CENTRALES FRIGORIFIQUES

Dans certains cas d’utilisation frigorifique, on rencontre de nombreux postes de froid sur un même site. L’exemple le plus classique est la grande surface de vente.
Dans ces magasins, on trouve toute une gamme de chambres froides et meubles de vente réfrigérés.
Les applications sont diverses et chaque poste de froid est adapté aux conditions de conservation du produit stocké.
Une promenade dans un hypermarché nous permettrait de distinguer les différents types de meubles ou vitrines réfrigérés : boucherie, volailles, charcuterie, traiteur, fromages, crémerie, ultra frais, fruits et légumes, poissons, pâtisseries, surgelés, crèmes glacées, etc.
Aussi, dans une partie du magasin non accessible au public, on peut trouver différents types de chambres froides : viandes, volailles, charcuterie, traiteur, pâtisseries, poissons, fruits et légumes, fromages, boissons, surgelés, crèmes glacées, laboratoires, etc.
Dans les années 60, au début des implantations des supermarchés, chaque poste de froid était équipé de son propre groupe frigorifique.
Comme les températures d’évaporation exigée par certains postes étaient très proches, voire identiques, la recherche d’économie amena à regrouper deux ou trois postes de froid sur le même groupe frigorifique.
La tentation d’aller plus loin dans cette innovation technique devenait alors très forte.

Fig. 6.1 Centrale frigorifique

Avec le succès croissant de la vente en libre-service, les implantations des grandes surfaces s’accéléra(1) et la recherche de rentabilité fit apparaître le concept de « production frigorifique centralisée ».
Ce type d’installation consiste à regrouper, dans une même salle de machines, plusieurs compresseurs raccordés sur un collecteur commun d’aspiration et un collecteur commun de refoulement.
(1) Actuellement, on compte en France plus de 1 000 hypermarchés et plus de 8 000 supermarchés, ce qui correspond à 14 millions de m² de surface de vente.Les vapeurs refoulées par l’ensemble des compresseurs sont acheminées par une conduite commune vers un condenseur qui évacue la puissance totale et qui déverse le fluide condensé dans la bouteille de liquide commune.
Une tuyauterie liquide alimente l’ensemble des postes réfrigérés.
La sortie des évaporateurs est raccordée à une tuyauterie d’aspiration commune qui débouche sur le collecteur d’aspiration de la centrale frigorifique.

Fig. 6.2 Installation centralisée

Chaque poste de froid est autonome, comme s’il était équipé de son propre groupe frigorifique mais, dans cette configuration, le thermostat d’ambiance commande l’ouverture ou la fermeture de la vanne d’alimentation en liquide.

Fig. 6.3 Automatisme d'un poste de froid

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Le câblage d’un tel poste est similaire à celui d’une installation à un point de froid, mais bien moins onéreux puisqu’il n’y a pas lieu de tenir compte du compresseur et du condenseur.
Le fait d’alimenter en liquide des évaporateurs entraîne, avec l’échange de chaleur, une production de vapeur qui s’accumule dans la tuyauterie d’aspiration et fait monter la pression.
Cette augmentation de pression est captée au niveau du collecteur d’aspiration de la centrale et communiquée au système de commande des compresseurs.
Ainsi, la mise en service des évaporateurs entraîne la montée de la BP qui, à son tour, provoque la mise en route en cascade des compresseurs.
Si le nombre de compresseurs en service est trop important par rapport au nombre d’évaporateurs en fonctionnement, la masse des vapeurs aspirées devient supérieure à la masse des vapeurs produites par les évaporateurs et la BP diminue.
La détection d’une diminution de la BP entraîne l’arrêt d’un compresseur, ce qui diminuera le débit aspiré et tendra à stabiliser la BP.

Fig. 6.4 Détection de la BP au niveau du collecteur

L’automatisme va donc démarrer ou arrêter des compresseurs en fonction du nombre d’évaporateurs en service, autrement dit : en fonction de la demande de froid.
Ceci est très intéressant car, à tout moment, la puissance frigorifique en service correspond aux besoins, et par conséquent l’énergie consommée aussi.
D’ailleurs, l’expérience démontre que, sur une centrale de quatre compresseurs, hormis les périodes de forte chaleur, il est rare de voir plus de trois compresseurs en service.
En cas de panne d’un compresseur, la production frigorifique continue à être assurée par les compresseurs disponibles.

Fig. 6.5 Commande des compresseurs

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Refoulement
Les compresseurs de la centrale refoulent dans la partie supérieure d’un même collecteur en position horizontal et placé généralement à un niveau plus bas que les compresseurs.
Un clapet de retenue évite la condensation du fluide dans les culasses pendant le temps d’arrêt des compresseurs.
La vitesse des gaz dans le collecteur en pleine charge est d’environ 3 m/s.
Le collecteur de refoulement peut aussi être installé à un niveau au-dessus des compresseurs, mais il est impératif que le refoulement des compresseurs se fasse par le haut.Fig. 6.6 Collecteur de refoulementLe but cherché est d’éviter que du liquide, involontairement condensé pendant le temps d’arrêt, puisse s’écouler par gravité vers les compresseurs et provoquer un coup de liquide lors du démarrage.Fig. 6.7 Collecteur de refoulement

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Le Condenseur
Dans ce type d’installation, il est courant d’utiliser le condenseur à air, bien que la tendance soit à l’utilisation du condenseur évaporatif pour les fortes puissances.

Fig. 6.8 Tuyauterie de refoulement

En règle générale, le condenseur est placé à un niveau supérieur à celui des compresseurs et les gaz de refoulement arrivent dans son collecteur du haut ; le liquide de la condensation va s’écouler naturellement par gravité jusqu’à la bouteille liquide.
Un clapet placé à la sortie du séparateur d’huile empêche la migration accidentelle de fluide du condenseur vers le séparateur. Ainsi, la condensation du fluide dans le séparateur devient impossible et les risques de casse par défaut de lubrification du compresseur sont évités.
La figure 6.8 (page précédente) montre aussi une double colonne montante dans la tuyauterie de refoulement. Le but est de faire circuler l’huile qui n’a pas été retenue dans le séparateur pour qu’elle puisse retourner au compresseur par la tuyauterie d’aspiration.

Pour que l’huile puisse monter dans une tuyauterie transportant du gaz, il est nécessaire que la vitesse de circulation soit supérieure à 7 m/s. Cette condition est facile à obtenir quand le débit reste constant pendant le fonctionnement ; il suffit de bien déterminer le diamètre de la tuyauterie et le problème est définitivement réglé. Par contre, c’est un problème délicat quand le débit varie fortement, et c’est précisément ce qui se passe dans les installations centralisées.
Dans ces installations, le débit dans la tuyauterie de refoulement est fonction du nombre de compresseurs en service. La vitesse de circulation dans la tuyauterie montante peut devenir inférieure à 7 m/s lorqu’un seul compresseur est en fonctionnement.
Il est donc capital de prévoir un artifice permettant la circulation de l’huile en bas régime ; la double colonne montante remplit cette fonction.