Système HC/HFC-CO2 en cascade

Guide d’application
Système HC/HFC-CO2 en cascade
Danfoss
R64-2050.11
Régulation du système
AKD 102
AK-PC 740/780
AKS 32R
AKS 11
EKC 313
AKS 32R
AKD 102
DCR
AKS 11 AKS 32R
GD/DGS
AKS 11
ETS
AK-SC 255/
AK-SM 350/
AK-SM 720/
AKA 245
EVR
AKS 2050
AKS 11
AK-PC 740/780
AK-CC 450
AKS 2050
AKS 11
AKS 11
Pump
EVRH
SGN
AKD 102
AK-CC 550 A
AKS 32 R
DCR
AKS 11
GD/DGS
AKS 32R
AKVH
AKS 11
www.danfoss.com/co2
Description générale
Les systèmes en cascade ne sont généralement
pas utilisés dans les applications traditionnelles
impliquant des réfrigérants classiques. Quelques
raisons expliquent ce fait : la nécessité de gérer
deux réfrigérants en un seul système ; la stratégie
de commande du système (en particulier celle
d’un échangeur de chaleur en cascade) est plus
complexe. Simultanément, l’utilisation du CO2
dans des systèmes en cascade procure un certain
nombre d’avantages :
• haute efficacité du système même sous les
climats chauds,
• faible quantité de réfrigérant requise pour un
niveau de température élevée,
• faible différence de température avec un
échangeur de chaleur en cascade et
• sur le côté haute pression, utilisation possible de
divers réfrigérants, par ex. HC/HFC ou NH3.
Températures et pressions
dans les systèmes en cascade
La température intermédiaire dans un système
en cascade est sélectionnée en fonction de la
température requise pour les cas de hautes
température dans un entrepôt, ce qui signifie que
le refroidissement peut s’effectuer directement
par CO2. La température intermédiaire peut
également être optimisée afin d’obtenir le
meilleur rendement énergétique si le système est
utilisé uniquement à basse température.
Étant donné qu’un système en cascade
se compose en fait de deux systèmes de
réfrigération différents interfacés, mais isolés au
niveau de l’échangeur de chaleur en cascade,
la pression de service maximale de chaque
système peut varier. La pression de calcul du
CO2 s’appuie généralement sur la disponibilité
des composants et est égale à 40-45 bars (ce qui
correspond à +5 - +10 °C).
Pour empêcher la pression de dépasser les
mesures citées précédemment, les systèmes
d’immobilisation sont recommandés. Le réglage
des vannes de sûreté doit être le plus élevé
possible. La pression d’immobilisation peut être
obtenue en augmentant la pression de calcul à
80-90 bars.
Les systèmes en cascade ammoniac/CO2 sont
les plus performants. Si l’hydrofluorocarbone
(HFC) doit être utilisé à un niveau de température
élevée, le R134a constitue la meilleure option en
raison de ses propriétés thermodynamiques et
de son faible potentiel de réchauffement global
(par rapport au R404A).
AK-PC 740/780
EKC 313
Tous types de
réfrigérant
AK-CC 450
Par exemple :
Côté CO2
• Pression de service maximale du système
(température d’aspiration saturée) : 40 bars
(+5 °C)
• Réglages des soupapes : 36 bars (-10 % pression
de service max. PMS)
• Réglage des alarmes : 34 bars (-1 °C)
• Réglage de la pression de refoulement du CO2 :
30 bars (-5 °C)
Niveau de
pression
40 bar
AK-PC 740/780
Niveau de
pression
25 bar
AK-CC 550
Plus l’échangeur de chaleur en cascade est
efficace, moins la différence entre la température
de condensation du CO2 et la température
d’évaporation du réfrigérant sur le côté haute
température est importante. Étant donné que
la différence de température augmente sur le
condenseur en cascade, l’efficacité globale du
système de réfrigération diminue.
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Guide d’application RA8AB104 © Danfoss 01/2011
Système HC/HFC-CO2 en cascade
Températures et pressions
dans les systèmes en
cascade (suite)
Sur les systèmes à basses températures de
refoulement du gaz CO2 (faible surchauffe), la
surchauffe du détendeur peut constituer le facteur
de dimensionnement de l’échangeur de chaleur.
Si un système CO2 présente une surchauffe
élevée, des désurchauffeurs doivent alors être
employés pour réduire la charge sur le côté haute
température.
La pression intermédiaire optimale des systèmes
CO2 en cascade dépend d’un certain nombre
de paramètres (réfrigérant haute température,
modèle de charge, etc.). En général, 2 cas sont à
considérer :
Séquence de
fonctionnement des
systèmes en cascade
Dans les systèmes en cascade, il est essentiel
qu’au moins un compresseur côté haute
température fonctionne avant le démarrage du
premier compresseur côté basse température.
Sinon, le compresseur côté basse température
peut être interrompu suite à une pression élevée.
Cette séquence s’applique également pour le
remplissage du système. Avant toute chose, le
circuit haute température doit être rempli avec
du réfrigérant, puis démarré. Une fois cette étape
réalisée, le CO2 peut être ajouté dans le système
basse température.
Injection dans un échangeur
de chaleur en cascade
Injecter du liquide dans un échangeur thermique
à plaques n’est pas évident. L’échangeur
thermique est souvent compact, par conséquent,
la constante de temps est très faible. Les
vannes AKV sont déconseillées pour cette
application.
En revanche, il est recommandé d’utiliser des
détendeurs pas à pas qui fournissent un débit
constant. La désurchauffe du gaz CO2 entrant
dans l’échangeur de chaleur en cascade peut
également être recommandée pour trois raisons.
1) Les systèmes avec charge à la température
moyenne.
Dans ce cas, la pression intermédiaire doit être
aussi élevée que possible pour réduire la charge
au niveau de température élevée. Les limites sont
par conséquent la température requise au niveau
intermédiaire et la pression nominale du système.
2) Les systèmes sans charge à la température
moyenne.
Dans ce cas, la température intermédiaire doit
se situer dans la plage comprise entre -10 et 0 °C
(en raison de la pression élevée du CO2 basse
température), où la limite inférieure est définie
par l’efficacité et la pression nominale du système.
Le détendeur haute température (ETS) de
l’échangeur de chaleur en cascade doit démarrer
en même temps que les compresseurs haute
température. Le détendeur contrôle ensuite
la surchauffe du gaz haute température. Les
compresseurs basse température sont ensuite
démarrés sous l’effet de l’augmentation de
pression de CO2 dans la conduite d’aspiration.
Les régulateurs de centrales Danfoss, tels que
l’AK-PC 740 et l’AK-PC 780, sont spécialement
conçus avec des fonctions de régulation
intégrées, chargées de coordonner ces
opérations.
problème critique. C’est la raison pour laquelle
l’échangeur de chaleur doit être conçu pour la
détente directe afin de garantir la répartition
équitable du mélange de gaz et de liquide au
niveau de l’échangeur.
Si l’échangeur de chaleur est conçu pour une
chute de pression raisonnable au niveau de la
charge partielle, le transport et la répartition
de l’huile doivent s’effectuer dans toutes les
conditions.
La première est que le gaz est souvent à
60 °C, la chaleur peut donc être rejetée dans
l’environnement ou utilisée à des fins de
récupération de chaleur sans aucun problème. La
deuxième raison est la réduction de la contrainte
thermique dans l’échangeur de chaleur. La
troisième est que le gaz CO2 produit des flux de
chaleur très élevés, qui créent par conséquent
des conditions instables côté évaporation. Il est
donc préconisé de réduire la surchauffe côté CO2.
La répartition côté CO2 constitue également un
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R64-2050.11
AKD 102
AK-PC 740/780
AKS 32R
AKS 11
EKC 313
AKS 32R
AKD 102
DCR
AKS 11 AKS 32R
GD/DGS
AKS 11
ETS
AK-SC 255/
AK-SM 350/
AK-SM 720/
AKA 245
EVR
AKS 2050
AKS 11
AK-PC 740/780
AK-CC 450
AKS 2050
AKS 11
AKS 11
Pump
EVRH
SGN
AKD 102
AK-CC 550 A
AKS 32 R
DCR
AKS 11
GD/DGS
AKS 32R
AKVH
AKS 11
Système HFC-CO2 en cascade
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Système HC/HFC-CO2 en cascade
Régulation de la capacité du
condenseur
La régulation de la capacité du condenseur peut
être réalisée via la régulation par étape ou la
régulation de la vitesse des ventilateurs.
À titre de capteur de régulation du distributeur
de capacité, la pression du condenseur doit être
sélectionnée. La référence pour la régulation
peut être définie de deux façons : une référence
fixe ou une référence qui varie en fonction de
la température extérieure. La référence de la
pression de condensation est établie en °C.
Régulations de la puissance
du compresseur
Le régulateur de groupe AK-PC 740 (jusqu’à
4 compresseurs) ou AK-PC 780 (jusqu’à
8 compresseurs) gère la pression d’aspiration
basse température et constitue un régulateur
standard de centrales dans un système de
réfrigération. Le régulateur peut contrôler de
régulateur peut contrôler la vitesse variable de
deux compresseurs associés à des compresseurs
mono-étape de même tailles ou de tailles
différentes, selon le choix du modèle de
couplage.
Coordination basse
pression/haute pression
L’AK-PC 740/780 est également capable de coordonner le démarrage haute et basse température
pour assurer un fonctionnement en souplesse.
Ici, les compresseurs haute pression peuvent
démarrer selon deux modes :
- charge sur le circuit haute pression ;
- besoins du circuit basse pression.
Le circuit haute pression assure toujours le
démarrage du circuit basse pression uniquement
lorsqu’au moins un compresseur haute pression
est lancé. Il garantit également la conformité des
temporisateurs de sécurité et des compresseurs.
Gestion/ égalisation de
l’huile
Le système de gestion d’huile intégré couvre
la plupart des systèmes disponibles sur le
marché actuel. Il peut être utilisé aussi bien
avec le CO2 qu’avec tous les autres réfrigérants
conventionnels. De plus, il gère les signaux
d’entrée des éléments suivants :
• capteur de niveau du compresseur
• capteur de niveau du séparateur d’huile
• capteur de niveau du réservoir d’huile
• transmetteur de pression du réservoir d’huile
Libération de cap.
La régulation des systèmes en cascade peut être
répartie comme suit :
• Régulation de la capacité du condenseur
• Régulation de la capacité du compresseur
• Régulation de l’injection en cascade
• Régulation du débit de CO2 de l’évaporateur à
température moyenne
• Régulation de l’injection de l’évaporateur à
basse température
Demande de cap.
Régulations du système en
cascade
Une seule fonction de l’AK-PC 740/780 permet
d’utiliser la pression Pc côté CO2 basse
température comme capteur de contrôle de
la pression d’aspiration haute température.
Ceci garantit une régulation rapide et stable
de la pression de condensation côté CO2 basse
température.
Démarrage comp. HT sortie
Démarrage comp. BT entrée
Demande comp. HT entrée
Demande comp. BT sortie
Ici, une sortie de relais et une entrée On/off sont utilisés sur les deux
contrôleurs.
L’alimentation en huile des compresseurs est
gérée en activant les électrovannes séquentielles
ON/OFF définies par l’utilisateur.
Système HC/HFC-CO2 en cascade Guide d’application RA8AB104 © Danfoss 01/2011
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Régulation de l’injection en
cascade
Dans les systèmes avec régulation en cascade
et CO2 comme réfrigérant sur le circuit basse
température, l’EKC 313 peut réguler l’injection de
liquide (au moyen d'un détendeur pas à pas ETS)
dans l’échangeur de chaleur en cascade selon
l’une des deux méthodes suivantes :
• optimisation de la surchauffe ;
• régulation de la pression de condensation dans
le circuit basse température tout en veillant à ce
que la surchauffe ne baisse pas trop.
En l’absence d’évaporateurs sur le circuit haute
température, les régulateurs en cascade doivent
être définis sur le mode de régulation 1 pour
optimiser la surchauffe. Dans cette application,
la pression de condensation du circuit basse
température doit être régulée par le régulateur
de capacité du compresseur du circuit haute
température. Le signal PC basse température
est ici reçu au niveau de l’entrée P0 haute
température.
Régulation du débit de
CO2 de l’évaporateur à
température moyenne
La température de l’air dans les vitrines ou zones
de présentation à température moyenne est
régulée en ouvrant/fermant une électrovanne/
vanne motorisée de l’alimentation en CO2 de
l’évaporateur. La régulation de température réelle
peut être obtenue de deux façons : soit une
régulation ON/OFF normale avec différentiel, soit
une régulation modulante (PWM), où la variation
de température est loin d’être aussi importante
que lors de la régulation on/off.
Dans un système avec plusieurs évaporateurs
alimentés par la même pompe CO2, la régulation
modulante de la température doit être sélectionnée, car elle fournit également un débit plus
constant de CO2 à la pompe CO2.
Régulation de l’injection
de l’évaporateur à basse
température
La régulation de l’injection des évaporateurs
de chambres froides et de vitrines basse
température s’effectue via un AK-CC 550A
utilisant les vannes d’injection à séquentielle
AKVH et des algorithmes logiciels adaptatifs
brevetés pour optimiser les performances et le
fonctionnement du système.
Régulation de la pression
Les régulateurs de CO2 Danfoss disposent d’un
plus grand nombre de fonctions de sécurité
liées à la pression, ce qui empêche les vannes de
sûreté de s’ouvrir et donc de perdre de la charge.
Période n63
Régulateur de groupe AK-PC 740
Une fonction de sécurité liée à la pression de
refoulement max. du compresseur réduit la
capacité du compresseur.
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Système HC/HFC-CO2 en cascade
AK-PC 740
Régulateur flexible pour le contrôle de la
capacité des compresseurs et des ventilateurs
de condenseurs. Le nombre d’E/S peut être
étendu avec des modules d’extension AK-XM.
• 4 compresseurs avec 3 réductions de puissance par
compresseur
• 6 ventilateurs
• 60 entrées/sorties max.
• Régulation de la vitesse variable du compresseur
principal et des ventilateurs de condenseurs
• Fonction intégrée de gestion d'huile
• �����������������������������������������������
Fonction de démarrage-demande pour la coordination entre les compresseurs haute et basse pression
AK-PC 780
Identique à l’AK-PC 740 plus :
• 8 compresseurs avec 3 réductions de puissance par
compresseur
• 8 ventilateurs
• 100 entrées/sorties max.
AK-CC 450
Régulation totale du meuble frigorifique avec
une grande flexibilité pour s’adapter à tous les
types de meubles et d’entrepôts frigorifiques.
AK-CC 550A
Identique à l’AK-CC 450 +
• Pour refroidissement avec saumure ou pompe CO2
• Pour utilisation avec un détendeur thermostatique
• Optimisation de l’énergie de l’ensemble du meuble
frigorifique
• ��������������������������������������������������
Un seul régulateur pour plusieurs meubles frigorifiques
• Dégivrage naturel, électrique ou par gaz chauds
• Pour refroidissement avec détendeur électronique
• Régulation adaptative de la surchauffe
• Dégivrage adaptatif en fonction de la performance
de l’évaporateur
AK-CC 750
Régulateur flexible de meubles frigorifiques
pour 4 évaporateurs maximum.
EKC 313
Régulateur d’injection de liquide des échangeurs de chaleur en cascade avec CO2 comme
réfrigérant dans le circuit basse température.
ETS
ETS est une série de détendeurs à commande
électrique (moteur pas-à-pas)
• �������������������������������������������������
Circuit de sortie du moteur pas-à-pas pour détendeur ETS ou CCM.
• Sortie 0-10 V pour les vannes ICMTS
• Détendeurs
����������������������������������������������
à commande électrique pour l’injection précise de liquide dans des évaporateurs
• Totalement
��������������������������������������������������
équilibrées, offrant une fonction bidirectionnelle ainsi qu’une fonction d’arrêt étanche
de l’électrovanne dans les deux sens de débit.
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FC-SPMC
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