Aéroréfrigerants Secs : un guide complet pour le refroidissement industriel à air

Un article sur la découverte d’une technologie simple de refroidissement très demandée par les clients de l’industrie et de la climatisation civile : les aéroréfrigerants secs, ou dry coolers, ou systèmes de refroidissement à sec. Il s’agit de solutions dont les coûts d’acquisition et les besoins de maintenance sont faibles, mais qui nécessitent des températures de sortie spécifiques du fluide à refroidir et parfois de grands espaces d’installation.

Voyons en détail ce que sont les aéroréfrigerants secs, comment ils fonctionnent et à quoi ils ressemblent.

1. Introduction aux aéroréfrigerants secs

Les refroidisseurs secs reposent sur un principe simple mais efficace : le refroidissement par convection. L’air extérieur, transporté et poussé par un ou plusieurs ventilateurs, passe à travers des « serpentins à ailettes » situés à l’intérieur du refroidisseur sec, absorbant la chaleur du fluide de traitement qui circule à l’intérieur. L’air est ensuite expulsé dans l’environnement, complétant ainsi le cycle de refroidissement.

Quelques remarques sur la terminologie avant de poursuivre. Les aéroréfrigerants secs sont également souvent appelés refroidisseurs à air, en raison de leur caractéristique de fonctionner uniquement avec de l’air comme vecteur, les termes sont donc interchangeables. Il n’est pas rare non plus de lire le terme « système de refroidissement à sec« .

2. Structure et composants des aéroréfrigerants secs

Les refroidisseurs à sec, ou aéroréfrigerants secs, sont constitués de composants relativement simples, mais efficaces pour dissiper la chaleur.

1. Circuit fermé avec serpentins à ailettes : Le cœur du refroidisseur sec est un circuit fermé qui contient/fait circuler le fluide de traitement à refroidir. Ce fluide circule dans des serpentins de tubes reliés entre eux (par des coudes soudés) et insérés dans une série d' »ailettes », c’est-à-dire des plaques minces qui forment un « paquet d’ailettes » (serpentins à ailettes).
2. Les ailettes métalliques à la surface du serpentin augmentent la surface d’échange de chaleur avec l’air, maximisant ainsi le refroidissement, c’est-à-dire le transfert de chaleur du fluide vers l’environnement extérieur. Les matériaux, les épaisseurs et les géométries des serpentins à ailettes sont définis en fonction des caractéristiques du fluide à refroidir et des exigences spécifiques.
3. Ventilateurs : de puissants ventilateurs aspirent l’air de l’environnement et le poussent à travers les serpentins à ailettes. La vitesse et le débit d’air des ventilateurs sont essentiels pour assurer un refroidissement efficace du fluide.
4. Moteur : un ou plusieurs moteurs électriques entraînent les ventilateurs. Les refroidisseurs secs modernes utilisent des moteurs à haut rendement pour réduire la consommation d’énergie et le niveau sonore.
5. Cadre et structure : le cadre et la structure du refroidisseur sec doivent être résistants aux intempéries et protéger les composants internes. Ils peuvent être en acier galvanisé ou peint pour résister à la corrosion.

3. Avantages des refroidisseurs à sec

L’adoption de refroidisseurs secs présente un certain nombre d’avantages.

• Simplicité de construction, d’installation et de mise en service. Il ressort clairement de la description qu’il s’agit de machines dont le montage ne nécessite aucun travail auxiliaire particulier (hormis la mise à la terre et les raccordements électriques et hydrauliques nécessaires).
• Peu d’entretien. La conception robuste et simple des refroidisseurs secs nécessite très peu d’entretien, ce qui garantit de faibles coûts d’exploitation à long terme.
• Uniquement de l’air. Le fonctionnement de cette technologie ne nécessite rien d’autre que de l’air extérieur, comme nous l’avons vu, déplacé par un ou plusieurs ventilateurs. Bien entendu, cela peut constituer une limitation pour les applications qui nécessitent des températures de fluide à refroidir précisément inférieures à celles de l’air extérieur.
• Faibles coûts d’exploitation. Il s’agit bien sûr d’un effet des caractéristiques fonctionnelles précédentes.
• Flexibilité d’installation. Les refroidisseurs secs peuvent être installés à l’extérieur ou à l’intérieur, s’adaptant ainsi aux différentes exigences d’aménagement de l’usine. Grâce à leur modularité, ils conviennent également à la modernisation d’installations existantes.
• Polyvalence de fonctionnement. Les systèmes équipés de refroidisseurs secs peuvent fonctionner toute l’année, sans problèmes liés aux basses températures environnantes.

4. Températures de sortie et calcul du potentiel d'un aéroréfrigerant sec

Étant donné que le dry cooler utilise uniquement l’air comme vecteur de refroidissement, ce système industriel peut structurellement atteindre des températures de sortie qui ne sont pas inférieures à la température sèche de l’air (c’est-à-dire la température de l’air extérieur) : c’est un élément à prendre toujours en considération pour savoir s’il s’agit de la solution dont nous avons besoin. La conséquence est que le dry cooler devient la solution optimale s’il suffit d’obtenir un fluide de sortie à température moyenne-élevée, surtout si l’on pense aux saisons chaudes et si l’on ne veut pas utiliser l’eau comme « outil » de refroidissement.

Comment dimensionner correctement un aéroréfrigerant sec ? Comment calculer correctement la capacité requise ? Plusieurs facteurs entrent en jeu.

Il est essentiel de choisir un aéroréfrigérant dont le débit d’air et la surface d’échange thermique sont adaptés à la quantité de chaleur à dissiper par le fluide. Des facteurs tels que la température et le débit volumétrique du fluide de traitement, la température ambiante et la différence de température souhaitée à la sortie jouent un rôle clé dans le dimensionnement de l’aéroréfrigérant.

Nous avons également vu que les aéroréfrigerants secs sont capables d’abaisser la température du fluide de traitement à une température proche de celle de l’air ambiant.

Le dimensionnement d’un refroidisseur sec est un processus qui nécessite une évaluation minutieuse de plusieurs facteurs afin de s’assurer que l’unité sélectionnée est en mesure de répondre aux besoins spécifiques de l’application.

Les principales étapes sont les suivantes.

1. Calcul de la charge thermique. La quantité précise de chaleur à dissiper par le refroidisseur sec doit être déterminée. Cela dépend de facteurs tels que le type de fluide à refroidir, sa température d’entrée et de sortie, et les conditions environnementales.
2. Détermination du débit d’air. Une fois la charge thermique connue, on calcule la quantité d’air nécessaire pour évacuer cette chaleur. Cette valeur est obtenue à l’aide de la différence de température souhaitée entre l’air entrant et l’air sortant du dry cooler.
3. Sélection du refroidisseur sec. Sur la base de la charge thermique et du débit d’air calculés, le modèle de refroidisseur sec le plus approprié est sélectionné. Des facteurs tels que la perte de charge, la vitesse de l’air, le taux de transfert de chaleur et les matériaux, les épaisseurs, les géométries des serpentins à ailettes sont pris en compte.

Outre ces éléments, d’autres doivent être pris en compte pour dimensionner et calculer correctement la puissance requise d’un refroidisseur sec : l’espace disponible, les niveaux de bruit requis pour un fonctionnement correct (compte tenu du contexte civil ou industriel de l’installation), les besoins liés à la maintenance future du système…

Comme vous pouvez le constater, les variables sont nombreuses. Comme dans tous les cas, un bon conseiller en refroidissement est en mesure d’orienter le client en lui posant les bonnes questions sur ses besoins. Il existe également des logiciels spécifiques qui, compte tenu des paramètres de l’application, aident le professionnel à simuler ses performances en termes de température de sortie du fluide et à définir le modèle d’aéroréfrigérant le plus approprié.

5. Types de aéroréfrigerants secs

Il existe plusieurs types de refroidisseurs secs : disposés horizontalement, avec la forme typique d’une « table », et disposés verticalement, ou en forme de « V ». En outre, les aéroréfrigérants peuvent augmenter leur efficacité en étant équipés de dispositifs de prérefroidissement adiabatique.

Examinons ces trois types plus en détail.

6. Durabilité, efficacité énergétique et réduction du bruit avec les refroidisseurs à sec

Partons d’un principe nécessaire : tout type de système de refroidissement industriel, y compris les refroidisseurs d’air, peut apporter de l’efficacité (réduction de l’utilisation des ressources et de l’impact sur l’environnement) s’il est sélectionné et configuré correctement par le fabricant et le fournisseur. Comment y parvenir ? En connaissant précisément les données de conception de l’usine à desservir, ses exigences de performance uniques et les ressources disponibles. Aujourd’hui, cette tâche est facilitée par des logiciels avancés de sélection, de configuration et d’optimisation.

Cela dit, un certain nombre de points peuvent être pris en compte pour obtenir des aéroréfrigerants secs efficaces.

• Composants à haut rendement énergétique : des moteurs et des ventilateurs à haut rendement, souvent contrôlés électroniquement, peuvent minimiser l’utilisation des ressources.
• Sélection des matériaux : la prise de conscience par le fabricant de la recyclabilité des matériaux utilisés ou de leur gestion en fin de vie contribue à réduire l’impact environnemental de notre aéroréfrigérant.
• Efficacité opérationnelle : un entretien et un nettoyage adéquats des aéroréfrigérants garantissent un flux d’air et un transfert de chaleur optimaux, réduisant ainsi la consommation d’énergie. Bien entendu, cette étape relève à la fois de la responsabilité d’un bon fabricant et d’un bon consultant, qui peuvent conseiller au mieux le client, et de la responsabilité du client lui-même et de la bonne organisation de ses opérations internes.

7. Refroidisseur à sec et autres systèmes de refroidissement

Les refroidisseurs secs ne sont certainement pas les seuls systèmes de dissipation de la chaleur dans les processus industriels.

La question de savoir quel est le meilleur système de refroidissement à utiliser pour refroidir les fluides (eau et glycol ou autres fluides) dans les processus de production est un grand classique. Les fabricants et les consultants répondent généralement par une autre réponse classique : cela dépend. En effet, le meilleur système de refroidissement n’existe pas et il faut connaître et comparer les différents avantages structurels des groupes frigo, des tours de refroidissement, des aéroréfrigerants adiabatiques et des aéroréfrigerants « standard ».

Ici aussi, comparons le fonctionnement des dry coolers par rapport aux autres systèmes de dissipation de la chaleur.

7.1. Aéroréfrigerant sec ou groupe frigorifique

Voici un exemple classique de contraste entre différents systèmes de refroidissement : est-il préférable d’avoir un Aéroréfrigerant sec ou un groupe frigorifique ?

Il est clair qu’il faut partir des températures de sortie autorisées par les deux systèmes. En ce sens, un chiller (« refroidisseur mécanique ») peut atteindre des températures de sortie du fluide bien inférieures à la température ambiante, voire même inférieures à 0 °C. Un dry cooler, en revanche, est plus adapté, comme nous l’avons déjà vu, à des températures de sortie moyennement élevées (en saison chaude) ou en tout cas proches de celles de l’air extérieur. Il s’agit en effet d’un système qui ne peut structurellement pas descendre en dessous de la température du bulbe sec de l’environnement.

Mais que faire si la demande porte sur des températures de sortie intermédiaires, par exemple entre 20 et 30 °C ? Dans ce cas, il faut accorder plus d’attention aux autres facteurs de conception et aux exigences du système à desservir.

Un autre point à souligner concerne la structure et les composants des deux systèmes. Un refroidisseur d’air est une machine simple, composée essentiellement d’une batterie d’échangeurs de chaleur et d’un groupe moto-ventilateur. En revanche, un groupe frigorifique ou unité de réfrigération est un système beaucoup plus complexe qui, pour atteindre ses performances élevées, doit s’appuyer sur un circuit de réfrigération complet : une telle solution génère des coûts d’acquisition et d’exploitation beaucoup plus élevés et nécessite davantage d’entretien.

Pour optimiser l’utilisation de l’énergie et garantir la flexibilité, il est encore possible de combiner le refroidisseur sec et le groupe frigorifique, une solution qui a connu un certain essor ces dernières années. Par exemple, on peut utiliser le dry cooler pendant les périodes les plus froides de l’année et le chiller pendant les périodes les plus chaudes, ou utiliser le dry cooler comme pré-refroidissement pour réduire la charge du chiller. Sans oublier qu’il existe des refroidisseurs avec « free-cooling », qui fonctionnent comme des refroidisseurs secs pendant les périodes froides, ce qui permet d’éteindre les compresseurs et d’économiser de l’énergie.

Pour vous faciliter la tâche, voici un manuel utile et nécessairement simplifié sur les facteurs les plus importants à prendre en compte pour faire un choix éclairé : refroidisseur à sec ou groupe frigo.

• Température de fonctionnement. Si un fluide très froid est nécessaire (par exemple 10 °C ou moins), le refroidisseur est la seule option des deux. Pour des températures plus élevées (20-30 °C), les deux solutions peuvent être évaluées.
• Espace d’installation. Si l’espace est limité, le refroidisseur peut être le meilleur choix.
• Conditions environnementales. Dans les climats chauds et humides, l’efficacité d’un refroidisseur sec peut diminuer. Un refroidisseur, en revanche, est moins affecté par les conditions extérieures.
• Les refroidisseurs secs ont généralement des coûts d’investissement et de fonctionnement inférieurs à ceux de la solution concurrente.
• Efficacité énergétique. L’efficacité énergétique dépend de plusieurs facteurs, notamment de la température ambiante, de la température de sortie du fluide et de la technologie utilisée.
• Les refroidisseurs secs nécessitent moins d’entretien que les unités de réfrigération, dont les composants sont plus complexes.

7.2. Refroidisseur à sec ou tour de refroidissement

En termes de fonctionnement, la principale différence entre un refroidisseur sec et une tour de refroidissement par évaporation réside dans le fait que le premier a pour limite minimale la température sèche de l’air (la température de l’air extérieur) pour la température de sortie du fluide refroidi. En revanche, la tour d’évaporation peut atteindre une température proche de celle du bulbe humide (environ 10 °C en dessous de la température de l’air extérieur).

Il existe une formule précise pour calculer la température du thermomètre mouillé (Tw) en fonction du bulbe sec (Ta), ainsi que plusieurs calculateurs en ligne. Il suffit de constater que la valeur de Tw est toujours inférieure à Ta lorsque l’humidité relative est inférieure à 100 % : cela souligne la plus grande efficacité de la tour de refroidissement par rapport au aéroréfrigerant sec. Un élément à prendre en compte dans le choix du meilleur refroidisseur.

D’autre part, en termes d’utilisation des ressources, la tour de refroidissement a besoin d’eau pour fonctionner alors que le refroidisseur sec, par définition, n’utilise pas cette ressource pour son fonctionnement.

Pour le système à desservir, la performance (et le saut thermique à atteindre), l’espace disponible pour l’installation ou les économies d’eau sont-ils plus importants ? La réponse à cette question commence à faire pencher le choix : refroidisseur sec si l’accent est mis sur les économies d’eau, tour de refroidissement si le besoin le plus important réside dans les performances et l’espace disponible pour l’installation.

7.3. Aéroréfrigerant sec « standard » et aéroréfrigerant adiabatique

Rappelons les différences structurelles entre les deux systèmes. Un refroidisseur sec standard fonctionne selon un principe simple : le fluide à refroidir (généralement de l’eau ou de l’eau et du glycol) est pompé à travers une série de tuyaux dans une unité. L’air extérieur est poussé à travers les ailettes adjacentes aux tuyaux, absorbant la chaleur du fluide et le refroidissant. Ce processus s’effectue sans utiliser d’eau d’évaporation. Un refroidisseur sec avec dispositif adiabatique est un système plus avancé qui combine la technologie standard du refroidisseur sec avec un processus de refroidissement adiabatique (qui peut être utilisé à certaines périodes de l’année ou de la journée) : dans ce cas, l’air extérieur est pré-refroidi par des cycles d’humidification de l’eau avant d’entrer en contact avec le serpentin à ailettes.

Le débit de fluide dans un refroidisseur sec adiabatique peut descendre en dessous de la température du bulbe sec de l’air (mais pas de la température du bulbe humide). Un refroidisseur sec standard ne peut structurellement pas atteindre cet objectif. Cette différence est en soi un facteur discriminant si le système à desservir doit dissiper la chaleur à des niveaux légèrement supérieurs ou légèrement inférieurs à ce seuil, ou si une certaine « garantie » de performance est requise même pendant les jours ou les heures les plus chauds de l’année.

Le dry cooler adiabatique peut également fonctionner en mode standard, c’est-à-dire uniquement à l’air et sans dispositif de pré-refroidissement à l’eau, si cela suffit en certaines saisons : c’est bien sûr un point en faveur de cet équipement.

8. Applications des refroidisseurs à sec

Il en va de même pour les autres systèmes de refroidissement industriel : les refroidisseurs secs peuvent être installés dans les types d’installations civiles et industrielles les plus divers, à condition que les exigences de température et de capacité du projet individuel soient connues.

A titre d’exemple, voici quelques contextes d’installation.

• Procédés industriels : refroidissement des liquides dans les centrales électriques, le traitement chimique, la production de plastiques, le traitement des métaux, l’industrie alimentaire et des boissons.
• Systèmes CVC : dissipation de la chaleur dans les bâtiments commerciaux et industriels pour maintenir la climatisation.
• Centres de données : l’objectif est bien sûr de maintenir des températures de fonctionnement optimales pour les serveurs.

9. Focus : aéroréfrigerant sec par centre de données

Concentrons-nous un instant sur le dernier point de la liste précédente : les centres de données sont l’un des environnements où les technologies de refroidissement sont nécessaires et, si possible, en utilisant une quantité limitée de ressources.

Il s’agit en l’occurrence du refroidissement des salles de serveurs à l’aide de aéroréfrigerants secs pour centres de données, une application qui est également en plein essor compte tenu des investissements dans l’intelligence artificielle. Il s’agit également d’environnements dans lesquels la continuité des activités et donc la fiabilité des machines sont cruciales.

Les refroidisseurs secs peuvent servir ce type d’installation : le choix de ces systèmes parmi d’autres technologies de refroidissement dépend toujours des spécifications du projet individuel. Bien entendu, comme nous l’avons déjà vu, le dry cooler est la solution optimale dans les climats froids ou lorsque la température du fluide à refroidir peut être proche ou supérieure à la température de l’air extérieur.

Il existe d’excellentes études de cas sur l’utilisation de systèmes de refroidissement à sec dans les trois versions : table, configuration en V et dispositif adiabatique.

Le refroidisseur sec peut ne pas être la technologie la plus appropriée si, au contraire, nous nous trouvons dans un climat très chaud et/ou s’il est possible d’utiliser l’eau comme ressource de refroidissement.

10. Fabricants de refroidisseurs à sec : comment les évaluer

Cela nous amène à la question que tout client du secteur civil ou industriel se pose, même en ce qui concerne d’autres technologies : comment choisir le bon fabricant de aéroréfrigerants secs ?

Les critères peuvent être les plus divers et les plus subjectifs. Il convient toutefois d’en examiner quelques-uns.

• L’étendue de la gamme. Étant donné que, comme nous l’avons vu, une technologie n’est pas toujours la meilleure dans l’absolu (il en va de même pour les systèmes de refroidissement de l’air), le fait de pouvoir compter sur une gamme diversifiée de solutions augmente la possibilité de choisir celle qui est la mieux adaptée à notre système.
• Différenciation des produits (au sein d’une même catégorie). Nous avons vu qu’il existe différents types de refroidisseurs secs, chacun ayant ses propres avantages fonctionnels.
• Conseil et service. Dans certaines situations, la partie « intangible » de la vente est encore plus importante que la partie « tangible » : les fabricants que nous avons sélectionnés dans notre liste restreinte nous suivent-ils en tant que consultants ? Réaliseront-ils une conception personnalisée pour nous ? Nous suivront-ils dans les phases d’installation et seront-ils disponibles, à l’avenir, dans les phases de maintenance physiologique ?
• Historique et références de l’entreprise. Ils constituent bien entendu une indication de l’expérience et du professionnalisme du fournisseur : là encore, il convient de les évaluer avec soin.