Absence de givre dans les systèmes MIRAI : amélioration de l’efficacité énergétique du refroidissement

L’un des principaux avantages du système MIRAI Space Cooler réside dans l’absence totale de formation de givre dans la chambre refroidie. Cette caractéristique est essentielle pour les applications à ultra-basse température, où l’accumulation de givre peut rapidement dégrader les performances des systèmes frigorifiques traditionnels.

Dans les systèmes classiques à compression de vapeur, les surfaces d’échange thermique (évaporateurs) refroidissent l’air ambiant.

 Lorsque de l’air humide entre en contact avec ces surfaces froides, plusieurs phénomènes se produisent :

• condensation de l’humidité
• formation de givre
• accumulation progressive d’une couche de glace

Avec le temps, cette couche réduit significativement l’efficacité des échanges thermiques.

Le système MIRAI résout ce problème de manière innovante grâce à un dispositif spécifique permettant d’éliminer mécaniquement l’humidité.

Fonctionnement du ULT Space Cooler

Capteur de neige

Ce module capte et élimine les particules d’humidité et les cristaux de glace présents dans le flux d’air, avant qu’ils ne puissent se déposer sur les surfaces froides.

Ce mécanisme est particulièrement critique dans une plage de température comprise entre −40 °C et −130 °C, avec une utilisation typique entre −70 °C et −90 °C — zone dans laquelle la formation de givre constitue une limite majeure pour les systèmes conventionnels.

MIRAI INTEX ULT Space Cooler avec Snow Catcher installé dans la chambre

Démonstration du Snow Catcher

Transfert thermique et impact du givre

Du point de vue thermique, la formation de givre augmente la résistance thermique entre la surface refroidie et l’air.

La résistance thermique totale peut être exprimée comme suit :

h_air — coefficient de transfert de chaleur par convection côté air

h_air = 10–100 W/m²·K

δ — épaisseur de la couche
k — conductivité thermique du matériau

En conséquence, le coefficient de transfert thermique est :

Considérons un échangeur de chaleur simple avec une épaisseur de paroi de 1 mm. La conductivité thermique de l’acier inoxydable est d’environ 16 W/(m·K). En conséquence, les résistances thermiques de la paroi et du côté air sont :

Par conséquent, pour une surface propre, la résistance thermique totale sera :

En conséquence, le coefficient de transfert thermique pour une surface propre sera :

Effet d’une couche de givre

La conductivité thermique de la glace est d’environ 2,2 W/(m·K) à 0 °C et peut atteindre environ 3,5 W/(m·K) à −100 °C.

Cependant, en raison de sa structure poreuse, la conductivité thermique effective du givre est nettement plus faible. Par conséquent, la présence de givre entraîne une augmentation rapide de la résistance thermique de la surface d’échange de chaleur. Pour cette raison, il est important de prendre en compte l’influence du givre sur le transfert thermique.

Selon les recherches de la NASA, la conductivité thermique du givre dépend fortement de sa densité. Pour une densité typique du givre d’environ 300 kg/m³, la conductivité thermique effective est approximativement :

k_frost = 0,126 W/(m·K)

δ_frost = 1 mm

Par conséquent, pour la surface, la résistance thermique sera :

Résistance thermique totale du système :

Réduction relative de l’efficacité :

Ainsi, même une couche de givre d’une épaisseur de seulement 1 mm peut réduire l’efficacité du transfert thermique d’environ 19 %.

Considérons maintenant le cas où l’épaisseur du givre augmente.

Si la couche de givre atteint 3 mm, alors la résistance thermique devient :

Et le coefficient de transfert thermique sera :

Cela signifie qu’une couche de givre d’environ 3 mm réduit l’efficacité du transfert thermique de plus de 40 %.

Pourquoi la technologie MIRAI est plus économe en énergie

Dans les systèmes de réfrigération traditionnels, l'accumulation de givre est l'un des principaux facteurs qui réduisent l'efficacité opérationnelle au fil du temps. Lorsque l'humidité de l'air gèle sur des surfaces d'échange thermique froides, la couche de givre croissante agit comme une barrière isolante qui entrave le transfert de chaleur.

Ceci entraîne plusieurs effets négatifs :

• dégradation des échanges thermiques
• augmentation de la consommation énergétique
• baisse de la capacité de refroidissement
• nécessité de cycles de dégivrage

À mesure que la couche de givre s'épaissit, le système de réfrigération doit travailler plus intensément pour maintenir la température souhaitée. Les ventilateurs et les compresseurs travaillent plus intensément, ce qui consomme davantage d'électricité et accélère l'usure des pièces du système.

Pour continuer à bien fonctionner, les systèmes traditionnels déclenchent de temps à autre des cycles de dégivrage afin d'éliminer la glace accumulée. Mais ces cycles rendent les choses beaucoup moins efficaces.

Chaque fois que vous dégivrez, le refroidissement s'arrête, le système consomme plus d'énergie pour faire fondre la glace, la température à l'intérieur de la chambre devient instable et le système est moins disponible pendant une courte période.

Ces perturbations peuvent être particulièrement préjudiciables aux applications qui doivent fonctionner en permanence à des températures ultra-basses.

Le système Snow Catcher empêche la formation de givre en extrayant l'humidité de l'air avant qu'elle ne puisse se déposer sur les surfaces refroidies. Le système maintient les surfaces d'échange thermique propres pendant son fonctionnement en éliminant la cause du développement du givre.

Cette méthode garantit que :

• Les conditions de transfert de chaleur demeurent constantes dans le temps.
• Il n'y a pas de cycles de dégivrage
• le système fonctionne en continu
• L'efficacité thermique de l'échangeur de chaleur augmente.
• et l'efficacité énergétique globale s'améliore.

Par conséquent, le système MIRAI peut maintenir ses performances de refroidissement tout en consommant moins d'énergie et en ayant moins d'interruptions de fonctionnement. Ceci est principalement utile pour les applications à très basse température et les procédures de refroidissement à long terme.

Comparaison : autres systèmes vs systèmes MIRAI

Où cela est particulièrement important

Les avantages de la technologie MIRAI sont principalement significatifs dans les situations où des températures très basses doivent être maintenues de manière stable et fiable. Dans de nombreux environnements industriels et scientifiques avancés, même de faibles variations de température ou des interruptions du refroidissement peuvent entraîner la dégradation des matériaux, l'échec des expériences ou la défaillance des équipements.

Voici quelques utilisations courantes :

• stockage de matériaux biologiques et pharmaceutiques
• Tester le climat et l'environnement
• processus technologiques à ultra-basse temperature
• recherche scientifique et en laboratoire.

 Lors du stockage d'échantillons biologiques, de vaccins, d'enzymes et de matériels génétiques dans les secteurs de la biotechnologie et de la pharmacie, la température doit être maintenue entre −70 °C et −90 °C. Toute fluctuation de température pendant les cycles de dégivrage ou toute perte d'efficacité due à l'accumulation de givre peut endommager les échantillons et rendre le stockage moins fiable.

Dans les chambres d'essai climatique, les pièces et les matériaux sont placés dans des environnements à température contrôlée afin d'observer leur comportement dans des conditions extrêmes. Pour obtenir des résultats de test précis et reproductibles, les performances de refroidissement doivent être stables et prévisibles.

Dans les processus industriels à ultra-basse température, les systèmes de refroidissement peuvent fonctionner pendant de longues périodes sans interruption. L'efficacité énergétique et l'exploitation continue sont essentielles, car des cycles de dégivrage fréquents augmentent les dépenses opérationnelles et compromettent la stabilité du processus.

De la même manière, les laboratoires de recherche scientifique peuvent avoir besoin de maintenir leurs environnements thermiques très stables pendant de longues périodes pour leurs expériences. L'accumulation de givre sur les surfaces de refroidissement peut modifier la température, réduire l'efficacité du transfert de chaleur et entraîner un écart par rapport au protocole expérimental initialement prévu.

Les éléments les plus importants dans toutes ces applications sont :

1. equipment reliability
2. fiabilité des équipements
3. fonctionnement continu
4. consommation d'énergie minimale

Pour illustrer clairement l'impact du gel sur l'efficacité énergétique d'un système de refroidissement, il est pertinent d'examiner comment l'épaisseur de la couche de givre influence le coefficient de transfert de chaleur. Le graphique ci-dessous montre qu'une légère augmentation de l'épaisseur du givre rend l'échange de chaleur moins efficace.

À mesure que le givre s'accumule, la consommation d'énergie du système augmente, le coefficient de transfert de chaleur diminue et la résistance thermique s'accroît.

C'est pourquoi empêcher la formation de givre est l'une des choses les plus importantes à faire pour réduire la consommation d'énergie des systèmes de réfrigération.

Effet de l’épaisseur de la couche de givre sur l’efficacité du transfert thermique

Une fine couche de givre peut augmenter significativement la résistance thermique entre l’air et la surface de refroidissement. L’efficacité diminue d’environ 19 % pour une épaisseur de 1 mm et de plus de 40 % pour une épaisseur de 3 mm.

Dans les systèmes MIRAI, la formation de givre est évitée grâce au Snow Catcher, ce qui permet de maintenir un transfert thermique stable et une efficacité énergétique élevée.

Références

1. “Thermal Properties of Ice.” Engineering ToolBox.
   https://www.engineeringtoolbox.com/ice-thermal-properties-d_576.html
2. Processes, Vol. 9, Issue 3, Article 412. MDPI.
   https://www.mdpi.com/2227-9717/9/3/412
3. NASA Technical Report: Frost Properties and Modeling. NASA Technical Reports Server (NTRS).
   https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20110001592/downloads/20110001592.pdf