Pourquoi l'humidité est le véritable ennemi de toute installation de congélation !

La température est importante, mais elle ne raconte que la moitié de l'histoire.

Si l'on demande aux exploitants d'installations frigorifiques ou de congélation quelle est la valeur de mesure la plus importante, la réponse est presque toujours : la température.

Après tout, c'est elle qui détermine si les denrées alimentaires, les médicaments ou d'autres produits sensibles à la température sont stockés en toute sécurité.

D'un point de vue thermodynamique, la température n'est cependant que le résultat de nombreux processus au sein d'une installation frigorifique. Le véritable « ennemi invisible » est souvent l'humidité de l'air.

En effet, chaque gramme de vapeur d'eau qui pénètre dans une chambre froide ou de congélation doit être laborieusement traité par l'installation frigorifique. Ce processus coûte des quantités considérables d'énergie, entraîne le givrage de l'évaporateur et dégrade à long terme l'efficacité de l'ensemble de l'installation.

Toutes les chaleurs ne se valent pas

De nombreux exploitants partent du principe qu'une installation frigorifique doit simplement refroidir de l'air chaud.

En réalité, l'air possède toutefois une capacité thermique et une masse relativement faibles. La plus grande partie de la charge thermique a une autre origine.

Lors d'une vague de chaleur, les éléments suivants se réchauffent :

• l'enveloppe du bâtiment,
• les murs et les plafonds,
• les sols en béton,
• les systèmes de rayonnage,
• les emballages,
• les équipements de manutention,
• les marchandises introduites,
• ainsi que tous les éléments d'aménagement.

Tous ces matériaux stockent l'énergie thermique et la restituent en continu à la chambre froide.

Parallèlement, le flux de chaleur à travers l'enveloppe du bâtiment augmente.

L'apport de chaleur peut être décrit de manière simplifiée par l'équation suivante :

Q̇ = U · A · ΔT

Plus la différence de température entre l'intérieur et l'extérieur d'une chambre froide est grande, plus l'apport de chaleur est important.

Une chambre de congélation avec une température intérieure de -20 °C présente déjà une différence de température de 40 Kelvin pour une température extérieure de 20 °C.

Si la température extérieure monte à 40 °C, cette différence passe à 60 Kelvin.

L'apport de chaleur à travers la même paroi augmente donc théoriquement d'environ 50 %.

L'installation frigorifique doit absorber en permanence cette énergie supplémentaire et la rejeter dans l'environnement via le condenseur.

Cependant, l'air ne transporte pas seulement de la chaleur, mais aussi de l'eau

L'humidité est un facteur encore beaucoup plus critique.

L'air chaud peut absorber nettement plus de vapeur d'eau que l'air froid.

Si la porte d'une chambre de congélation s'ouvre par une chaude journée d'été, ce n'est donc pas seulement de l'air chaud qui pénètre dans la chambre, mais aussi une grande quantité de vapeur d'eau.

Et c'est précisément cette vapeur d'eau qui devient le véritable problème.

Que devient la vapeur d'eau ?

Dès que l'air extérieur chaud rencontre l'évaporateur, plusieurs processus thermodynamiques se déroulent successivement.

1. Refroidissement de l'air

Dans un premier temps, l'air est refroidi.

Avec la baisse de température, sa capacité à stocker la vapeur d'eau diminue.

2. Atteinte du point de rosée

Si la température descend en dessous du point de rosée, la vapeur d'eau commence à se condenser.

La vapeur d'eau gazeuse redevient de l'eau liquide.

Ce changement de phase libère déjà des quantités d'énergie considérables qui doivent être absorbées en plus par l'évaporateur.

3. Congélation

Comme la température de surface d'un évaporateur dans une installation de congélation se situe souvent entre -25 °C et -35 °C, l'eau formée gèle immédiatement.

Il se forme d'abord du givre, puis de la glace sur les ailettes.

4. Refroidissement ultérieur

Le processus ne s'arrête pas là.

La glace formée doit ensuite être également refroidie jusqu'à la température de l'évaporateur.

Chacune de ces étapes nécessite une puissance frigorifique supplémentaire.

Pourquoi l'humidité coûte nettement plus cher en énergie que l'air sec

Le simple refroidissement de l'air sec ne représente qu'une part relativement faible de la charge thermique totale.

Les changements de phase de l'eau sont beaucoup plus énergivores.

Chaque gramme de vapeur d'eau doit être :

• refroidi,
• condensé,
• gelé
• puis ensuite refroidi jusqu'à la température de stockage.

C'est précisément cette chaleur latente qui représente une part considérable de la charge thermique totale.

C'est pourquoi l'air humide d'été sollicite souvent beaucoup plus une installation de congélation que l'air sec d'hiver, même si la température ne diffère que de quelques degrés.

Pourquoi les évaporateurs givrent plus vite en été

L'évaporateur est l'endroit le plus froid de toute l'installation.

C'est donc précisément là que se dépose la quasi-totalité de la vapeur d'eau qui pénètre dans la chambre froide.

À chaque ouverture de porte, la couche de glace sur les ailettes s'épaissit.

Ce givrage agit comme une isolation supplémentaire.

Cela dégrade le transfert thermique entre l'air et l'évaporateur.

De plus, le débit volumique d'air diminue, car la section de passage libre devient de plus en plus petite.

Les conséquences sont :

• une baisse de la puissance de l'évaporateur,
• des temps de fonctionnement prolongés des compresseurs,
• des cycles de dégivrage plus fréquents,
• une augmentation de la consommation d'énergie,
• une baisse du COP de l'ensemble de l'installation.

Un apport d'humidité initialement faible se transforme ainsi, étape par étape, en un cercle vicieux thermodynamique.

Pourquoi la température seule ne suffit souvent pas

De nombreuses installations maintiennent leur température de consigne sans problème pendant une longue période.

Pourtant, l'état de l'installation se modifie bien plus tôt.

L'augmentation de l'humidité de l'air entraîne dans un premier temps :

• un givrage croissant,
• des dégivrages plus fréquents,
• des temps de marche prolongés des compresseurs,
• une consommation d'énergie plus élevée.

Ce n'est que beaucoup plus tard que la température du produit commence finalement à augmenter lentement.

Celui qui surveille exclusivement la température détecte donc souvent cette évolution relativement tard.

Pourquoi température, humidité de l'air et point de rosée sont indissociables

Seule la combinaison de ces trois grandeurs de mesure permet une évaluation fondée de l'état de l'installation.

Le point de rosée peut être calculé à partir de la température et de l'humidité relative de l'air.

Le point de rosée décrit la température à laquelle la vapeur d'eau commence à se condenser.

Si la température de surface d'un évaporateur est inférieure à cette valeur, du condensat se forme – et dans les installations de congélation, immédiatement du givre ou de la glace.

Le point de rosée fournit donc une information importante sur la probabilité d'un givrage croissant.

Détecter précocement au lieu de réagir tardivement

C'est précisément pour cette raison que les capteurs de température et d'humidité LoRaFOXX mesurent non seulement la température, mais aussi l'humidité relative de l'air.

Dans le cloud PolarFOXX, ces valeurs de mesure sont évaluées en continu et le point de rosée est calculé automatiquement.

Cela permet de détecter les changements dans le comportement de l'installation beaucoup plus tôt qu'avec la seule température.

Une augmentation continue de l'humidité de l'air ou une modification du point de rosée peut, par exemple, indiquer :

• des ouvertures de porte fréquentes,
• des joints de porte endommagés,
• des rideaux d'air défectueux,
• un apport d'humidité accru,
• un givrage croissant,
• des cycles de dégivrage inefficaces
• ou une baisse de performance de l'installation

et ce, bien avant que des températures de produit critiques ne soient atteintes.

Ces informations précoces permettent justement de planifier de manière ciblée les mesures de maintenance, de réduire les pertes d'énergie et d'éviter les arrêts d'installation imprévus.

Perspectives : de la surveillance de la température à la surveillance intelligente des installations

La numérisation des installations frigorifiques évolue de plus en plus de la simple documentation de la température vers une surveillance basée sur l'état.

La combinaison de la température, de l'humidité de l'air, du point de rosée et d'évaluations intelligentes permettra à l'avenir de détecter précocement les changements d'état de l'installation et d'avertir les exploitants avant même l'augmentation de la consommation d'énergie ou la progression du givrage.

Car la température n'affiche souvent que le résultat.

La cause réelle commence généralement bien plus tôt, avec l'humidité.

Conclusion

La température reste l'une des grandeurs de mesure les plus importantes en génie frigorifique.

Cependant, pour évaluer l'état réel d'une installation frigorifique ou de congélation, il faut toujours prendre en compte l'humidité de l'air et le point de rosée calculé à partir de celle-ci.

Seule l'interaction de ces grandeurs de mesure permet de détecter précocement les changements thermodynamiques, de réduire le givrage et d'améliorer durablement l'efficacité énergétique d'une installation frigorifique.

Car souvent, ce n'est pas la température qui constitue le vrai problème.

Mais l'eau, contenue de manière invisible dans l'air.