservation déterminée. Faisant partie d'une chaîne de froid normalement ininterrompue, cet équipement est uniquement prévu, et par conséquent dimensionné, pour maintenir la température des denrées et non les refroidir. Dans une chaîne de froid alimentaire classique, le refroidissement ou la congélation s'effectue à la production ou à la fabrication. Les étapes suivantes de la chaîne de froid n'ont plus qu'une action de maintien de la température par exemple :
  • le camion ou le bateau frigorifique lors du transport;
  • la chambre froide du magasin lors du stockage;
  • ...
Deux fonctions sont donc attribuées aux meubles frigorifiques :
  • la fonction d'exposition;
  • la fonction de conservation.

Exposition des denrées

Le but avoué est l'achat de la denrée par le consommateur. Des études très poussées sur l''exposition des denrées ("merchandising") permettent de déterminer quelle est la meilleure stratégie commerciale pour favoriser la vente.
La fonction d'exposition conduit souvent :
  • À "l'ouverture" large des ambiances frigorifiques d'exposition par rapport à l'ambiance de vente afin que les consommateurs puissent toucher, palper et soupeser les produits alimentaires.

  • À éclairer fortement les denrées.

Rôle de conservation des denrées

Durant l'exposition, le meuble frigorifique doit maintenir la température et assurer la conservation des denrées alimentaires refroidies ou surgelées en "amont". De par les lois de la thermodynamique et à l'inverse de la fonction d'exposition, les meubles devraient au maximum protéger les denrées des agressions thermiques de toutes sortes par :
  • la fermeture ou l'utilisation d'ouverture des ambiances réfrigérées les plus réduites possible ;

  • la réduction maximale de leur éclairage;

  • leur protection des rayonnements externes.

Equilibre des rôles

Sur le plan technique, les rôles d'exposition et de conservation des denrées alimentaires dans les meubles frigorifiques sont en totale contradiction :
  • D'un côté, le consommateur doit pouvoir disposer des marchandises sans obstacle en bénéficiant de meuble à large ouverture et fortement éclairé ;

  • de l'autre, le commerçant doit assurer une qualité de conservation des denrées avec comme impératif la fermeture ou la réduction des ouvertures des meubles au maximum, le moins d'éclairage possible, bref le moins d'échange thermique possible avec l'ambiance du magasin.
Comment concilier ces deux fonctions sans privilégier une des deux ?
Dans la pratique, on se rend vite compte que le commerçant va naturellement favoriser le meuble frigorifique qui "fait bien vendre". Néanmoins, les réglementations et les normes sont heureusement présentes pour rétablir l'équilibre entre les deux rôles que doivent jouer les meubles et les vitrines frigorifiques.
Malheureusement, c'est au détriment de l'efficacité énergétique des équipements. En effet, quelle que soit la qualité de la production frigorifique, le meuble frigorifique ouvert est bien plus consommateur d'énergie que le même meuble fermé par un rideau de nuit par exemple.
Le véritable défi des constructeurs de meubles frigorifiques se résume à optimiser l'efficacité énergétique tout en conservant le rôle d'exposition qui, naturellement, fait vendre les produits.

Technologie des meubles et vitrines frigorifiques

Généralités

La technologie des meubles frigorifiques a été directement importée des États-Unis au début des années 60. Pour cette raison, des termes américains sont restés dans le langage courant utilisés pour caractériser les meubles et les vitrines frigorifiques. On retrouve encore couramment des termes par exemple :
  • facing;
  • remodeling;
  • shelving;
  • marketing
  • ...

Composition principale des meubles

Qu'ils soient de type vertical, horizontal, positif, négatif, ..., les meubles frigorifiques se décomposent en trois parties principales :
  • la structure portante du meuble;
  • les éléments frigorifiques;
  • l'espace utile de vente, en d'autres termes le contenant;
  • et si présentes les portes.
 
Meuble vertical fermé.
Vitrine horizontale.

Structure portante du meuble

C'est la carcasse du meuble. Outre les pièces de renfort, le soubassement, les évacuations des condensats de dégivrage, ..., elle se compose principalement d'une enveloppe isolée sous forme de panneaux "Sandwich" (acier-mousse isolante-acier). L'isolant est généralement du polyuréthane injecté (densité moyenne de 30 à 40 kg/m³) ou des panneaux de polystyrène raccordés entre eux. La qualité de la mise en oeuvre et l'épaisseur de l'isolant détermineront la performance énergétique du meuble sur le plan des pénétrations (ou déperdition négative).

Les éléments frigorifiques

A l'intérieur du meuble, on trouve les éléments qui constituent le système de réfrigération ou de congélation selon le cas. Ce système se compose essentiellement :
  • De l'évaporateur (1).
  • De l'échangeur liquide/vapeur (2).
  • Du détendeur thermostatique ou électronique (3).
  • D'un système de distribution du liquide détendu particulièrement important lorsque les évaporateurs sont longs et que la ventilation ne peut être assurée sur toute la longueur des éléments frigorifiques (ce qui est souvent le cas dans les meubles frigorifiques).
  • De moto-ventilateurs (4) qui pulsent l'air provenant de l'espace utile de vente du meuble au travers des évaporateurs et des circuits de distribution de l'air dans le meuble.
  • De la gaine de soufflage (5) et de sa buse (6).
  • Du rideau d'air (7).
  • De la bouche d'aspiration (8).
  • De la gaine de reprise (9).
  • Et d'un rideau de nuit (10).

Les aménagements internes et les accessoires

Les aménagements internes sont constitués essentiellement des étagères, des plateaux, bacs, ... qui doivent être de qualité alimentaire lorsqu'ils sont en contact avec les denrées et facilement lavables de manière générale.
Les accessoires aux meubles à caractère de vente sont multiples (support balances, planches à découper, ...).
On compte aussi, pour améliorer la vente, sur l'éclairage des denrées.
Les types d'aménagement interne et les accessoires ont une influence non négligeable sur le "comportement frigorifique" et aéraulique du meuble et par conséquent sur leur efficacité énergétique.

Dimensions des meubles

Pour caractériser un meuble ou une vitrine frigorifique, des terminologies sont définies afin que tout le monde parle le même langage. Les constructeurs parlent souvent de :
  • module ;
  • meuble ou longueur ;
  • linéaire.

Les modules

D'origine américaine, les meubles frigorifiques sont cotés en "pieds" au niveau de la longueur. De base, un module mesure 4 pieds ou 1,22 m et permet de loger sous les étagères ou les frontons des tubes fluorescents d'éclairage de 1,20 m (58 W par exemple). Des sous-modules de 2 pieds (ou 0,61 m) existent.
Basé sur la méthode américaine, les Européens ont développé une modulation différente d'une longueur de 1,25 m comme valeur de référence pour les grandes surfaces et des sous-modules de 0.5 m pour les commerces de détail.

Les meubles ou longueurs

Un meuble ou une longueur se compose de plusieurs modules qui doivent être définis d'emblée lors du dimensionnement de l'installation. Cependant, persiste l'option de concevoir une installation sur mesure.

Les linéaires

Un linéaire est un ensemble de meubles ou de longueurs ayant la même désignation (linéaire de boucherie, de produit laitier, de légume et fruit, ...). Ces meubles sont juxtaposés, mais pas nécessairement alignés.
Différentes configurations sont possibles. On citera principalement les linéaires :
  • droits ou alignés ;
  • en Z ;
  • en L ;
  • dos à dos ;
  • en Y;
  • fermés.

Les surfaces et le volume

Des paramètres comme les surfaces et les volumes permettent aussi de différencier les meubles ou vitrines frigorifiques.
En ce qui concerne les types de surface, on trouve pour une largeur de meuble unitaire :
  • La surface de limite de chargement (1).
  • La surface horizontale de chargement (2).
  • La surface d'exposition (3).
  • L'ouverture d'exposition (4).
Le volume utile d'exposition (5) est l'élément qui détermine la capacité de stockage du meuble frigorifique.

Classifications

Critères : généralités

La classification des meubles frigorifiques est très ardue dans le sens où le nombre de modèles est important. Pour cette raison, il est nécessaire de déterminer des critères de classification :
  • par le type même ;
  • en fonction de l'ouverture ;
  • en fonction du niveau d'accès ;
  • par la manière de l'approvisionner ;
  • en fonction du type de service ;
  • par service ;
  • en fonction de la classe de température ;
  • en fonction de la nature des denrées
  • en fonction du type d'emballage ;
  • en fonction du support prévu pour les denrées ;
  • en fonction du mode de distribution ;
  • en fonction du mode de protection des ouvertures ;
  • par la position de la production frigorifique ;
  • par la configuration du linéaire ;
  • par la longueur unitaire ;
  • par le type de façade.

Critères : application

Deux grandes classes de meubles frigorifiques se dégagent, à savoir les meubles verticaux et horizontaux. Pour chacune de ces classes, les principaux critères peuvent être appliqués.

Les meubles frigorifiques horizontaux


Comptoir
Vitrine
Etal
Gondole à groupe incorporé
Gondole murale
Mixte
Ouverture
fermé





ouvert





Accès
dessus





avant





arrière





Chargement
dessus





avant





arrière





Service
libre service





personnel présent





Application
positif





négatif





Produits couramment rencontrés

viandes
traiteur, fromage, viande, pâtisseries
poissons
surgelé, crème glacée
surgelé, crème glacée
protection des produits
emballés





non emballés





Supports
étagères





plateaux





table froide





chariots/palettes





Froid
conductif





convectif





mixte





Protection ouvertures
piège à givre

vitrages



rideau d'air



    
soufflage arrière



portes vitrées



    
Groupe de froid
Incorporé



à distance





Meuble frigorifique
seul





en linéaire





Longueur
déterminée





modulaire





optionnelle





Façade
bandeau panoramique





éléments mobiles





superstructure vitrées





Les meubles frigorifiques verticaux

Critères
Vertical n niveau (ouvert)
Vertical à service arrière
Vertical à chargement au sol
vertical basse température
Vertical à porte vitrée (fermé)
Ouverture
fermé





ouvert





Accès
dessus





avant





arrière





Chargement
dessus





avant





arrière





Service
libre service





personnel présent





Application
positif





négatif





Produits couramment rencontrés

laitiers
pâtisseries
laitiers
surgelés, crème glacée
Protection des produits
emballés





non emballés





Supports
étagères





plateaux





table froide





chariots/palettes





Froid
conductif





convectif





mixte





Protection ouvertures
piège à givre





rideau d'air





soufflage arrière





portes vitrées





Groupe de froid
incorporé





à distance





Meuble frigorifique
seul





en linéaire





Longueur
déterminée





modulaire





optionnelle





Façade
bandeau panoramique





éléments mobiles





superstructure vitrées





Configurations courantes

Les schémas repris ci-dessous sont des configurations courantes rencontrées dans les commerces.
Comptoir à convection naturelle.
Comptoir en convection forcée et service avant.
Gondole à convection forcée et service par les deux côtés.
Vitrine à étagère et étagère inférieure refroidie.
Meuble horizontal d'exposition mobile.
Etal frigorifique de poissonnerie.
Meuble vertical ouvert en convection naturelle.
Meuble vertical ouvert en convection forcée.
Meuble vertical à palette réfrigérée.
Meuble vertical réapprovisionné par l'arrière.
Meuble vertical négatif à double circuit d'air.
Meuble mixte (gondole et armoire) négatif à porte.
Gondole de type ouverte à convection naturelle.
Gondole de type ouverte à convection forcée.
Gondole dissymétrique simple négative à couvercle.
Double gondole dissymétrique dos à dos
à convection forcée et rideaux d'air.
Gondole négative fermée.

La distribution du froid au sein du meuble

Généralités

La distribution du froid dans les meubles frigorifiques est très difficile à mettre en oeuvre. Les géométries des meubles pouvant être très complexes, pour assurer l'apport de "frigories" au niveau de chaque denrée et en quantité suffisante, cela nécessite une recherche et des développements complexes de la part des constructeurs.
Les constructeurs se basent sur un régime stationnaire de transmission de chaleur pour dimensionner et tester les équipements composant le meuble frigorifique.
Cependant, les denrées alimentaires exposées dans les meubles frigorifiques, qu'ils soient ouverts ou fermés, subissent en permanence des perturbations ou des agressions dues aux variations des conditions de température et d'humidité de l'ambiance du chargement et du déchargement des denrées, ... Concrètement le régime stationnaire est purement théorique, mais néanmoins nécessaire à la classification, la normalisation et le dimensionnement des meubles.
En régime stationnaire (ou permanent), le transfert des "frigories" au sein du meuble frigorifique, suivant les modèles s'effectue de trois manières différentes :
  • par conduction ;
  • par convection ;
  • par rayonnement.
Ces trois modes de transfert sont exploités de différentes manières, seuls ou mixés afin de refroidir efficacement les denrées dans le volume utile de chargement. On distingue principalement :
  • le froid convectif ;
  • le froid conductif ;
  • le froid mixte.

Le froid convectif

Les constructeurs utilisent l'air comme vecteur de transport des "frigories" afin de retirer la chaleur des denrées qui subissent des perturbations thermiques internes et externes au volume utile de chargement des meubles.
Pour réaliser le refroidissement des denrées par convection, on utilise principalement deux techniques :
  • refroidissement par convection naturelle ;
  • refroidissement par convection forcée.

Refroidissement par convection naturelle

L'air circule par gravité de haut en bas au travers de l'évaporateur grâce à l'action des variations de masse spécifique et par conséquent de température. La vitesse de déplacement de l'air au travers des denrées est faible (de l'ordre de 0,2 m/s). Ce type de refroidissement offre l'avantage de mettre en oeuvre très peu d'énergie électrique au sein même du meuble si ce n'est l'éclairage des denrées (certaines vitrines s'en passent même). On l'utilise couramment pour les vitrines frigorifiques amenées à contenir des denrées fragiles et minces.
La mise en mouvement de l'air par convection naturelle est régie par l'écart de température présent entre l'air et la surface des ailettes de l'évaporateur.

Refroidissement par convection forcée

L'air réchauffé au niveau des denrées par les apports externes et internes se déplace avec l'aide de moto-ventilateurs au travers de l'évaporateur où il se refroidit. La vitesse de l'air est contrôlable, ce qui permet de l'adapter en fonction du type de denrées exposées dans le volume utile de chargement :
  • Des vitesses d'air faibles et proches des vitesses en convection naturelle (de l'ordre de 0,2 à 0,3 m/s) seront choisies pour assurer le maintien des températures de denrées non-emballées et fragiles en réduisant leur sensibilité à l'oxydation et à la dessiccation (perte d'eau et par conséquent de masse).

  • Des vitesses d'air plus importantes conviennent plus aux denrées préemballées ou conditionnées.
En convection forcée, la flexibilité de la distribution de l'air est importante et permet, par exemple, de diriger une partie du flux d'air directement sur les denrées à des endroits difficilement accessibles en convection naturelle.

Le froid conductif

Dans ce cas, les parois ou les accessoires refroidis des meubles frigorifiques participent par contact direct et par conduction au maintien des températures des denrées. Les parois peuvent être des évaporateurs à part entière lorsqu'elles sont parcourues, au travers de serpentins, par le fluide frigorigène.
Deux systèmes de maintien de la température des denrées par conduction sont exploités par les constructeurs de meubles :
  • refroidissement par contact direct;
  • refroidissement par contact indirect.

Refroidissement par contact direct

En froid positif, on s'arrange pour que la température des parois ne soit pas trop sous 0°C de manière à éviter le collage de la denrée contre la paroi par son gel superficiel. On retrouve ce type de refroidissement lorsque les denrées sont fragiles au refroidissement convectif (dessiccation).
En froid négatif, les parois froides isolées par l'extérieur forment un bac entourant les denrées. Dans les parois, côtés intérieur du meuble, un serpentin sert d'évaporateur. Dans ce type de meuble (gondole à faible volume), les denrées doivent être compactes et en contact intime avec les parois pour favoriser le transfert de chaleur des parois aux denrées et des denrées entre elles. Dans la figure ci-contre, les deux évaporateurs servent de piège à givre en condensant l'humidité de l'air ambiant proche de l'ouverture et de refroidisseur pour les denrées de surface qui absorbent de la chaleur par rayonnement.

Refroidissement par contact indirect

C'est le système typique des étals de poissonnerie où la température à coeur des poissons doit être maintenue aux alentours des 0 à +2 °C.
Un lit de glace étalé sur une table refroidie constitue un refroidissement par contact indirect. Le lit de glace permet :
  • L'hydratation des poissons en permanence par la fusion à température constante de la glace (0°C).

  • De maintenir un excellent contact thermique entre la table, la glace et les denrées.

  • De garder la température à coeur proche de 0°C en recouvrant les denrées de glace.

  • D'éviter le gel des produits de la mer en les isolant de la plaque froide qui elle se trouve sous les 0°C.

  • De réduire la puissance frigorifique de l'étal.

Le froid mixte

Ce type de meuble ou de vitrine frigorifique regroupe le froid convectif et conductif. On utilise ce système dans le cadre de l'exposition de denrées non emballées et relativement volumineuses. On évite de la sorte les problèmes lié :

  • Au froid convectif seul :

    • La nécessité de descendre les températures d'évaporation de manière franchement négative (- 10 °C pour des températures à coeur des denrées de l'ordre de 0/+ 2 °C).

    • Le besoin d'augmenter les vitesses de l'air entraînant des risques d'oxydation et de dessiccation des produits non emballés.

    • La surface d'échange limitée.

  • Au froid conductif seul :

    • Des apports frigorifiques limités par simple contact.

    • Le risque de gel des denrées (du moins en surface) dans les applications positives.

    • Une température des denrées hétérogènes.

Les rideaux d'air

Problématiques

La plupart des meubles ou vitrines frigorifiques sont ouverts par rapport à l'ambiance du commerce. Cette configuration est voulue afin de permettre au consommateur de voir, de toucher et de disposer des denrées très facilement. Cependant, l'écart de température entre le volume réfrigéré et l'ambiance du magasin peut, dans certains cas, atteindre les 45 à 50 K.

Cas des meubles horizontaux

Théoriquement, la densité importante de l'air froid favorise son maintien dans le volume utile de chargement ; ce qui est une bonne chose. Néanmoins, dans la pratique, un simple courant d'air dans un meuble rempli à la limite de chargement compromet le fragile équilibre. De plus, le volume utile froid a une pression partielle de vapeur plus faible que celle de l'air ambiant au dessus du meuble entraînant le passage de vapeur d'eau de l'ambiance vers le meuble. Le résultat final est la condensation de la vapeur d'eau sur les parois du meuble ou sur les produits stockés sous forme d'eau, de neige, de givre ou de glace.

Cas des meubles verticaux

Dans ce cas de figure, l'air froid à tendance à s'écouler et sortir du meuble réfrigérant. Des études poussées ont été menées afin de déterminer le comportement du flux d'air froid en fonction du chargement du meuble. En effet :
  • la position des denrées sur les étagères ;
  • leur masse (inertie thermique) ;
  • leur quantité (meuble vide, chargement total ou partiel) ;
  • l'absence d'espace vide;
  • la présence d'obstacle ;
  • la présence de courant d'air dans l'ambiance du magasin (v > 0,2 m/s) ;
  • ...
change drastiquement le comportement aéraulique et thermique du meuble.

Solution

Pour limiter d'une part les échanges thermiques importants susceptibles de réchauffer et donc de dégrader les produits de consommation et d'autre part les pertes énergétiques au niveau de la production de froid, les fabricants ont introduit le rideau d'air.

Rôle des rideaux d'air

Comme on l'a vu ci-dessus, les rideaux d'air ont un rôle essentiel dans l'optimisation des meubles frigorifiques au niveau thermique et énergétique. Ils doivent permettre principalement :
  • lLaccès aux denrées contenues dans le volume utile de chargement. De par sa composition intrinsèque, l'air n'offre pas de résistance et convient parfaitement.

  • De préserver l'ambiance froide intérieure du meuble à la température de conservation désirée.

  • De réduire et contrôler les échanges de chaleur sensible (dus aux écarts de températures entre l'ambiante du magasin et le meuble) ainsi les échanges d'humidité (dus aux écarts de pression partielle).

  • D'évacuer les apports thermiques par rayonnement des parois extérieures sur les denrées par convection forcée.

  • De maîtriser le bouclage de l'air en circuit fermé.

Type de rideaux d'air

On rencontre sur le marché différents types de rideaux d'air :
  • selon le type de meuble, horizontaux, inclinés ou verticaux ;
  • en circuit ouvert ou fermé;
  • simple ou multiples (certaines configurations sont à 3 rideaux parallèles);
  • à flux orienté ou non par des buses de soufflage;
  • selon la direction du flux pour les meubles verticaux (de haut en bas ou l'inverse);
  • selon la position (dans le volume réfrigéré, hors du volume réfrigéré, à la limite de chargement);
  • laminaires ou turbulents;
  • symétriques ou asymétriques;
  • ...

Principales caractéristiques des rideaux d'air

Les différentes caractéristiques des rideaux d'air citées ci-dessous permettent d'évaluer l'efficacité thermique et énergétique que l'on peut attendre d'eux. Pour un rideau d'air type, on définit :
  • la portée H équivalant à l'ouverture du meuble ou encore la distance entre la buse de soufflage et la bouche de reprise;
  • la longueur Lv du rideau d'air correspondant à celle du meuble;
  • l'épaisseur B au niveau de la buse de soufflage;
  • la température t1, le titre de vapeur d'eau x1 et la vitesse v1 du flux d'air à la sortie de la buse de soufflage;
  • la direction A du flux d'air par rapport à l'horizontale pour les meubles horizontaux (gondoles par exemple) et la verticale pour les verticaux;
  • le sens (vers le bas, vers le haut, ...);
  • les températures et les titres de vapeur d'eau que le rideau sépare :
    • ambiance du magasin (ta, xa);
    • ambiance interne du meuble (ti, xi)
  • le débit massique M1 à la buse de soufflage et à la bouche de reprise.

Les rideaux d'air symétriques

On dit d'un rideau d'air qu'il est symétrique lorsque le profil de vitesse par rapport à l'axe du flux du rideau est symétrique. Comme le montre la figure ci-contre, sur la hauteur de l'ouverture du meuble, le flux d'air du rideau, par frottement et turbulence entraîne ou induit tant à l'extérieur qu'à l'intérieur des masses d'air grandissantes qui le freinent et l'alourdissent. L'induction des masses d'air tant externe qu'interne a pour effet de réchauffer le rideau d'air et de le charger en humidité en évitant ainsi qu'elle ne puisse migrer vers l'intérieur du meuble.
A la bouche de reprise, les masses induites tant à l'extérieur qu'à l'intérieur par le rideau d'air sont séparées :
  • à l'extérieur, une certaine quantité d'air froid est perdue;
  • à l'intérieur, une circulation secondaire se crée.
L'induction de l'air à l'extérieur correspond sensiblement à la perte d'air froid à la bouche de reprise. En d'autres termes, plus le rideau est efficace moins il induit d'air ambiant et moins il rejette d'air froid à la bouche de reprise.
L'air aspiré à la reprise a vu son enthalpie (son niveau énergétique) augmenter et par conséquent devra être refroidi au travers de l'évaporateur avant de recommencer un cycle. À noter que l'humidité qui a migré dans le rideau d'air se condensera sur l'évaporateur, d'où la nécessité de dégivrer régulièrement les évaporateurs pour éviter qu'ils ne "prennent en glace".
Pour un meilleur bilan énergétique et thermique du meuble, il est nécessaire :
  • de réduire l'induction de l'air extérieur en diminuant la vitesse du rideau d'air et les turbulences;

  • d'augmenter l'échange thermique au travers de l'évaporateur et donc le débit.
Pour concilier ces deux nécessités antinomiques, les constructeurs ont placé sur les meubles verticaux par exemple des panneaux munis de bouches de soufflage (système en cascade) répartissant ainsi le flux d'air refroidi à la sortie de l'évaporateur entre les bouches secondaires et le rideau d'air. Il en résulte un débit au rideau d'air optimisé et un débit maximum au travers de l'évaporateur.

Les rideaux d'air asymétriques

On dit d'un rideau d'air qu'il est asymétrique lorsque le profil de vitesse par rapport à l'axe du flux du rideau est asymétrique. En général, on s'arrange pour que la vitesse à proximité de la limite de chargement soit plus importante que celle qui induit l'air ambiant tout en évitant que le flux devienne turbulent. Ce dispositif permet :
  • par convection, d'évacuer rapidement la chaleur accumulée en surface supérieure des denrées par rayonnement;

  • de réduire l'induction de chaleur et d'humidité de l'extérieur.
En général, on privilégie des rideaux d'air épais de manière à obtenir des débits suffisants à l'évaporateur pour un refroidissement efficace tout en garantissant des vitesses faibles de déplacement de l'air au niveau de l'ouverture du meuble.

Les évaporateurs

Spécificités

Les évaporateurs qui équipent les meubles frigorifiques sont assez différents des évaporateurs classiques. En effet, non seulement il est nécessaire d'optimiser la compacité des meubles afin de réduire leur emprise sur la surface de vente, mais aussi le volume utile de chargement. Ces deux critères font en sorte que l'espace réservé à l'évaporateur est réduit.
La conception et le dimensionnement des évaporateurs sont différents aussi selon que les meubles frigorifiques travaillent :
  • en convection forcée;
  • en convection naturelle;
  • en conduction.

Convection forcée

La technologie des évaporateurs par convection forcée fait appel à un flux d'air qui échange sa chaleur à une batterie d'ailettes en aluminium en contact intime avec un réseau de tubes en cuivre dans lequel circule un fluide frigorigène comme montré ci-dessous.

Puissance frigorifique

En pratique, les fabricants réalisent des évaporateurs relativement plats, mais longs afin de ne pas perdre trop de puissance frigorifique. Cette puissance frigorifique s'exprime par la relation suivante :
Po = Ko x SE x tmln [W]

  • Po = coefficient global d'échange moyen [W/m².K]. Ce coefficient Ko prend en compte les échanges externes de chaleur tant sensible que latente (transfert de masse en eau ou en givre sur les surfaces externes des ailettes) entre l'air et les ailettes, et les échanges internes entre le fluide frigorigène et la surface interne des tubes.
  • SE = surface d'échange externe [m²]. Pour un volume donné, la surface SE est approchée par la relation suivante :

SE ~ 2 x VE / p [m²]
  • VE = le volume de l'évaporateur.

  • tmln = écart de température moyen logarithmique [K]. Cet écart théorique est représenté par la formule suivante :

tmln = t1 - t2 / ln (t1 - t0 / t2 - t0) [K]

  • t1 = la température de l'air à l'entrée de l'évaporateur.
  • t2 = la température de l'air à la sortie de l'évaporateur.

Ordre de grandeur de puissance frigorifique

Le calcul de la puissance d'un évaporateur est très complexe. Aussi, il est plus simple dans la pratique de donner des ordres de grandeur de puissance frigorifique en fonction du type de comptoir.
FROID NEGATIF
Type de comptoir en convection forcée
Rideau d'air
Surface d'exposition [m²/ml]
Température d'application [°C]
Température d'évaporation [°C]
Puissance frigorifique [W/ml]
Gondole "self-service"
horizontal asymétrique laminaire
0,8
- 18 à -20
- 35
420 / 450
1,1
- 23 à -25
630 / 670
Meuble vertical "self service"
triple rideau parallèle et turbulent
1
- 18 à -20
1 900 / 2 100
Meuble vertical "self-service" à portes vitrées
intérieur turbulent
0,84
- 23 à -25
800 / 860
Condition climatique de l'ambiance : régime établi à 25 °C et HR de 60 %.

Convection naturelle

Les comptoirs à convection naturelle sont plus utilisés dans le commerce de détail. Les évaporateurs quant à eux ressemblent à ceux utilisés en convection forcée. L'air traverse l'évaporateur de haut en bas en se basant sur l'effet de mise en mouvement de l'air par la présence d'une différence de température entre l'air et les surfaces de l'évaporateur.

Puissance frigorifique

Un peu comme en convection forcée, la puissance frigorifique s'exprime par la relation principale suivante :
Po = f1 x eN  x SE x tN [W]
  • f1 = coefficient prenant en compte la puissance latente due au transfert de masse en l'air humide et la surface de l'évaporateur (eau et givre).
  • eN  = coefficient d'échange moyen en convection naturelle [W/m².K].
  • SE = surface d'échange externe [m²]. Pour un volume donné, la surface SE est approchée par la relation suivante :

SE ~ 2 x VE / p [m²]
  • VE = le volume de l'évaporateur.

  • tN = écart de température entre la température de l'air à l'entrée de l'évaporateur et la température de surface de l'ailette.

Ordre de grandeur de puissance frigorifique

FROID POSITIF
Type de comptoir en convection forcée
Surface d'exposition [m²/ml]
Température d'application [°C]
Température d'évaporation [°C]
Puissance frigorifique [W/ml]
Vitrine pour les commerces de détail principalement
0,8 (protection de la vitrine par rapport à l'ambiance sous forme de vitrage
+ 2 à + 4
- 10
200 / 220
Condition climatique de l'ambiance : régime établi à 25 °C et HR de 60 %.

Conduction

Dans le cas des étals par exemple, on s'arrange pour que la température de la "plaque froide" soit plus basse que celle des denrées qui sont en contact avec elle. Le système utilise une plaque en inox en contact thermique intime avec un serpentin de tuyau en cuivre. Les déperditions "négatives" ou pénétrations de la chaleur au dos de l'ensemble de la plaque et du serpentin et le risque de condensation sont limitées par un isolant performant. En pratique, on s'arrange pour que l'écart de température entre la plaque froide et le fluide réfrigérant soit aux alentours des 5 K. Par cet écart, on tient compte :
  • de la perte d'efficacité due au contact limité entre la plaque et le serpentin;

  • de l'effet ailette de la plaque froide inter-tube ;

  • de l'imperfection de l'isolation ;

  • ...
La puissance frigorifique s'exprime approximativement par la relation principale suivante :
Po = Sp  x A  x (ta - tsf) [W]
  • Sp = surface de la plaque froide [m²].
  • A = coefficient d'échange moyen [W/m².K]. Il vaut de l'ordre de 10 pour une plaque disposée au sein d'une vitrine et 16 pour une plaque en contact direct avec l'air ambiant.
  • ta = température ambiante [K].
  • tsf = température moyenne de la surface de la plaque froide [K].

Protections des ouvertures

Rôles

Les protections d'ouverture des meubles frigorifiques sont indispensables sur le plan de la conservation des denrées ainsi qu'au niveau énergétique lorsque les commerces ne sont plus occupés (la nuit, les dimanches, ...). En effet, les 2/3 du temps les commerces sont fermés. Les déperditions "négatives" ou pénétrations thermiques des meubles sont principalement dues aux ouvertures (pertes par induction et rayonnement) et représentent les 3/4 des kWh perdus lorsqu'on établit le bilan énergétique du meuble, mais aussi du groupe frigorifique associé. D'où la nécessité pendant les périodes d'inoccupation de prévoir des protections. On les appelle communément les rideaux ou les manteaux de nuit.
  

Risques des protections

Généralement, les risques majeurs lors du placement de protection des ouvertures sont :
  • le gel des denrées;
  • le mauvais fonctionnement des compresseurs frigorifiques ("court-cycle");
  • la condensation d'eau sur les denrées.

Caractéristiques

Les technologies utilisées pour les protections de nuit sont diverses et inventives. On citera :
  • Les rideaux de nuit manuels et automatiques (motorisation sur horloge par exemple) qui peuvent équiper la plupart des meubles frigorifiques qu'ils soient horizontaux, verticaux, positifs ou négatifs. Ces rideaux sont généralement composés d'une toile souple, peuvent être réfléchissants (limitation de l'échange par rayonnement), microperforés (réduction du risque de condensation). Enfin, les rideaux peuvent être placés devant ou derrière le rideau d'air.

  • Les couvertures souples, rigides non isolées, rigides isolées. Il est bien entendu que les couvertures rigides isolées constituent le "must" des protections puisqu'elles isolent complètement les denrées des agressions externes. Elles conviennent bien pour les applications en froid négatif horizontal. Suivant qu'elles sont placées au-dessus (risque de condensation sur la face supérieure) ou en dessous, les couvertures doivent permettre la réception d'eau de condensation. En froid négatif, les couvertures peuvent permettre de gagner entre 4 et 10 K de température au niveau des denrées les plus sollicitées.

L'éclairage

Spécificités

Les éclairages des meubles frigorifiques doivent remplir une mission particulière. Spécifiquement, ils sont sensés :
  • Mettre en évidence les denrées contenues dans le volume utile de chargement pour favoriser la vente.

  • Eviter l'éblouissement des clients et du personnel.

  • Répartir uniformément le flux lumineux.

  • Eviter de réchauffer les denrées.

  • Et naturellement avoir un rendement énergétique performant.

Caractéristiques

La technologie utilisée dans le froid alimentaire est souvent celle des tubes fluorescents disposés derrière des frontons, sous les étagères, .... Ce type d'éclairage est efficace tant au niveau du confort, de la vente et énergétique pour autant que l'ambiance autour des tubes ne soit trop froide. En effet, les basses températures affectent fort le rendement lumineux des lampes fluorescentes.

Tubes fluorescents

A en croire la modularité des meubles frigorifiques, on dirait presque que c'est la technologie du froid alimentaire qui s'est adaptée à celle de l'éclairage plutôt que l'inverse. Effectivement, les modules de 1,2 m permettent d'intégrer très facilement des tubes fluorescents de la gamme des T8 ainsi que des T5.
Tube fluorescent sous tablette.
Modularité
Technologie T8
Technologie T5
1,2 m
36 W
28, 54 W
1,5 m
58 W
35, 49 W

LED de puissance

Actuellement, des constructeurs sont en train d'effectuer des essais sur les bandeaux de LED de puissance. Il est encore trop tôt pour se prononcer sur l'avenir des LED dans les comptoirs frigorifiques.

Le circuit frigorifique