Le circuit frigorifique :

Dans une installation de chauffage central on réchauffe de l’eau, par exemple de 40 à 60°C. Dans l’installation frigorifique c’est le contraire, on refroidit l’eau par exemple de 10 à 5°C. L’installation de chauffage produit de la chaleur (des kcal ou des kJ). L’installation frigorifique enlève de la chaleur ou "produit du froid " (des frigories).

1 kcal = -1 fg = 4,18kJ

En fait, l’installation de chauffage central apporte de la chaleur à l’eau (ou à l’air). L’installation frigorifique retire de la chaleur à l’eau (ou à l’air). Dans les deux cas, il y a échange de chaleur.

Le but de l’installation frigorifique est donc de retirer de la chaleur directement du produit, ou de retirer de la chaleur à l’air ou à l’eau qui vont eux-mêmes retirer de la chaleur au produit.

Chaleur retirée au produit

Produit chaud

Produit refroidi

eau ou air eau ou air

refroidi chaud

eau ou air

"chaud"

produit produit

chaud refroidi

EXEMPLE DE CYCLE FRIGORIFIQUE A COMPRESSION

L'évaporateur :

C'est un échangeur qui assure la partie refroidissement, il est soit à air, soit à eau.

Pour pouvoir s’évaporer, un réfrigérant doit absorber une certaine quantité de chaleur. Considérons le montage suivant :

Une bouteille de R 12 alimente un évaporateur :

Dans la bouteille, le R 12 se trouve à l’état liquide sous une pression de 7 bar (correspondant à l’équilibre pression-température du R 12).

La vanne de la bouteille est ouverte.

Le réfrigérant s’écoule dans la conduite à la pression atmosphérique, correspondant à -29,8°C.

Le réfrigérant absorbe de la chaleur de l’air ambiant, qui passe de +27°C à +10°C, et passe de l’état liquide à l’état vapeur sans changer de température. L’appareil dans lequel ce changement s’effectue s’appelle un évaporateur.

A la sortie, le réfrigérant est passé complètement de la phase liquide à la phase vapeur, il est à -29,8°C. Il continue à circuler dans l’évaporateur mais cette fois, sa température augmente progressivement au fur et à mesure qu’il absorbe de la chaleur. En sortie d’évaporateur, il est à -20°C sous forme vapeur. On a alors une vapeur surchauffée d’environ 10°C (29-20).

dessiner ici tous les éléments entrant dans la composition du circuit frigorifique

Circuits à composantes multiples :

Un circuit à composantes multiples peut être défini comme un circuit dans lequel deux ou plusieurs composantes principales sont montées en parallèle. Ces composantes peuvent être des compresseurs, des condenseurs ou des évaporateurs. Du fait de la complexité des circuits à composantes multiples, nous n’étudierons dans ce manuel que les principes les plus courants et les plus importants du tracé des conduites.

La conception des circuits à composantes multiples doit tenir compte du retour de l'huile, de la protection du compresseur et de la protection à l'arrêt.

Nous étudierons tour à tour chacune des composantes principales du circuit. Nous commencerons par les compresseurs puis viendront les condenseurs et enfin les évaporateurs. Nous ne parlerons que brièvement des organes de détente.

Les compresseurs en parallèle :

Trois facteurs principaux doivent retenir l’attention dans la conception d’un circuit à composantes multiples. Ce sont :

• Le retour de l’huile
• La protection du compresseur
• L’influence de l’arrêt d’une des composantes sur le reste du circuit.

Le raccordement de plusieurs compresseurs en parallèle doit permettre l'égalisation des pression de refoulement, des pressions d'aspiration et bien sur de l'égalisation des niveaux de carter par des conduites appropriées.

L’huile doit être ramené au carter quelles que soient les conditions de fonctionnement. La présence de composantes multiples favorise les poches dans lesquelles l’huile risque de s’accumuler. Le tracé doit être tel qu’il interdise, dans la mesure du possible, l’accumulation de l’huile dans des portions du circuit, qui ne sont pas en fonctionnement. La tendance à l’accumulation d’huile et de fluide liquide dans les condenseurs et les évaporateurs augmente avec le nombre de ces appareils. Les circuits à composantes multiples comportent la plupart du temps un dispositif de réduction de puissance, qui complique encore le problème de retour de l’huile.

Lorsque deux ou plusieurs compresseurs sont montés en parallèle, on doit prévoir une égalisation des carters et des refoulements. Des pressions inégales d’un compresseur à l’autre peuvent entraîner l’accumulation de l’huile dans l’un des carters et donc des difficultés d’ordre mécanique.

L’arrêt d’une des composantes indépendamment des autres, entraîne des modifications importantes dans l’écoulement. Le tracé doit tenir compte de ces modifications, de façon à éviter les incidents de fonctionnement et les avaries d’ordre mécanique.

On doit prévoir des conduites d’égalisation sur les compresseurs montés en parallèle : égalisation au refoulement, égalisation à l’aspiration et égalisation d’huile. Nous considérerons d’abord la conduite de refoulement reliant plusieurs compresseurs à un ou plusieurs condenseurs, puis la conduite d’aspiration vers plusieurs compresseurs. Nous étudierons ensuite l’égalisation d’huile.

Il est important de remarquer que certains compresseurs ne sont pas conçus pour être montés avec d’autres. De tels compresseurs ne doivent jamais être montés en parallèle et ceci quelle que soit la conception du circuit.

Le mode de raccordement recommandé, de plusieurs compresseurs sur le collecteur de refoulement commun, est représenté par cette vue. Chaque conduite de refoulement individuelle descend vers le sol pour être raccordée au collecteur. Ce collecteur qui, pour une question de facilité d’accès, court le long du plancher, reçoit les gaz refoulés par chacun des compresseurs. La colonne descendante, à la sortie de chaque compresseur, empêche l’écoulement d’huile ou de fluide d’un compresseur en fonction vers un compresseur arrêté. C’est sur ces colonnes que seront montés les silencieux de refoulement.

Chaque compresseur comportant, en général, son dispositif de fixation souple propre, l’ensemble de la conduite doit présenter une souplesse suffisante pour permettre l’absorption des vibrations.

La disposition représentée ici est très souple et peut être facilement adaptée à un circuit quelconque. L’entraînement d’huile ne présente généralement pas de problème du fait de la densité élevée des gaz. Les gouttelettes d’huile, sont entraînées dans la veine de gaz, ou forment un film en mouvement sur la paroi du tube.

Cette vue représente un mode de raccordement incorrect, mais souvent utilisé. Les conduites individuelles de chacun des compresseurs sont disposées de telle sorte que les veines de gaz se contrarient. Une telle disposition entraîne un fonctionnement bruyant, l’apparition de vibrations et une perte de charge exagérée. Elle doit donc être rejetée.

Il nous faut aussi considérer le cas où les compresseurs en parallèle refoulent chacun dans son propre condenseur.

Comme il est rare d’avoir à raccorder plusieurs groupes de condensation à air en parallèle, nous n’envisagerons pas ce type de raccordement. Par contre, il n’est pas rare d’avoir à raccorder plusieurs groupes de condensation à eau. La méthode à adopter est représentée sur cette vue.

Comme on le voit, il faut prévoir une égalisation de gaz chauds, le diamètre du tube étant au moins égal à celui de la conduite la plus forte à raccorder. Cette égalisation a pour but d’uniformiser les pressions dans les divers condenseurs et d’empêcher ainsi, que des gaz chauds ne passent dans la conduite de liquide à travers l’un des condenseurs.

Les départs de liquide des différents condenseurs doivent être situés dans un même plan horizontal. On devra prévoir une colonne descendante d’au moins 300 mm entre la sortie de chaque condenseur et le collecteur commun.

Lorsque les compresseurs sont montés en parallèle, leurs carters doivent être reliés par une ou deux conduites d’égalisation. La hauteur des socles des compresseurs doit être telle que les niveaux normaux d’huile du carter, passent par un même plan horizontal. Lorsque le carter comporte deux prises d’égalisation, celles-ci sont reliées d’un compresseur à l’autre par deux conduites, comme représenté figure A. La conduite inférieure est au niveau normal de l’huile. Ne pas utiliser un orifice de vidange ou un orifice quelconque situé au-dessous du niveau normal, ce qui pourrait amener à vidanger le carter jusqu’à ce niveau. La quantité d’huile dans le carter risquerait alors d’être trop faible pour assurer une lubrification correcte.

La conduite supérieure est raccordée sur chaque carter, au-dessus du niveau de l’huile, de façon à assurer l’équilibrage des pressions d’aspiration.

on peut, pour dégager l’accès aux compresseurs, disposer les conduites tel que représenté figure B. L’égalisation d’huile descend jusqu’au sol ou en-dessous et l’égalisation des pressions remonte assez pour dégager l’accès au compresseur. Chaque carter comporte deux prises d’égalisation.

Lorsque les carters ne comportent qu’une seule prise d’égalisation, le raccordement peut s’effectuer comme représenté sur la figure C. Les prises et les tronçons communs doivent être largement dimensionnés. On peut également adopter la disposition représentée en D, dans laquelle l’égalisation se fait par une conduite unique. Celle-ci doit être horizontale et du même diamètre que la prise sur le carter.

Les conduites d’égalisation doivent présenter suffisamment de souplesse pour assurer l’absorption des vibrations du compresseur.

Les évaporateurs multiples

Quoique les dispositions susceptibles d’être adoptées avec plusieurs évaporateurs en parallèle soient innombrables, elles peuvent malgré tout être classées suivant deux catégories.

Les évaporateurs peuvent en effet être tous au même niveau, avec le compresseur au-dessus ou au dessous, ou bien ils peuvent être à des niveaux différents, avec le compresseur au-dessus ou au dessous.

La disposition de la sortie des gaz peut également varier d’un évaporateur à un autre. Elle est souvent située à la partie inférieure, ce qui assure l’écoulement de l’huile par gravité. Mais certaines batteries comportent un collecteur d’aspiration, dont la partie inférieure constitue une poche dans laquelle l’huile tend à s’accumuler. Un dispositif de purge d’huile est souvent prévu par le constructeur; dans le cas contraire, il doit être réalisé sur le chantier.

Les vues qui suivent ne représentent que quelques unes des dispositions possibles de la conduite d’aspiration.

Nous considérerons sur cette vue, des batteries dont les sorties sont situées au milieu ou à la partie supérieure et dont les raccordements sont tels que la vidange devient impossible. Des prises spéciales sont alors prévues pour permettre l’évacuation de l’huile. Ces prises sont raccordées à la conduite d’aspiration ou aux tubes d’égalisation des détendeurs, pour permettre l’écoulement de l’huile par gravité.

Les condenseurs multiples :

Mêmes précautions que pour les compresseurs, il faut veiller à l'égalisation des pressions et des niveaux.

Les condenseurs peuvent être en série ou en parallèle.

En série, l'un des condenseurs sert particulièrement à la désurchauffe donc en haute température, et possibilité de récupération de chaleur. Tandis que l'autre sert plus particulièrement au sous refroidissement et à l'accumulation de réfrigérant liquide, et parfois faciliter un démarrage en hiver.

Nous n’étudierons dans ce chapitre que les condenseurs montés en parallèle

Nous nous limiterons dans ce qui suit au cas des condenseurs à évaporation ou à air avec réservoir. Il est rare d’utiliser des condenseurs à eau en parallèle, et l’utilisation de condenseurs à évaporation ou à air sans réservoir constitue un problème complexe auquel il n’est pas recommandé de s’attaquer.

Nous ne traiterons pas du maintien de la pression de condensation, par le contrôle du nombre de ventilateurs en fonction. Il s’agit d’un problème différent dans chaque cas particulier. Le maintien de la pression de condensation constitue un sujet en soi, qui ne sera pas abordé ici.

Les conduites de liaison des condenseurs sur le collecteur de refoulement commun, doivent donner lieu à des pertes de charge sensiblement égales. Sinon le condenseur pour lequel la pression est la plus faible, tend à s’engorger.

La partie gauche de la figure représente une disposition susceptible d’être utilisée avec deux condenseurs en parallèle. Chaque conduite de liaison (partie encerclée) est dimensionnée pour une même perte de charge. Le collecteur de refoulement est légèrement surdimensionné pour que la perte de charge entre piquages soit négligeable; les conduites de liaison restent donc seules à considérer.

La partie de la figure en traits discontinus correspondrait au raccordement d’un nombre quelconque de condenseurs. Dans tous les cas, l’écoulement par gravité doit pouvoir s’effectuer librement entre le collecteur et les condenseurs.

Cette vue représente le tracé des conduites de condensats et de refoulement, dans le cas de deux évapo-condenseurs en parallèle. Remarquer que chacun des appareils comporte des conduites d’arrivée de gaz chaud, d’évacuation et d’égalisation propres. Chacune d’elles est munie d’un sectionnement, ce qui permet d’isoler l’un des appareils pendant que l’autre reste en route. Il est important que ces sectionnements soient étanches, sinon le fluide s’accumule dans l’appareil isolé et la charge du circuit en fonctionnement risque d’être insuffisante.

Le tracé de la conduite de refoulement doit répondre aux conditions exposées dans le paragraphe précédent, à savoir qu’elle doit donner lieu à la même perte de charge pour l’un et l’autre appareil.

Les conduites de condensats doivent être dimensionnées pour une même perte de charge, celle-ci étant aussi faible que possible. Ceci peut être obtenu en appliquant le même principe que précédemment : les diamètres des conduites de liaison entre chaque appareil et le collecteur commun seront déterminés pour obtenir une perte de charge uniforme, et le collecteur sera légèrement surdimensionné de façon à ce que la perte de charge entre les piquages soit négligeable.

La hauteur minimale X de la colonne de liquide dépend de la puissance de l’installation, mais les valeurs minimales varient généralement entre 200 mm pour les puissances inférieures à 20 000 fg/h et 450 mm pour les puissances jusqu’à 900 000 fg/h. Une purge de ¼ aux extrémités des conduites d’égalisation permet l’évacuation des incondensables.

Chaque évaporateur doit être alimenté par son détendeur propre, l’alimentation étant en général contrôlée par une vanne solénoïde, en amont du détendeur. Cette figure représente la disposition des détendeurs dans le cas de deux évaporateurs travaillant dans les mêmes conditions de charge.

Chacun de ces évaporateurs, travaillant indépendamment de l’autre, il faut veiller à ce que chaque détendeur soit influencé uniquement par les conditions qui règnent à la sortie de l’évaporateur qu’il dessert.

La position du bulbe du détendeur inférieur doit être telle, qu’il ne soit pas influencé par un écoulement éventuel de fluide liquide, en provenance de la batterie supérieure.

La pression dans la conduite d’égalisation de chaque détendeur doit être celle, qui règne à la sortie de l’évaporateur desservi.

Comme la perte de charge de la conduite d’aspiration est faible, on choisit pour le piquage du tube d’égalisation, l’endroit le plus commode en aval du bulbe.

Lorsque les évaporateurs sont situés à différents niveaux, au dessus du réservoir, les colonnes montantes de liquide doivent être disposées de façon à obtenir une répartition uniforme entre les détendeurs, de la vapeur susceptible de s’être formée. Des difficultés peuvent apparaître avec les colonnes montantes de plus de 7 m du fait de la réduction de pression qu’elles provoquent et de la vaporisation partielle qu’elles peuvent ainsi entraîner. Cette vaporisation partielle se traduit par une alimentation insuffisante de l’évaporateur et une chute de la puissance frigorifique fournie. Les batteries supérieures seront, à ce point de vue, les plus défavorisées car leurs détendeurs recevront le pourcentage le plus élevé de fluide en phase vapeur.

On peut pallier cet inconvénient en adoptant la disposition représentée sur cette figure. La vapeur formée dans chaque tronçon tend à s’écouler vers le détendeur le plus proche. Ceci évite au détendeur supérieur de recevoir toute la vapeur formée.

Cette méthode, applicable pour des colonnes montantes jusqu’à environ 14 m, permet de limiter les inconvénients de la vaporisation partielle, mais il est évident que la meilleure solution consiste à supprimer cette vaporisation par un sous-refroidissement suffisant. C’est la solution qui doit être retenue, à chaque fois qu’elle est possible.

Les colonnes montantes d'aspiration :

Le tracé de la conduite d’aspiration doit être tel, qu’il assure une répartition correcte de l’huile de retour entre les divers compresseurs. Si les aspirations de deux compresseurs sont reliées comme indiqué par le trait plein, les deux tronçons entre le collecteur commun et le compresseur sont égaux. Le trait discontinu correspond à un tronçon de liaison avec un troisième compresseur, il faut remarquer, et c’est un point important, que les tronçons vers chaque compresseur partent horizontalement à partir du collecteur. Cette disposition a pour but d’empêcher l’huile de s’écouler par gravité vers un compresseur arrêté.

Lorsque le collecteur d’aspiration est situé au-dessous des compresseurs, la répartition correcte de l’huile de retour peut être obtenue par l’une des dispositions indiquées sur cette vue.

Sur la figure de gauche, l’extrémité inférieure de chaque colonne montante coupée à 45°, vient buter à la partie inférieure du collecteur. Cette figure donne une vue agrandie de ce type de raccordement. Le diamètre de chaque colonne montante doit correspondre à la puissance du compresseur desservi.

Le diamètre du collecteur doit être tel que l’extrémité de la première colonne montante n’occupe pas plus de 50% de la section, sinon la section libre disponible pour la deuxième colonne montante risque d’être insuffisante.

Sur la figure de droite, le collecteur arrive au-dessous et entre les compresseurs. Les colonnes montantes vers chaque compresseur sont raccordées en bout du collecteur et perpendiculairement à celui-ci. L’huile de retour se répartit entre les deux compresseurs proportionnellement aux débits de gaz.

Le tracé de la conduite d’aspiration dépend des positions relatives de chaque évaporateur par rapport aux autres d’une part, par rapport au compresseur d’autre part.

Cette figure représente deux dispositions possibles lorsque les évaporateurs sont tous au même niveau, le compresseur étant situé à un niveau inférieur.

Dans la figure de gauche, le collecteur d’aspiration est situé au-dessus des évaporateurs, la liaison étant assurée par une colonne montante propre à chacun d’eux. La liaison colonne montante collecteur se fait généralement par des tés de réduction. Ceci empêche l’écoulement de l’huile par gravité, du collecteur dans la colonne montante d’une batterie non alimentée.

Dans la figure de droite, le collecteur d’aspiration est situé plus bas que les évaporateurs. La liaison batterie évaporateur se fait par un simple tube descendant. Le collecteur forme ensuite une lyre, dont la branche horizontale est plus élevée que le haut des batteries. Ceci empêche l’écoulement du fluide liquide vers le compresseur pendant les arrêts.

Le diamètre de la colonne montante de la lyre doit être déterminé de façon à assurer le retour de l’huile à charge minimale. Il peut être nécessaire de prévoir une double colonne montante lorsque la plage de réduction de puissance est étendue.

Cette vue représente deux dispositions possibles lorsque les batteries sont à des niveaux différents, le compresseur étant situé plus bas. Sur la figure de gauche, chaque évaporateur comporte sa propre colonne montante, dont la branche horizontale est plus élevée que le haut de l’évaporateur. Le raccordement sur le collecteur commun se fait par cette branche horizontale.

Sur la figure de droite, la colonne montante est commune aux deux évaporateurs; le collecteur commun forme ainsi une lyre dont la branche horizontale est surélevée par rapport à la partie haute de la batterie supérieure. Cette disposition convient pour deux évaporateurs superposés ou pour deux circuits d’une même batterie.

Le principe directeur à observer dans tous les cas, pour la liaison entre évaporateurs et collecteurs, est d’empêcher un écoulement d’huile d’un évaporateur vers un autre situé plus bas, quand ce dernier n’est pas alimenté.

Dans les deux vues précédentes les conduites d’aspiration formaient des lyres telles que celle représentée ici en traits pleins.

Quand on utilise le système de régulation " pump down control ", la lyre d’aspiration n’est plus indispensable et on peut adopter la disposition figurée en traits discontinus.

Tant que le système de régulation fonctionne correctement, la lyre est inutile. Pourtant, si le compresseur s’arrête avant d’avoir pu tirer au vide le côté BP du circuit, (par arrêt de l’alimentation électrique ou par action d’un organe de sécurité) la lyre assurera la protection du compresseur.

Il est donc recommandé de prévoir la lyre d’aspiration pour assurer la protection du compresseur en cas d’arrêt accidentel et ceci quoiqu’elle ne soit pas utile lorsque le " pump down control " fonctionne correctement.

La figure de gauche représente la disposition recommandée lorsque le compresseur est situé au-dessus d’évaporateurs au même niveau. La liaison entre chaque évaporateur et le collecteur commun situé au-dessus se fait pour des colonnes montantes individuelles. Chaque colonne montante peut alors être dimensionnée de telle sorte que le retour de l’huile soit assuré pour la charge minimale de l’évaporateur considéré.

La disposition représentée par la figure de droite peut donner de bons résultats, à condition que l’on prenne certaines précautions. Si la colonne montante est courte, on peut lui donner un diamètre suffisamment faible pour que le retour de l’huile soit assuré à charge minimum. L’influence de cette colonne sur la perte de charge totale est alors faible, et peut d’ailleurs être compensée en sur-dimensionnant légèrement le tronçon horizontal.

Lorsque le compresseur est situé au-dessus d’évaporateurs à différents niveaux, il est recommandé de les raccorder au collecteur commun, surélevé par rapport à la batterie supérieure, par des colonnes montantes individuelles. La liaison sur le collecteur de chacune des colonnes se fait par des tés de réduction, de façon à empêcher l’écoulement par gravité de l’huile du collecteur dans la colonne d’un évaporateur non alimenté.

La figure de droite présente une autre disposition. Les sorties des deux évaporateurs sont reliées à une colonne descendante commune qui forme un siphon à la partie inférieure. Le collecteur commun est piqué sur le siphon, qui est situé plus bas que la partie basse de la batterie inférieure. Le collecteur commun est piqué sur le siphon, qui est situé plus bas que la partie basse de la batterie inférieure. Avec cette disposition, le retour de l’huile à faible charge peut être assuré soit par une double colonne montante, soit en sous dimensionnant la colonne montante unique, à condition qu’elle soit assez courte pour ne pas occasionner une perte de charge exagérée.

• La conception des circuits à composantes multiples doit tenir compte :