Régulation des pompes des tours de refroidissement

Grundfos accroît l'efficacité des systèmes grâce à une régulation de température intelligentePHOTO : dans les tours de refroidissement traditionnelles dotées de pompes gigantesques et soumises à des charges système très diverses, l'approche iSOLUTIONS de Grundfos peut faire d'économiser jusqu'à 70 % des dépenses énergétiques, confirme Michael Laustsen, Application Manager.
Une régulation intelligente de la température

Les systèmes de refroidissement industriels mettent souvent en oeuvre de très grandes pompes utilisées de façon permanente, mais un manque de responsabilité lors de leur configuration entraîne fréquemment une réduction de leur rendement ainsi qu'une explosion des factures énergétiques, souligne Michael Laustsen, Grundfos Application Manager.

« Souvent, une société de conseil achètera le compresseur de refroidissement chez un premier fournisseur, la tour de refroidissement chez un deuxième fournisseur, les pompes chez nous, et engagera ensuite un entrepreneur local pour assembler le tout », explique Michael Laustsen. « Si l'entrepreneur ne sait pas comment effectuer les connexions ni programmer les éléments correctement, les pertes énergétiques et les conséquences financières s'avèrent importantes », souligne-t-il.

« Généralement, l'objectif principal est d'optimiser le processus, quel que soit le type de produit fini fourni pour l'usine. Personne ne prend réellement la responsabilité de s'assurer du fait que le système de refroidissement fonctionne de manière efficace. »

Grundfos peut venir en aide aux entreprises afin de prévenir ce manque d'efficacité et de réaliser des économies allant jusqu'à 70 % voire plus dans les cas courants, par un simple changement des charges système.

« Nous sommes actifs dans ce domaine depuis plusieurs dizaines d'années », déclare Michael Laustsen. « Nous disposons de toutes les connaissances requises en termes de systèmes de refroidissement et d'électronique pour solutionner le problème. Nous connaissons les fournisseurs de tours de refroidissement et de compresseurs de refroidissement et nous savons comment les composants interagissent. Nous disposons également des systèmes de régulation, ce qui nous permet de proposer une solution. »


« Les applications de refroidissement industrielles sont rarement soumises à une charge constante. Dès que vous diminuez la charge, la solution de régulation de température directe est de loin la plus avantageuse. »

Michael Laustsen, Grundfos Applications Manager

FIGURE 1 : vanne de régulation avec pompe tournant en permanence à plein régime

Choisir une stratégie de régulation

Si nous prenons pour exemple un échangeur thermique standard, il existe trois façons différentes de réguler la température (figures 1-3, classées par ordre ascendant de l'efficacité totale obtenue).

Chaque solution a le même objectif : maintenir une température constante au niveau de l'échangeur thermique. La solution choisie peut avoir un impact significatif sur l'efficacité globale du système et de ce fait, sur les coûts d'exploitation.

La deuxième option (figure 2) permet de réguler la température au moyen d'une vanne, mais nécessite l'installation d'un convertisseur de fréquence afin de maintenir une pression différentielle constante.

FIGURE 2 : pression différentielle constante grâce à une pompe à vitesse variable

« Cette solution a pour avantage de prévenir une pression excessive au sein du système et d'économiser un peu d'énergie par rapport à la première configuration », explique Michael Laustsen. « Cependant, le problème de perte de pression au niveau de la vanne reste entier et les coûts de configuration sont plus élevés vu que cette dernière requiert à la fois une vanne de régulation et un convertisseur de fréquence. En outre, le système se complique vu que deux systèmes de régulations sont requis pour aboutir à un point de consigne. »

Aucune vanne requise
La troisième configuration adopte une approche plus directe. Aucune vanne de régulation n'est requise vu que le capteur mesure la température à l'endroit le plus important, c'est-à-dire au niveau du tuyau de l'échangeur thermique, et qu'il envoie le signal directement à la pompe dotée d'un convertisseur de fréquence. La vitesse de la pompe s'adapte en fonction du débit nécessaire pour obtenir la bonne température.

FIGURE 3 : température régulée Le signal de température est renvoyé directement vers la pompe à vitesse réglable.

« Il n'existe aucune armoire de commande, aucun convertisseur électronique ou aucune vanne de régulation supplémentaire entre le point critique où la température est contrôlée et le composant qui vous fournit ce que vous souhaitez », explique Michael Laustsen. « Cela permet par exemple de prévenir tout problème de perte de pression au niveau de la vanne. Le rendement de la pompe reste élevé, peu importe le changement de charge. De plus, la consommation d'énergie est réduite.

« Il est également possible de surveiller et de mémoriser les données de température, ce qui est particulièrement pratique pour les entreprises actives dans les secteurs alimentaires, des boissons et pharmaceutiques, qui doivent documenter toutes leurs informations », ajoute-t-il.

« Le seul inconvénient de cette approche est qu'elle ne peut pas être utilisée pour toutes les applications, par exemple en présence de plus d'une boucle de refroidissement après la pompe. Le système est alors incapable de détecter la pompe à réguler. Vous devrez dans ce cas opter pour la configuration n°2 (pression différentielle constante). »


« Personne ne prend réellement la responsabilité de s'assurer du fait que le système de refroidissement fonctionne de manière efficace. »

Michael Laustsen, Grundfos Applications Manager

FIGURE 4 : dans les systèmes dans lesquels le point de consigne est constant, chacune des trois stratégies offre des résultats comparables, cependant, lorsque la charge est réduite, la commande de température directe offre une efficacité et des économies d'énergie optimales.

Augmenter l'efficacité et économiser l'énergie
En ce qui concerne les petites pompes et/ou les pompes rarement utilisées, l'efficacité du système n'est pas une préoccupation majeure, cependant, les pompes de refroidissement quant à elles font souvent partie des plus grosses pompes mises en oeuvre dans une usine. De plus, elles fonctionnent 24h/24 et 7j/7. Cela signifie que les applications de refroidissement sont fortement influencées par la stratégie de régulation, l'efficacité du système et le profil de charge.

« Si vous disposez d'un système qui requiert le même point de consigne à tout moment et que votre pompe est dimensionnée correctement, alors il n'y aura aucune différence de résultat entre les trois stratégies de régulation », explique Michael Laustsen. « Cependant, les applications de refroidissement industrielles ne sont que rarement soumises à une charge constante. Dès que vous diminuez la charge, la solution de régulation de température directe est de loin la plus avantageuse » (voir Figure 4).

Source : Grundfos

 

L'influence des profils de charge sur la consommation énergétique
C'est pour cette raison qu'il est impératif de prendre en compte le profil de charge lors de la sélection d'une configuration. Les trois échantillons de profils de charge de la figure 5 montrent clairement les économies réalisées grâce à la configuration à pression différentielle constante par rapport au système à vanne de régulation. Cependant, la régulation de température directe est de loin la meilleure option en termes d'efficacité énergétique.

FIGURE 5 : trois échantillons de profils de charge, A, B et C, ainsi que le pourcentage d'économies d'énergie généré par la mise en oeuvre de l'option à pression différentielle constante et de l'option à régulation de température. Le profil de charge A présente une demande de débit aléatoire de la part du système ; la pompe fournit du débit sur toute la courbe. La charge B est un processus stable où la demande de débit reste régulière la plupart du temps ; la pompe peut être dimensionnée de sorte à fonctionner de la manière la plus efficace la plupart du temps. La charge C est « probablement la situation la plus fréquente que nous rencontrons dans de nombreuses applications », explique Michael Laustsen. « La pompe est tout simplement surdimensionnée et elle fonctionne à un débit bien inférieur à celui pour lequel elle a été conçue. Il en résulte une efficacité réduite au niveau du moteur et de la pompe pendant une grande partie de la durée de fonctionnement. » Source : Grundfos

« La plupart des pompes de refroidissement sont surdimensionnées et le profil de charge C est celui que nous rencontrons le plus fréquemment », dit Michael Laustsen, « et pour ce profil de charge, la solution à régulation de température présente un avantage considérable. » En effet, comme le montre la figure 5, la régulation de température permet d'économiser jusqu'à 72 % d'énergie dans le présent cas.

La solution intelligente
Les cinq facteurs affectant le coût d'exploitation d'une application de refroidissement industriel peuvent être résumés comme suit :

• Rendement de la pompe et du moteur
• Mode de régulation
• Dimensionnement du système
• Profil de charge
• Pertes au niveau du système

C'est ici que les iSOLUTIONS Grundfos (solutions intelligentes) entrent en jeu. L'approche va au-delà de la pompe afin d'optimiser l'intégralité du système de pompage. Grundfos veille à identifier les besoins des consommateurs et les aide à prévenir les situations qui pourraient s'avérer coûteuses à long terme, par exemple en configurant un système de régulation de la pompe qui soit le plus intelligent et le plus efficace dans une application de refroidissement industriel.

« Nous formons nos vendeurs à expliquer les pour et les contre des différentes solutions applicables à leur application spécifique », souligne Michael Laustsen. « Certains clients diront, "cela ne m'intéresse pas, je ne vais pas payer plus pour installer un convertisseur de fréquence à côté", mais nous essayons toujours de leur expliquer clairement les coûts et les avantages liés à chaque option. Si vous construisez un nouveau système, plus vous nous contacterez tôt, mieux vous vous en sortirez. »

IMAGE : les usines tentent d'optimiser leurs processus, peu importe ce qu'elles produisent, explique Michael Laustsen. « Personne ne prend réellement la responsabilité de s'assurer du fait que le système de refroidissement fonctionne de manière efficace. »

Texte : Justyn Barnes





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