Pilotage des sources chaudes et froides

Un des points clés pour la réussite des essais menés sur le PAT ETM est d’assurer une alimentation correcte des échangeurs de la boucle principale en eau chaude et en eau froide. L’objectif principal est de reproduire des conditions de fonctionnement similaires à celles rencontrées lors de l’emploi de l’eau de mer, à savoir une alimentation en eau avec un débit et une température constante. L’avantage d’utiliser une PAC au lieu de ré-elles conduites d’eau de mer est alors de pouvoir tester dans une même journée des con-ditions été et hiver, mais également de définir des plans d’expériences regroupant l’en-semble des situations à tester. L’utilisation d’une PAC implique cependant de composer avec des comportements que l’on ne retrouverait pas sur une centrale ETM réelle. Tout d’abord, l’eau chaude et l’eau froide étant produit par la même PAC, cela implique un couplage entre le comportement côté chaud et celui coté froid qui n’existe pas dans l’eau de mer. Ainsi, diminuer la puissance de la PAC pour faire chuter la température de l’eau chaude peut également provoquer une augmentation de la température de l’eau froide… Ensuite, le fonctionnement du condenseur évaporatif de la PAC qui permet d’évacuer un excédent de chaleur vers l’air ambiant implique un impact des conditions météorologiques extérieures sur le comportement du système. Une variation de la température de l’air ex-térieur pourra ainsi faire varier les températures de l’eau dans le système et perturber l’établissement d’un régime permanent. De telles variations ne s’observeraient pas sur une centrale réelle en raison de la forte inertie de l’eau de mer. La bonne régulation et la maîtrise de la PAC et des boucles ZB et ZC est alors essentielle au bon déroulement des essais. Des stratégies de pilotage ont donc été mises au point et améliorées au c ours des différents essais pour permettre un fonctionnement optimal du cycle PAT ETM. Nous présentons dans ce paragraphe une description plus détaillée de la PAC et des boucles d’eau chaude et froide afin de pouvoir ensuite décrire les procédures de pilotage employée en cours d’essai.

Description de la pompe à chaleur (PAC)

La pompe à chaleur est un système découplé des autres boucles du site. En effet, la PAC possède son propre automate et une interface de commande séparée de celle du reste du banc d’essai. Il s’agit d’un cycle de réfrigération dont le fluide frigorigène est l’am-moniac. Ce choix permet de limiter le nombre de fluides utilisés sur le site et donc de simplifier les protocoles liés à la sécurité.

La PAC est constituée de quatre compresseurs, un condenseur, un condenseur-évapo-ratif (tour de refroidissement qui sera dénommée ci-après TAR par abus de langage), un détendeur, une Bouteille Basse Pression (BBP) et un évaporateur, comme le montre la Figure 43. L’ammoniac à l’état de vapeur est comprimé dans les compresseurs (Cp1 à Cp4). Le flux de vapeur sous pression est ensuite divisé en deux pour être condensé. Une partie de la vapeur est condensée dans un condenseur à tubes et calandre ( C) pour céder de la chaleur au circuit d’eau chaude du PAT ETM (ZB) tandis que l’autre se condense

dans la TAR en cédant de la chaleur à l’air ambiant. L’ammoniac condensé passe ensuite dans des détendeurs à flotteur HP (DET1 et DET2), qui régulent les niveaux de liquide dans la TAR et le condenseur, avant d’être conduit dans une bouteille basse pression (BBP) qui sert de tampon pour éviter un coup de liquide. Le liquide est alors conduit dans un évaporateur à plaques (E) où il s’évapore en prélevant de la chaleur au circuit d’eau froide du PAT ETM (ZC). La vapeur est alors reconduite vers la bouteille BP avant de revenir vers les compresseurs pour fermer le cycle frigorifique.

Les quatre compresseurs sont des compresseurs à piston avec une puissance électrique maximale de 37,5 kW chacun, soit au total 150 kW. La puissance maximale transférée au circuit d’eau chaude est de 450 kW, soit un COPchaud de 3. Les compresseurs peuvent fonctionner à trois niveaux de puissance : 33 %, 66 % ou 100% de leur puissance maxi-male. Cela permet d’ajuster la puissance nécessaire en fonction du besoin avec un premier réglage grossier. De plus, le compresseur Cp1 est quant à lui muni d’un variateur de fré-quence. La fréquence de ce compresseur peut donc être ajustée entre 20 Hz et 50 Hz pour un réglage plus fin de la puissance de compression nécessaire.

Par ailleurs, pour s’assurer que la température souhaitée du circuit ZB soit atteinte, une partie de la chaleur de la condensation de l’ammoniac peut être évacuée via un conden-seur-évaporatif (TAR) vers l’air ambiant. La fréquence du ventilateur de la TAR est ré-glable de 20 à 50 Hz ainsi que l’ouverture de la vanne V pour réguler le débit de vapeur vers la TAR. La régulation du fonctionnement de la TAR est délicate car la puissance thermique échangée dépend alors fortement des conditions extérieures, notamment la tem-pérature et l’humidité spécifique de l’air ambiant. En été sur l’île de La Réunion, l’air extérieur monte parfois à des niveaux de température qui rendent difficile l’évacuation de la chaleur.

Figure 43. Schéma de principe simplifié de la pompe à chaleur

E → Evaporateur ; C → Condenseur ; TAR → Tour Aéro-Réfrigérée ; DET → détendeur ; Cp → Compresseur

Description de la boucle d’eau chaude (ZB) et d’eau froide (ZC)

Les boucles ZB et ZC ont pour objectif d’alimenter les échangeurs de la boucle princi-pale ZP en eau avec les températures et débits de consignes souhaités. Comme cela a été présenté en Figure 41, ces boucles d’eau possèdent chacune un ballon d’inertie (BI) qui assure deux fonctions :

• découpler les débits d’eau circulant dans les échangeurs de chaleur de ceux cir-culant dans la pompe à chaleur et

• assurer une inertie sur la température de l’eau.

Ainsi, les débits d’eau circulant dans les échangeurs de la PAC sont assurés par les pompes EPEC2 et EPEF2 tandis que les débits circulant dans les échangeurs de la boucle ZP du PAT ETM sont assurés par les pompes EPEC1 et EPEF1, qui sont équipées toutes deux de variateurs de fréquence pour permettre le réglage des débits circulant dans les échangeurs. Pour un réglage plus fin sur une plus large plage de débit, des vannes réglables pneumatiques ont été placées en aval de ces pompes (les vannes VRQ1). Dans chacun des circuits ZB et ZC, une conduite de bypass de la bouteille d’inertie a été installée avec une vanne réglable VRT1, dont l’ouverture est complémentaire à celle de la vanne VRT2 me-nant à la bouteille d’inertie. L’ouverture partielle de la vanne VRT1 provoque donc une fermeture partielle de la vanne VRT2, maintenant ainsi le débit total d’eau circulant dans la boucle constant. Dans la boucle ZB, l’ouverture de la VRT1 permet ainsi de réduire finement la température de l’eau arrivant dans l’évaporateur E. En effet, seule une partie plus faible du débit circulant dans la boucle va dans le ballon d’inertie et bénéficie des apports de la PAC. Dans la boucle ZC, l’ouverture de la VRT1 permet à l’inverse d’aug-menter légèrement la température de l’eau arrivant dans le condenseur C si cette dernière est trop basse. Ces réglages sont destinés à un ajustement fin en cours d’essai pour com-penser des fluctuations de température liées au fonctionnement de la PAC.

Pour un ajustement plus grossier des températures sans modifier le fonctionnement de la PAC, des traverses ont également été installées, comme indiqué sur la Figure 41. Les traverses sont des conduites qui permettent de mélanger l’eau chaude et l’eau froide. L’ou-verture des traverses est utile dans plusieurs situations. Cela permet de faire fonctionner la PAC sans avoir à démarrer la boucle principale ZP. En effet, si on laisse fonctio nner la PAC sans appeler de puissance sur ZP, la température de l’eau froide peut atteindr e des valeurs très faibles et celle de l’eau chaude des valeurs très élevées, ce qui pose des pro-blèmes de sécurité. L’ouverture des traverses permet de limiter ces variations de tempé-rature. Les traverses sont alors ouvertes dans deux cas principaux : pour les opérations de vidange et de remplissage de la boucle ZP en ammoniac et la réalisation d’essai de fonc-tionnement à très faible puissance (faible débit d’ammoniac dans ZP).

Stratégies de régulation des températures des sources chaudes et froides.

Les températures de l’eau froide et de l’eau chaude peuvent donc être pilotées de plu-sieurs façons. Pluplu-sieurs ajustements sont possibles pour permettre à l’opérateur d’at-teindre et de maintenir une consigne de température, certains réglages étant plus grossiers et d’autres plus fins. Dans cet ordre, les différentes méthodes de régulation sont :

• L’ouverture et la fermeture des traverses

• La régulation de la fréquence du compresseur Cp1 et/ou le démarrage des autres compresseurs et de leurs paliers.

• La régulation de la fréquence du ventilateur de la TAR et l’ouverture de la vanne en amont de la TAR

• L’ouverture ou la fermeture des vannes VRT1 et VRT2.

En pratique, ces ajustements permettent, lorsque l’on souhaite réaliser un essai en ré-gime permanent, de compenser les variations de température que l’on peut observer qui sont dues notamment à des variations des températures de l’air ambiant qui modifient le fonctionnement de la TAR.