Thermofrigopompe - Refroidisseur/réchauffeur

Le refroidisseur-réchauffeur vinicole (pompe à chaleur ou PAC) permet de traiter directement le moût ou le vin. Cet appareil polyvalent (refroidissement et chauffage) est assez bien adapté au refroidissement des moûts ou des vins à basse température (du débourbage à froid jusqu'aux stabilisations tartriques).

Bien que permettant de limiter les températures trop hautes ou trop basses, il est en revanche mal adapté à une maîtrise correcte et régulière des températures de fermentation alcoolique et malolactique ainsi qu'au maintien régulier des températures de stabulation ou de macération, et complètement inadapté au chauffage des moûts à des températures supérieures à 35-40°C.

Refroidisseur - réchauffeur vinicole

Son utilisation intensive implique d'autre part un brassage important des moûts ou des vins avec les risques oenologiques qui en résultent (aération non contrôlée, trituration par les pompes etc.).

Présentation technique

Les refroidisseurs-réchauffeurs (ou pompe à chaleur ou PAC) - tout comme les groupes frigorifiques - comportent un circuit fermé comprenant les composants suivants : évaporateur - compresseur - condenseur - détenteur.
Dans ce circuit circule un fluide frigorigène. Ce gaz liquéfié s'évapore dans un évaporateur en absorbant des calories (source froide). Recomprimé par un compresseur, il se condense dans un condenseur en dégageant des calories (source chaude). Si le produit (moût, vin) est mis au contact de la source chaude (condenseur) l'appareil fonctionne en pompe à chaleur. Si le produit est mis au contact de la source froide (évaporateur) l'appareil fonctionne en groupe frigorifique.

Thermofrigopompe

Dans le secteur vinicole ces appareils peuvent au choix chauffer ou refroidir le moût ou le vin : ils sont réversibles.
Le cycle frigorifique est alors inversé au moyen d'une vanne à 4 voies qui permute le rôle des organes d'échange avec les deux sources. L'évaporateur (évacuant le froid) devient condenseur (évacuant le chaud) et réciproquement.

Schéma de fonctionnement d'un refroidisseur - réchauffeur

Schéma de fonctionnement d'un refroidisseur - réchaufeur

Certains matériels assurent simultanément le chauffage et le refroidissement : ce sont les thermofrigopompes. Chacun des deux modes de fonctionnement nécessite que les deux sources d'utilisation antagonistes soient contrôlées de façon à ce que l'équilibre des énergies soit toujours maintenu, c'est à dire :

Puissance calorifique = Puissance frigorifique + Puissance absorbée

Lorsque cet équilibre n'est pas atteint - ce qui correspond à la majorité des cas - il est nécessaire d'évacuer l'excédent. Une telle utilisation est peu réaliste en oenologie. C'est pourquoi ce type de matériel est très peu rencontré dans le secteur vinicole.

Schéma thermofrigopompe

Schéma de fonctionnement d'une thermofrigopompe

Eléments principaux

L'évaporateur

Tout liquide qui s'évapore absorbe de la chaleur. Le fluide frigorigène, en circulant dans l'évaporateur, passe de l'état liquide à l'état gazeux en absorbant la chaleur prise au produit à traiter, qu'ainsi il refroidit. L'évaporateur est donc un échangeur de chaleur où circule :

d'un côté, le fluide frigorigène,
de l'autre, le fluide à refroidir (vin, moût).

A la sortie de l'évaporateur, le fluide frigorigène, rendu gazeux, est alors aspiré par le compresseur. Il doit être construit en inox pour une utilisation directe sur le moût ou le vin.

Le compresseur

Animé par un moteur électrique, il aspire le fluide vaporisé dans l'évaporateur et le comprime: augmentant sa pression, il augmente sa température. Le fluide est refoulé à l'état gazeux à haute température et haute pression, ce qui lui permet d'être condensable.
Le compresseur consomme de l'énergie électrique par son moteur d'entraînement.

Le condenseur

Dans cet échangeur, le gaz frigorigène chaud cède sa chaleur au fluide extérieur (air ou eau) qui se trouve à un niveau de température plus faible. Ce transfert de chaleur aboutit à la condensation du gaz.
Le condenseur est donc un échangeur de chaleur dans lequel circule :

d'un côté, le fluide frigorigène,
de l'autre, le fluide à réchauffer (eau ou air).

A la sortie du condenseur, le fluide frigorigène se retrouve à l'état liquide et à haute pression.

Le détendeur

Lors de son passage dans le détenteur, la pression du fluide frigorigène diminue jusqu'à être ramenée à la pression de l'évaporateur, afin de faciliter sa vaporisation. Le cycle est ainsi bouclé.

* Dans un refroidisseur - réchauffeur l'évaporateur fait office de condenseur lors de l'inversion de cycle.

Mise en oeuvre

Schéma d'installation d'un refroidisseur-réchauffeur

La mise en oeuvre d'un refroidisseur-réchauffeur vinicole est d'une grande simplicité car ces appareils se raccordent directement sur une pompe à vin de type volumétrique (à palettes, à piston ou « queue de cochon ») et avec les mêmes raccords (habituellement au pas macon) utilisés dans les chais vinicoles.
Une sonde de température placée dans la canalisation ou dans la cuve permet de contrôler la température et un régulateur électronique permet d'arrêter le refroidissement ou le chauffage en fonction d'une température de consigne fixée par l'utilisateur.

Dans ce type de matériel, c'est l'évaporateur qui est relié à l'appareil par l'intermédiaire de tuyaux souples. Cet évaporateur fait alors office d'échangeur interne. Le moût ou le vin est refroidi ou réchauffé sans déplacement. Une sonde de température plongée dans la cuve et branchée à un régulateur permet d'arrêter le refroidissement ou le chauffage à une température de consigne fixée par l'utilisateur. Ce type d'appareil en général d'une puissance faible à moyenne intervient exclusivement dans le traitement des phases liquides (blancs, rosés).

Choix du matériel

Le refroidisseur-réchauffeur est surtout intéressant dans le cas de traitement thermique de moût lorsqu'on souhaite atteindre très rapidement de manière homogène une température donnée.
Les opérations faisant appel à ce type de matériel sont les chauffages ou les refroidissements de moût avec des écarts de température de moyens à grands (refroidissement des moûts de blanc, macération finale à chaud à température moyenne, refroidissement pour les stabilisations tartriques etc...).
Il peut également être utilisé dans les petites exploitations pour du rattrapage d'écarts de température lors des fermentations alcooliques ou malolactiques. Dans ce cas, son utilisation intensive entraîne un brassage important des moûts et des vins sauf dans le cas d'un appareil à échangeur mobile (voir plus haut).

La puissance thermique nécessaire pour l'opération à traiter ou pour l'ensemble du chai (voir chapitre « Evaluation des besoins thermiques ») va conditionner la puissance de l'appareil à mettre en place.
La puissance nécessaire d'une thermofrigopompe est donnée par la formule suivante :

Qappareil = Qnécessaire X 24 / TP utilisation
avec :
Qnécessaire : Puissance calculée lors du bilan thermique (W ou frig/h ou kcal/h)
TP utilisation : Durée d'utilisation quotidien de l'appareil *

* Il est déconseillé de laisser fonctionner cet appareil sans une surveillance (risque de rupture de tuyauterie, de surchauffe ou de sur-refroidissement).

Exemple de l'équipement du cuvier de vinification blanc (voir chapitre « Evaluation Besoins thermiques ») à l'aide d'un refroidisseur - réchauffeur :
Qnécessaire = 52000 frig/h TP utilisation = 15 h
Qappareil= 52000*24/15 = 83200 frig/h* (96.8 kW)
*Pour les conditions de températures de chaque opérations (air : 25 °C, moût à 15 °C)

Chaque appareil possède ses caractéristiques propres mais l'utilisateur ou le prescripteur doit retenir plusieurs règles, absolument générales, d'un grand intérêt pratique :

La puissance frigorifique d'un refroidisseur-réchauffeur augmente lorsque la température d'évaporation s'élève et la température de condensation s'abaisse .
La puissance calorifique d'un refroidisseur-réchauffeur diminue lorsque la température du condenseur s'élève et la température de l'évaporateur s'abaisse .
La plupart des refroidisseurs-réchauffeurs peuvent théoriquement atteindre des températures de -5 °C nécessaires au traitement de stabilisation des vins. Pratiquement, il faut alors disposer d'appareils conçus pour supprimer efficacement les phénomènes de givrage et entartrage (ex. : "Echangeurs à surface raclée").
Les refroidisseurs-réchauffeurs vinicoles actuels ne peuvent pratiquement pas dépasser des températures maximales de 35 à 40°C avec une puissance acceptable.
Les puissances thermiques pratiques d'un refroidisseur-réchauffeur tiennent compte à la fois des caractéristiques du compresseur, des conditions de travail (température ambiante et du vin à traiter), de la qualité des échanges au condenseur et à l'évaporateur et des équipements annexes (ventilateurs, pompes,...).

La puissance de l'appareil (une fois déterminée) doit donc être effective en fonction :

De la température de moût ou de vin souhaitée
De la température de l'air extérieur
Du fluide utilisé (R22, R407, R134a, Ammoniac)

Dysfonctionnement : Questions Réponses

Les refroidisseurs - réchauffeurs sont généralement munis d'indicateurs ou de voyants permettant de contrôler leur fonctionnement.

La pression de refoulement

(indicateur ou voyant H.P.)Elle est analysée par un pressostat qui contrôle l'efficacité du processus de condensation. Toute perte d'efficacité entraînant une élévation de pression est due à :

Des tubes sales dans le condenseur
Une diminution du débit d'air (panne de ventilateur) ou d'eau sur le condenseur.

La pression à laquelle le réfrigérant s'évapore (indicateur ou voyant B.P. ou L.P.)

Elle est contrôlée par un pressostat B.P. Une trop basse pression est due à :

Un manque de réfrigérant
Un détendeur défectueux
Un déshydrateur bouché
Un dispositif de réduction de capacité défectueux.

La température du fluide quittant l'évaporateur (indicateur ou voyant température)

Elle est mesurée par un thermostat basse température. Les principales raisons d'une basse température de vin sont les suivantes :

Une diminution du débit de vin (panne d'une pompe)
Un point de consigne trop bas.

Pression effective au compresseur

Elle est mesurée par un pressostat d'huile qui donne la différence entre la pression d'huile dans le circuit de lubrification et la pression du carter d'aspiration. Toute baisse de pression d'huile peut être causée par :

Un manque d'huile
Une pompe à huile défectueuse
La résistance d'huile détruite favorisant la condensation du réfrigérant dans l'huile.

Ce ne sont en fait qu'une partie des anomalies pouvant affecter l'appareil. Le but de ce paragraphe est surtout de familiariser l'utilisateur avec son fonctionnement, de donner les informations nécessaires pour analyser d'une façon précise un problème et de faire intervenir le SAV avec plus d'efficacité.

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