Récuperation de la chaleur des refroidisseurs à lait
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IntroductionTraduction de la fiche no 88-032, «Heat Recovery from Milk Cooling Systems», Centre de ressources agro-alimentaires, Collège de technologie agricole et alimentaire d'Alfred. Pour refroidir le lait, on en retire de l'énergie sous forme de chaleur. Cette énergie calorifique peut être relâchée par un condenseur refroidi à l'air, ou elle peut être transférée en totalité ou en partie à de l'eau à l'aide d'un condenseur refroidi à l'eau ou d'un prérefroidisseur à lait. Les condenseurs refroidis à l'eau et les prérefroidisseurs de lait réduisent le temps de fonctionnement du compresseur. Cependant, les plus grandes économies d'énergie (et d'argent) proviennent habituellement de la disparition d'une partie des frais liés au chauffage de l'eau. Dans la plupart des entreprises laitières, la chaleur disponible provenant du lait peut préchauffer plus d'eau qu'il n'en faut pour le lavage et l'assainissement normal. Le problème se résume au choix du «système de récupération de chaleur» fournissant uniquement la quantité d'eau tempérée requise par l'entreprise - avec un rendement du capital acceptable. Refroidissement du laitLe lait doit être refroidi de 39 °C (température corporelle de la vache) à 3 °C pour qu'il conserve sa qualité durant l'entreposage. Habituellement, on abaisse la température du lait au moyen d'une unité de réfrigération fonctionnant comme une pompe à chaleur - déplaçant la chaleur depuis la source (lait) jusqu'au dissipateur thermique (air ou eau), à l'aide d'un transporteur appelé réfrigérant (gaz fréon).
Figure 1. Schématisation de l'unité de réfrigération. Source de chaleur (lait) Évaporateur Réservoir à lait Détendeur Condenseur Dissipateur thermique (air ou eau) Énergie électrique Compresseur liquide à basse température et à basse pression gaz à basse température et à basse pression gaz à haute température et à haute pression liquide à basse température et à haute pression Lorsque le réfrigérant passe de l'état liquide à l'état gazeux dans l'évaporateur (réservoir de lait en vrac), il absorbe la chaleur du lait. Le compresseur pressurise le réfrigérant gazeux; ce dernier, comprimé et chaud, perd de la chaleur et revient à l'état liquide. Le condenseur permet d'extraire la chaleur du lait : selon le type et l'emplacement du condenseur, la chaleur peut se dissiper dans l'air de la laiterie, être expulsée à l'extérieur du bâtiment, ou être transférée à de l'eau. En traversant le détendeur, le réfrigérant liquéfié se dilate; il est prêt de nouveau à absorber la chaleur du lait. Récupération de la chaleurLes systèmes de récupération de chaleur ne modifient pas le cycle de base de la réfrigération. Ils modifient simplement le type et, le cas échéant, la combinaison de condenseurs servant à extraire la chaleur du réfrigérant. Les condenseurs refroidis à l'eau peuvent transférer à celle-ci toute la chaleur du réfrigérant, y compris une partie de l'énergie provenant du compresseur. Ce type d'unité est efficace et génère environ un litre d'eau préchauffée par litre de lait refroidi. Dans bien des cas, un tel volume d'eau est supérieur aux besoins normaux de lavage et d'assainissement des lieux et du matériel. Température de l'eauLa température moyenne de l'eau préchauffée par les condenseurs refroidis à l'eau se situe entre 50 et 60 °C. La température minimale pour le lavage (assainissement) du matériel de traite s'élève à 75 °C. L'eau ainsi tempérée doit donc être chauffée par des sources d'énergie traditionnelles si elle est destinée à l'assainissement. Cependant, de nombreux autres usages tels que le lavage des pis, l'alimentation des veaux et la douche des employés peuvent utiliser l'eau tempérée sans chauffage supplémentaire. Utilisation de l'eau préchaufféeAvant d'investir dans un système quelconque de récupération de la chaleur, on doit évaluer l'utilisation potentielle de l'eau préchauffée. Le rejet pur et simple de l'eau tempérée comme moyen d'évacuation de la chaleur peut s'avérer imprudent, surtout si l'approvisionnement en eau potable est limité.
Figure 2. Unité traditionnelle de condensation refroidie à l'air et compresseur dissipant la chaleur du lait dans l'air. Il n'y a malheureusement aucune règle générale quant aux besoins de la ferme en eau chaude. Les moyennes rapportées varient de 4 à 14 litres/vache par jour, la plupart étant inférieures à 10 litres. À moins qu'il existe un besoin considérable d'eau chaude outre le lavage courant (assainissement) du matériel et des installations, il est peu probable que plus de la moitié de la chaleur du lait puisse effectivement servir au préchauffage de l'eau. Heureusement, certains appareils sont conçus pour récupérer efficacement la moitié ou moins de la chaleur du lait. Le choix de l'appareil varie selon la puissance du système de réfrigération requis ou de celui déjà en place dans une entreprise laitière. Le lait est une source de chaleur fiable, puisqu'elle est disponible à chaque traite. À moins qu'on l'entrepose temporairement, cette chaleur doit être utilisée aussitôt car il faut refroidir le lait rapidement pour en maintenir la qualité. Toutefois, ce n'est pas une source de chaleur continue pouvant servir au chauffage d'un local comme l'étable à veaux. Par ailleurs, elle n'est pas requise à longueur d'année pour ce type d'application. Le chauffage du plancher du puits du salon de traite au moyen de l'eau tempérée est également possible dans les nouveaux bâtiments. Si des stalles de préparation automatique sont utilisées, le volume d'eau chaude nécessaire peut justifier la récupération totale de la chaleur du lait. À l'heure actuelle, aucune autre utilisation commune à l'ensemble des entreprises laitières de l'Ontario ne semble viable au plan économique. Si les prix de l'énergie augmentent de façon appréciable, il pourrait s'avérer avantageux d'alimenter le chauffe eau de la maison avec de l'eau préchauffée. Bien que seulement réalisable avec les très gros troupeaux, le chauffage de la piscine constitue une autre utilisation possible de l'eau tempérée. Évaluation de la consommation actuelle d'eau chaudeEn évaluant avec précision la quantité d'eau chaude (75 à 77 °C) ou tempérée (50 à 60 °C) utilisable efficacement, les fournisseurs d'équipement laitier de la région seront en mesure de recommander pour chaque entreprise le système de récupération de chaleur le plus efficace en regard du coût. Dans les endroits où un chauffe-eau traditionnel est déjà en place, l'installation d'un compteur à eau sur l'alimentation en eau froide demeure la méthode la plus précise. De le cas des chauffe-eau électriques déjà installés, il existe deux autres méthodes permettant d'évaluer la consommation d'eau chaude. La première repose sur l'installation temporaire d'un compteur de kilowatts-heures. La période visée par le relevé de l'énergie consommée ne doit pas être inférieure à deux jours et s'étend de préférence sur dix jours. Pour les chauffe-eau situés dans des endroits froids fournissant de l'eau à une température de 75 à 77 °C, on peut estimer la quantité d'eau chaude à environ 10 litres par kWh dépensé. Exemple : un chauffe-eau électrique utilise 360 kWh sur une période de 12 jours; la consommation moyenne d'énergie s'élève à 30 kWh/jour, et celle d'eau chaude, à environ 30 x 10 = 300 litres/jour. Si l'on ne dispose pas d'un compteur de kilowatts-heures, on aura recours à la seconde méthode, qui consiste à relier au circuit du chauffe-eau une minuterie cumulative ou un ampèremètre. Un tel dispositif fournira une moyenne quotidienne du temps de fonctionnement du chauffe-eau. Après vérification de la puissance de l'élément chauffant, on utilisera le tableau 1 pour estimer la consommation d'eau chaude.
* Basé sur 10 L/kWh; on suppose une perte fixe de chaleur de 33 % environ. Si le relevé est effectué par temps chaud, la consommation réelle d'eau chaude doit être majorée de 10 à 15 %. ** Basé sur le fait que les éléments du haut et du bas sont de même puissance et qu'un seul est en fonction à la fois - ce qui est la situation normale dans tous les nouveaux chauffe eau électriques. Systèmes de récupération de chaleur
Figure 3. Gros réservoir vertical contenant toute l'eau tempérée du refroidissement du lait.
Figure 4. Le désurchauffeur complémentaire (à droite) est muni d'un réservoir d'entreposage intégré et fournit de l'eau préchauffée au chauffe-eau (à gauche). Aspect économiqueL'attrait économique de la récupération de la chaleur du lait repose avant tout sur la quantité d'énergie épargnée dans le chauffage de l'eau. Même si les condenseurs refroidis à l'eau, les récupérateurs de chaleur et les prérefroidisseurs diminuent le temps de fonctionnement du compresseur, on dispose de peu de données sur les économies d'énergie qui en résultent. Lorsqu'ils sont de puissance adéquate et bien entretenus, les condenseurs traditionnels, refroidis à l'air, fournissent généralement un rendement satisfaisant en abaissant la température du lait assez rapidement pour que les normes de qualité du lait soient respectées. Cependant, dès le moment où s'imposent des améliorations ou des modifications au système de réfrigération, on devrait envisager l'installation d'appareils de récupération de chaleur afin de réduire les frais de chauffage de l'eau.
Figure 5. Économies possibles d'énergie (dollars) par le transfert à l'eau de la chaleur du lait - en fonction de la production laitière quotidienne et de l'utilisation d'eau tempérée. La figure 5 illustre à l'aide d'exemples applicables à la plupart des entreprises laitières de l'Ontario un éventail de possibilités quant au retour sur l'investissement engagé dans le matériel de récupération de chaleur. L'exemple A représente une ferme laitière de taille moyenne (35 vaches en lactation) produisant 750 L de lait quotidiennement et utilisant 250 litres d'eau chaude par jour (7 L/vache/jr). Le tiers de la chaleur du lait suffit à préchauffer un tel volume d'eau. Au coût de l'électricité de 0,05 $/kWh comme source d'énergie de rechange, on réaliserait une économie annuelle de 210 $ pour le chauffage de l'eau. En 1988, le prix d'un petit désurchauffeur complémentaire (190 L) s'élevait à environ 1400 $. La période de récupération du capital investi n'est donc pas particulièrement intéressante car elle s'étend sur sept ans - simple remboursement, aucun intérêt compris. Dans cet exemple, la chaleur additionnelle nécessaire au chauffage de toute l'eau requise pour l'assainissement représente environ la moitié des frais de chauffage de l'eau avant l'installation du système. Par contre, l'exemple B illustre une entreprise laitière beaucoup plus grande. La récupération de la chaleur du lait y est fort intéressante, compte tenu que, chaque jour, la production laitière s'élève à 2150 L et que la quantité d'eau chaude utilisée constitue 70 % de la quantité maximale d'eau qu'on pourrait tempérer par la chaleur du lait. Au coût de l'électricité de 0,05 $/kWh, on réaliserait une économie annuelle de 1300 $ pour le chauffage de l'eau. Les frais de 3900 $ engagés dans l'achat du désurchauffeur seraient alors récupérés en trois ans, intérêt exclus. Une grande part de l'eau tempérée (50 °C) pourrait servir directement pour les douches, le nettoyage des installations, etc. Résumé
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