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Le Zytrachill - Page 7/7

Rédigé par David D. & Stephen M. - 03/11/2003
Catégorie : Phase-Change



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Tests du Zytrachill

Pour garantir un maximum de performances, j'ai finalement décidé de laisser le compresseur tourner tout le temps en retirant le thermostat qui commande l'allumage du compresseur. Comme il est refroidi par un ventilateur, ça ne pose pas de problèmes de surchauffe.

Pour montrer le bon fonctionnement du Zytrachill, on a effectué quelques petits tests de congélation avec de l'eau car n'ayant plus de PC avant un petit moment, je ne peux pas faire de tests avec des processeurs malheureusement.

Le test s'est fait en remplissant le réservoir quasiment jusqu'en haut, mais en laissant une marge de sécurité pour que la glace, qui prendra plus de place que l'eau liquide, ne vienne pas faire exploser le plexi sous la pression. En regardant les photos de près, on voit que le niveau de l'eau grimpe dans le réservoir au fur et à mesure de la prise en glace. Avec cette précaution, pas de risque d'éclater le réservoir car une fois que la glace atteint la paroi, il n'y a plus d'eau dans cette zone pour se congeler et induire une poussée sur le plexi (expérience de la bouteille d'eau pleine et à moitié vide dans le freezer). Le réservoir ainsi rempli contient un peu plus de 6 L d'eau, le niveau d'eau est repéré par la flèche rouge sur la photo ci-contre.

Voici, ci-dessous, les différentes photos de l'évolution de la congélation dans le réservoir. La durée du test a été de 70 min, l'eau du réservoir était intégralement congelée vers les -20 °C environ. Cliquez sur les photos pour agrandir :

T = 5 min T = 15 min T = 25 min T = 45 min T = 70 min

Dès la mise en marche du compresseur, la glace se forme quasi instantanément sur tout l'évaporateur. Une mince pellicule de glace va grossir au fur et à mesure que toute l'eau à environ 12 °C initialement va descendre vers 0 °C puis changer d'état pour se transformer en glace et atteindre les -20 °C vérifiée par le frigoriste (-25 °C en 2 min à l'évaporateur).

Sur la photo ci-contre, on aperçoit l'enveloppe de glace qui recouvre entièrement les spirales de cuivre (flèche rouge). Cette enveloppe joue le rôle d'isolant quand l'épaisseur devient importante, l'évaporateur perd alors un peu de son efficacité. Une fois que l'eau du réservoir arrive vers 0 °C, la transformation en glace qui demande beaucoup d'énergie (chaleur latente) se ralentit un peu à cause de cette isolation. L'eau très froide a du mal à faire fondre la glace et l'évaporateur est limité en absorption d'énergie car la glace proche de lui est presque à la température d'ébullition du gaz frigorigène.

En utilisation normale ça n'arrivera pas car le liquide de refroidissement ne gèlera pas et sera en mouvement... Si l'on fait un rapide calcul de thermodynamique pour passer 6 kg d'eau de 12 °C à -20 °C en 70 min, on obtient :

  • passer 6 kg d'eau de 12 °C à 0 °C demande 6 * 4190 * (12 - 0) = 301 680 J
  • passer 6 kg d'eau à 0 °C en glace à 0 °C demande 6 * 3,34.105 = 2 004 000 J
  • passer 6 kg de glace de 0 °C à -20 °C demande 6 * 2090 * (20 - 0) = 250 800 J

On a donc absorbé en 70 min, 301 680 + 2 004 000 + 250 800 = 2 556 480 J pour obtenir environ 6 kg de glace à -20 °C. Cela représente, sachant que 1 J/s = 1 W, 2 556 480 / (70 * 60) = 608 W d'absorption moyenne pour une consommation électrique d'environ 200 W. Cela représente une absorption moyenne en 60 min de 2 556 480 * 60 / 70 = 2190 kJ.

Tout ceci montre l'utilité d'un système à changement de phase puisque l'évaporation d'une unité de volume de fluide frigorigène absorbe plus d'énergie que le compresseur doit en fournir pour compresser cette unité de volume. Contrairement à un système purement mécanique, où il est strictement impossible d'avoir plus d'énergie convertie en travail utile que d'énergie fournie au système pour fonctionner (rendement inférieur à 1), un système frigorifique fait appel à des réactions thermodynamiques très gourmandes en énergie. La réaction d'évaporation est une réaction endothermique, c'est à dire qu'en se produisant elle absorbe l'énergie environnante pour se réaliser ce qui fait chuter la température. On ne parle donc pas de rendement (énergie utile/énergie fournie) car il serait supérieur à 1 ce qui n'a aucun sens, mais de coefficient de performance noté COP.

On obtient donc ici un COP égal à 3 : 600 W absorbés pour 200 W consommés. En pratique, on a des COP qui varient de 3 pour les machines frigorifiques normales jusqu'à 5 pour les machines les plus optimisées. On est donc bien dans la norme de performances mais on peut faire mieux. On voit bien qu'un petit compresseur d'une puissance de 75 W, s'il est bien monté et isolé, suffit largement à maintenir une eau fraîche proche de 0 °C pour un seul processeur car il sera capable d'absorber suffisamment d'énergie à l'évaporateur. Les choses se compliquent quand les sources de chaleur se multiplient : biprocesseur + GPU + chipset par exemple.

Si l'on veut des performances extrêmes, un compresseur puissant est donc nécessaire pour pouvoir absorber cette chaleur dans de bonnes conditions et avoir une température de liquide très basse.

Il faut savoir que plus l'on veut descendre bas en température, plus l'ambiant voudra réchauffer le réservoir, ce qui diminuera d'autant la capacité à refroidir du groupe. Il faut contrer l'apport de puissance extérieur en réalisant une isolation sans failles !

Bien sûr, il ne faut pas oublier que quoi qu'il arrive il y a équilibre entre la puissance que l'on rentre dans le Zytrachill (puissance compresseur + chaleur absorbée dans l'évaporateur) et ce que l'on en sort (air chaud du condenseur). On a donc un condenseur qui doit rejeter près de 700-800 W à l'extérieur et ce condenseur est effectivement assez chaud par rapport à son gabarit pendant les tests.

Une bonne ventilation de celui-ci est nécessaire pour évacuer le plus possible car plus il sera froid, plus le système sera performant et verra son COP grimper. S'il est mal refroidi, l'équation d'équilibre étant fixe, on a une capacité d'absorption moindre au niveau de l'évaporateur.

puissance absorbée au compresseur + puissance absorbée à l'évaporateur = puissance rejetée au condenseur

Tout ceci laisse donc présager des performances excellentes en situation réelle pour celui qui a acheté le Zytrachill, car il a déjà été vendu.

Pour concevoir un waterchiller et pour avoir les meilleurs performances possibles, il faut respecter certaines règles :

  • respecter la longueur du capillaire qui conditionne directement l'efficacité du système
  • surchauffer le fluide lors de son évaporation, c'est à dire avoir un évaporateur (+ ligne de succion) avec un grand volume interne possible pour évaporer à 100 % et absorber le maximum de chaleur
  • sous-refroidir le fluide lors de sa condensation, c'est à dire augmenter la surface d'échange du condenseur et le ventiler correctement pour que le fluide se liquéfie à 100 % le plus froid possible
  • isoler correctement toutes les parties froides pour éviter d'une part la condensation et d'autre part que l'ambiant n'apporte trop de puissance au système en le réchauffant inutilement
  • prendre soin du compresseur en le ventilant un peu pour éviter qu'il ne surchauffe
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