L'évaporateur

Théorie de l'évaporateur :

Rappelons que la réfrigération constitue un procédé de transfert de la chaleur, d’un endroit où elle est indésirable vers un endroit où elle ne gêne pas. L’évaporateur est l’élément du circuit frigorifique, à travers lequel cette chaleur indésirable est transmise au fluide frigorigène, en vue d’être transférée au condenseur où elle sera absorbée puis rejetée par un intermédiaire de condensation, air ou eau. Nous dirons que l’évaporateur est l’ouverture à travers laquelle la quantité de chaleur indésirable s’écoule dans le système frigorifique. L'évaporateur est donc l'élément du circuit frigorifique à travers lequel la chaleur est transmise au fluide frigorigène. Donc la température d'évaporation doit toujours être inférieure à la température du milieu à refroidir. La chaleur absorbée par l'évaporateur est égale à la chaleur cédée par le milieu en cours de refroidissement.

Prenons un évaporateur très simple, constitué d’un tuyau en serpentin, relié à une bouteille de frigorigène. Supposons que la perte de charge à travers le tuyau est nulle.

La pression du réfrigérant est réduite à la valeur de la pression atmosphérique à la sortie de la bouteille.

Le frigorigène R12 liquide a, sous la pression atmosphérique, une température d’évaporation de -29,8°C.

Plaçons cet évaporateur élémentaire dans une pièce où la température relevée est de 21°C. La chaleur contenue dans l’air chaud de la pièce se transmet au frigorigène froid à travers les parois du serpentin. Un tel serpentin est appelé " évaporateur ", car le fluide frigorigène s’y évapore à l’intérieur. L’absorption de chaleur qui accompagne la vaporisation du frigorigène produit un effet de refroidissement. Il suffirait de loger le serpentin à la partie haute d’un réfrigérateur pour en refroidir l’intérieur, le frigorigène échappant librement à l’atmosphère.

Représentons l’évolution de l’état du fluide frigorigène sur un diagramme " température-enthalpie " à son passage dans cet évaporateur. Sur le diagramme, l’ensemble de la zone à droite de la ligne 1, représente le fluide frigorigène à l’état gazeux. La zone située à gauche de la ligne 2, représente le fluide frigorigène à l’état liquide. La zone comprise entre les ligne 1 et 2, représente un mélange de gaz et de liquide. On a choisi pour cet exemple du fluide frigorigène 12 à 2,6 kg/cm² effectif. Les tables " température-pression " du fluide indiquent pour cette valeur de la pression une température d’évaporation de +4,4°C. Le liquide frigorigène dosé par l’organe de détente, pénètre dans l’évaporateur à une température de 4,4°C, dont le point figuratif est " A ". En ce point, le fluide frigorigène est un mélange d’environ 91,3% de liquide et 8,7% de vapeur. La vapeur du mélange provient de l’évaporation d’une faible partie du fluide frigorigène destinée à abaisser la température du liquide restant à la température d’évaporation. La température du liquide qui arrive au contact des tubes de l’évaporateur, est inférieure à celle de l’espace environnant à refroidir. La chaleur de l’espace environnant passe dans le liquide et provoque l’évaporation d’une nouvelle quantité de ce liquide. Ce processus se produit jusqu’à l’évaporation complète du liquide, avec pour point figuratif " B ". Au point B, il ne reste plus de liquide frigorigène présent dans le mélange, et toute nouvelle addition de chaleur augmente la température de la vapeur frigorigène et la surchauffe. La vapeur du frigorigène quitte l’évaporateur à la température de +10°C avec une surchauffe de 5,6°C, comme représenté au point " C ".

L’examen plus détaillé du diagramme montre que la quantité de chaleur contenue dans le frigorigène ne varie pas lors de son passage à travers l’organe de détente, dont la représentation figure entre le point " X " de la ligne 2 et " A ". Au point " A " figure cependant un mélange du frigorigène composé de 8,7% de vapeur avec un contenu de chaleur de 45,9 kcal, et environ 91,3% de liquide avec un contenu de chaleur de 9,4 kcal, soit représentant la quantité de chaleur 12,6 kcal contenue dans le mélange. Les 3,2 kcal de chaleur (12,6 - 9,4), nécessaires au refroidissement du frigorigène lui-même, entre 18,3°C point " X ", et 4,4°C point " A ", ne participent pas à la production de froid dans l’évaporateur. Cette question sera étudiée en détail dans le chapitre VI se référant aux organes de détente.

Tout au long de son passage dans l’évaporateur, du point " A " au point " B ", le frigorigène liquide absorbe de la chaleur et se vaporise. Au point " A " le contenu de chaleur du fluide frigorigène est de 12,6 kcal/kg. Au point " B ", le liquide s’est complètement évaporé, totalement vaporisé. La température de la vapeur frigorigène formée est de 4,4°C, et son contenu de chaleur est 45,9 kcal/kg. La vapeur du frigorigène continue son parcours dans l’évaporateur jusqu’au point " C ", où son contenu de chaleur atteint 46,6 kcal. Le gaz a donc reçu un complément de 0,8 kcal/kg. Tout le liquide ayant été évaporé, cet apport correspond à un gain de chaleur sensible, qui accroît la température du frigorigène de 4,4 à 10°C. Les chiffres figurant en abscisse indiquent que chaque kilogramme de fluide frigorigène qui passe dans l’évaporateur de A à C absorbe 34,1 kcal de chaleur. Cette chaleur se répartit en 33,3 kcal de chaleur latente qui correspondent à la vaporisation du fluide frigorigène et en 0,8 kcal de chaleur sensible, d’où il résulte une élévation de la température du frigorigène. Ces résultats soulignent que, pour une grande part, la chaleur extraite du milieu à refroidir est de la chaleur latente, c’est-à-dire de la chaleur absorbée par le frigorigène lors de la vaporisation.

Un des concepts de base conduisant à l’établissement de l’évaporateur peut s’énoncer ainsi : la chaleur reçue par le fluide frigorigène doit être égale à la chaleur cédée par le milieu refroidi. Soit un évaporateur dont les quantités d’air et de fluide frigorigène sont donnée suivants le croquis ci-joint. Le débit du fluide frigorigène dans l’évaporateur est de 4,5 kg. En considérant un échange sans surchauffe, chaque kilogramme de fluide reçoit entre A et B, 33,3 kcal. Dans le même temps, 91 mètres cubes d’air traversent l’évaporateur. La chaleur reçue par le frigorigène résulte de la chaleur cédée par l’air, dont la température décroît de 21 à 15°C. Le tableau suivant vérifie à l’aide de ces chiffres le principe que nous venons d’énoncer.

kg de frigorigène x chaleur reçue/kg = kg d’air x chaleur cédée/kg

4,5 x 33,3 = ( 91/0,815 ) x 0,24 x 5,6 = 150

GAIN = PERTE

La vue ci-contre représente le bilan calorifique d’un évaporateur, 4,5 kilogrammes de fluide frigorigène traversent l’évaporateur. On sait que chaque kilogramme de frigorigène reçoit en traversant l’évaporateur, 33,3 kcal de chaleur. La chaleur totale reçue par le fluide sera donc égale à :

33,3 x 4,5 = 150 kcal.

Dans le même temps, 91 mètres cubes d’air traversent l’évaporateur.

Le calcul de la quantité de chaleur cédée par l’air nécessite la conversion du débit-volume en débit-masse air. On effectuera le quotient de 91 par 0,815, correspondant au volume spécifique de l’air dans l’exemple choisi.

Rappelons que la chaleur spécifique de l’air est 0,24 et que selon le tableau précédent l’air pénétrait dans l’évaporateur à une température de 21°C et en ressortait à 15°C. La chaleur cédée par l’air est égale au produit du débit-masse air par la chaleur spécifique de l’air, multiplié par l’écart de température mesurée, soit :

( 91/0,815 ) x 0,24 x 5,6

Le résultat de ce produit, 150 kcal, exprime la quantité de chaleur cédée par l’air. Cette quantité de chaleur est donc égale à la chaleur reçue par le fluide frigorigène.

Il existe deux type d’évaporateurs, Ce sont : l’évaporateur sec ou à détente directe, et l’évaporateur noyé. Les deux types diffèrent par la méthode de circulation du fluide frigorigène.

L’évaporateur sec indiqué à gauche de la vue ci-contre est constitué d’une tuyauterie continue, qui comporte à son entrée un organe de détente et dont la sortie est reliée à la conduite d’aspiration. Ce type d’évaporateur est conçu pour un parcours unique du liquide ou du gaz, n’impliquant pas la recirculation du fluide dans l’évaporateur - ou la séparation en un de ces points des phases vapeur et liquide - Dans un but de comparaison avec l’évaporateur noyé, l’alimentation a été placée à la partie basse de l’évaporateur.

L’évaporateur montré à droite est un évaporateur noyé. Ce type d’évaporateur a été conçu avec un séparateur de liquide en vue d’assurer la recirculation du fluide frigorigène. Le frigorigène liquide pénètre dans la chambre de séparation à travers l’organe de détente et il s’écoule dans le tube inférieur de l’évaporateur. Il entre en ébullition tout au long de son passage dans l’évaporateur. Le liquide présent dans le mélange à la sortie de l’évaporateur, est séparé de la phase vapeur dans la chambre de séparation, d’où il effectuera un nouveau passage dans l’évaporateur. Le contrôle de niveau de liquide et la remise en circulation du liquide non évaporé, permettent à l’évaporateur noyé de maintenir le contact de toute la surface du serpentin avec le fluide frigorigène, sous n’importe quelle condition de charge. Quoique les deux types d’évaporateur dessinés ci-dessus aient un circuit unique, on trouvera également des évaporateurs à circuits multiples.

Il existe de nombreux types d’évaporateurs, à air, à eau, à tubes lisses, à ailettes, à plaques, à virole etc..

Les évaporateurs sont généralement conçus en fonction de l’usage auquel on les destine et l’on ne peut affirmer la supériorité d’un type avant d’en définir l’application.

Cette vue représente deux types d’évaporateurs à tubes lisses. A gauche, nous voyons un évaporateur à serpentin unique. Adroite, ce sont des séries de serpentins raccordées à un collecteur commun.

L’évaporateur de gauche est à circuit unique et celui de droite, à circuits multiples. La disposition en circuits multiples présente l’avantage de réduire le nombre d’organes de détente et aussi de simplifier la tuyauterie. Le serpentin à tube lisse convient aussi bien aux évaporateurs secs, qu’aux évaporateurs noyés. On le rencontre surtout dans les entrepôts réfrigérés à cause de sa simplicité et de sa relative commodité pour le nettoyage et le dégivrage. Il est couramment utilisé dans la constitution des évaporateurs immergés qui garnissent les bacs de refroidissement de saumure.

L’illustration ci-contre représente une application du montage d’une batterie à tubes lisses dans une unité de ventilation. La vitesse élevée de l’air accroît la capacité de la batterie, en amenant en contact avec la surface de refroidissement, une plus grande quantité d’air dans un temps donné. Dans les évaporateurs à circulation naturelle, la circulation de l’air résulte des différences entre les densités de l’air chaud et l’air froid.

Au fur et à mesure que l’air vient en contact avec les tubes de la batterie, il se refroidit, devient plus dense et se déplace vers des zones inférieures. Aussitôt, de l’air chaud le remplace, enveloppant à son tour la surface de contact des tubes et le cycle se répète. Le procédé de convection de l’air est relativement lent et limite la capacité de l’évaporateur à l’absorption de quantités de chaleur relativement faibles, dans un temps donné. Le débit d’air à travers une batterie pourra être accru avec l’utilisation d’un ventilateur, ainsi que le montre la figure. Le ventilateur augmente le débit d’air chaud qui entre en contact avec les tubes et accroît ainsi la capacité de l’évaporateur.

Ce type d’évaporateur convient particulièrement aux espaces réfrigérés dans lesquels les températures sont inférieures au point de givrage et qui supportent bien les vitesses de déplacement élevées de l’air. Il peut être sec ou noyé, selon l’application. On parvient à accélérer le dégivrage et à accroître la capacité de l’équipement en lui incorporant une circulation de saumure à jet pulvérisé.

Cette figure représente un évaporateur à circulation naturelle de l’air, constitué d’un faisceau de tubes garnis d’ailettes. Les ailettes ont été ajoutées aux tubes lisses dans le but d’augmenter la surface de contact de l’évaporateur avec l’air. Ce procédé permet d’augmenter le transfert de chaleur et la capacité de l’évaporateur. Il est couramment utilisé pour la réfrigération des vitrines d’exposition ou chez les fleuristes etc...

L’une des propriétés de l’air devient importante en matière d’évaporateurs; C’est le point de rosée. On appelle point de rosée la température à laquelle l’humidité de l’air commence à se condenser lorsque l’air est refroidi.
Une autre propriété de l’air, l’humidité relative, est fréquemment mentionnée en relation avec les évaporateurs. On appelle humidité relative le rapport de la quantité de vapeur d’eau contenue dans l’air à la quantité de vapeur d’eau maximum que l’air peut contenir à la même température. La valeur de l’humidité relative est considérée comme un facteur important dans la détermination du confort humain.

L’air contient toujours de l’humidité à l’état de vapeur. Par refroidissement de l’air, on pourra réaliser la condensation de cette humidité, que l’on extraira à l’air. Ce principe est largement utilisé dans le domaine du conditionnement de l’air pour contrôler le pourcentage d’humidité. Dans un équipement frigorifique, la température d’évaporation est souvent inférieure au point de congélation de l’eau qui est 0°C. Dans ce cas, la vapeur d’eau condensée est susceptible de se transformer en glace. Il en résulte une perte de capacité de l’évaporateur, par l’apparition de givre qui recouvre le serpentin de l’évaporateur. Ce givre joue le rôle d’isolant et retarde le transfert de chaleur. Afin d’éviter les pertes de capacité, on dégivrera donc à intervalles périodiques les évaporateurs fonctionnant à des températures d’évaporation inférieures à 0°C.

Voici l’exemple d’un évaporateur à tubes ailetés, auquel on a ajouté un ventilateur pour augmenter la capacité. L’augmentation de la surface d’échange avec l’addition d’ailettes l’accroissement du débit d’air à travers l’évaporateur, permettent le transfert d’une plus grande quantité de chaleur par unité de longueur de tuyauterie. Il s’ensuit qu’un évaporateur à circulation forcée de petite taille peut effectuer le même travail de refroidissement qu’un évaporateur à circulation naturelle ou à tubes lisses, de dimension beaucoup plus importante. Ajoutons qu’une diminution de l’encombrement réduit normalement le coût du refroidissement. Pour ces raisons, cet évaporateur est le plus usité dans les applications de conditionnement d’air. Il est surtout pratique lorsque l’espace disponible est limité. Utilisé avant tout avec les fluides frigorigènes employés pour le conditionnement d’air, il est presque toujours compris dans la catégorie des évaporateurs secs. L’écartement entre ailettes peut être modifié au moment de la construction en fonction de l’application envisagée.

Soit un évaporateur à tubes ailetés pour lequel figurent les quantités d’air et de fluide frigorigène véhiculés, avec leurs températures. Ces données sont établies en vue de la détermination du bilan calorifique. Les quantités de fluide frigorigène et les quantités de chaleur échangées sont les mêmes que dans le cas de l’évaporateur à tubes lisses. 4,5 kg de fluide frigorigène pénètrent dans l’évaporateur avec un contenu de chaleur de 12,6 kcal/kg; à la sortie de l’évaporateur elles contiennent 45,9 kcal/kg. Dans le même temps, 31,8 m3 d’air traversent l’évaporateur. Contrairement à l’exemple précédent, nous envisageons un refroidissement de l’air à une température inférieure au point de rosée, entraînant une condensation partielle de l’humidité. Nous devrons en conséquence, utiliser une méthode différente de calcul en vue de la détermination de la quantité de chaleur cédée. L’air pénètre dans l’évaporateur à la température de 27,8°C bulbe sec, 23,4°C bulbe humide, et quitte l’évaporateur à la température de 19,4°C bulbe sec, 18,3°C bulbe humide.

Cette vue représente le bilan calorifique. La chaleur reçue par le fluide frigorigène est égale au produit de sa masse par la quantité de chaleur reçue par kilogramme. 4,5 kg de fluide frigorigène circulant dans l’évaporateur ont reçu 33,3 kcal par kilogramme, (c’est-à-dire la différence entre les contenus de chaleur à l’entrée et à la sortie de l’évaporateur). La quantité de chaleur absorbée par le frigorigène, lors de son passage dans l’évaporateur, est donc de 150 kilocalories. Le calcul de la quantité de chaleur cédée par l’air nécessite la conversion du débit volume d’air en débit masse. Pour un volume spécifique de l’air égal à 0,87 mètre cube par kilogramme, le débit masse est de 31,8/0,87, et la quantité de chaleur cédée par l’air est égale au produit de sa masse par la quantité de chaleur cédée par kilogramme. L’utilisation d’un diagramme psychrométrique nous donnera la quantité de chaleur cédée par kg d’air, à partir des quantités de chaleur contenues dans l’air à l’entrée et à la sortie de l’évaporateur. Soit 20,5 kcal/kg et 16,4 kcal/kg. Ces valeurs déterminées sur le digramme psychrométrique dont la différence 4,1 kcal/kg représente la quantité de chaleur cédée par kilogramme d’air. La quantité de chaleur cédée par un débit d’air de 36,5 kg est donc :

36,5 x 4,1 = 150 kcal

Cette quantité de chaleur correspondant à la quantité de chaleur reçue par le fluide frigorigène.

Cette figure représente un type d’évaporateur à plaques ou à feuilles. Deux feuilles de métal sont embouties en vue d’épouser la forme des serpentins puis soudées par points sur leur pourtour. Un espace est ainsi créé à l’intérieur des feuilles à travers lequel s’écoule et s’évapore le fluide frigorigène. On trouve également ces évaporateurs sous bien d’autres formes, entre autres, un tube formant serpentin appliqué sur une simple feuille de tôle avec laquelle il est en contact intime, ou pressé entre deux feuilles de métal qui forment plaque. Quoique ce type d’évaporateur soit parfois utilisé pour le refroidissement de l’air, il convient cependant mieux au refroidissement par contact. On peut le disposer à la manière d’une étagère et poser le produit à refroidir dessus. Ce contact direct entre le produit à refroidir et l’évaporateur augmente de beaucoup le transfert de chaleur. C’est pourquoi ces feuilles ou plaques sont très utilisées dans l’industrie de l’alimentation congelée.

Dans de nombreuses installations frigorifiques et de conditionnement d’air d’importance, il vaut mieux prévoir une certaine distance entre les évaporateurs. L’alimentation de ces évaporateurs et de leurs conduites en fluide frigorigène risque cependant d’être très onéreuse, Une telle disposition pose également des problèmes de tuyauteries en ce qui concerne le retour d’huile et le débit de fluide frigorigène. On résout ces problèmes en utilisant des fluides refroidisseurs " secondaires ". Les composantes du système frigorifique sont réunies dans un local central. L’évaporateur assure le refroidissement de l’eau utilisée comme fluide refroidisseur secondaire. L’eau est véhiculée à travers des batteries de refroidissement individuelles installées dans les différents locaux à climatiser. L’utilisation de l’eau qui est pratique et bon marché, a permis de résoudre les problèmes que posaient les énormes besoins en fluide et en tuyauterie. Lorsque les conditions de température sont en-dessous du point de congélation, on utilise des solutions de saumure à la place de l’eau.

Les " fluides refroidisseurs secondaires " sont en général réfrigérés dans des évaporateurs, de type " multitubulaires " ou à " serpentins ", communément appelés " chillers ". La figure ci-contre représente un chiller noyé de grande puissance. Le fluide réfrigérant secondaire circule à l’intérieur des tubes. La partie inférieure du chiller est remplie de fluide frigorigène dans lequel se trouvent immergés les tubes. Au fur et à mesure de la vaporisation, la vapeur formée s’écoule dans la conduite d’aspiration. Un chicanage en tôle placé dans la partie supérieure du " chiller " empêche l’entraînement de liquide frigorigène dans la conduite d’aspiration.

L’illustration ci-contre représente un " chiller " à détente directe. Dans ce type de chiller, le fluide frigorigène circule dans des tubes qui baignent dans le fluide refroidisseur secondaire. Ce dernier circule dans l’évaporateur, à l’extérieur des tubes. Pour des appareils de petite dimension, le chiller à détente directe est plus avantageux que le chiller noyé, en considération des facilités de contrôle et d’économie d’exploitation. On utilisera plutôt dans les grandes installations des chillers noyés, qui sont plus faciles à contrôler.

Un exemple de bilan calorifique est donné avec les chiffres suivants : 4;5 kg de fluide frigorigène s’écoulent dans l’évaporateur et voient leur contenu de chaleur passer de 12,6 kcal à l’entrée, à 45,9 kcal à la sortie. Pendant le même temps 53,5 litres d’eau sont entrés à 15,6°C et sortent à 12,8°C.

Le bilan calorifique qui résulte de la marche d’un évaporateur noyé peut être interprété de la façon suivante: la chaleur reçue par le fluide frigorigène est égale au produit de la masse du fluide exprimée en kg, par la quantité de chaleur reçue par kilogramme, soit : 4,5 x 33,3 = 150 kcal. La chaleur cédée par l’eau est égale au produit du débit-masse par sa chaleur spécifique, multiplié par l’élévation de température mesurée. La chaleur cédée par l’eau s’écrira :

53,5 kg x 1 x 2,8°C

(poids d’eau) (chaleur spéc. de l’eau) (élévation de temp.)

dont le résultat, 150 kcal, représente une quantité de chaleur égale à celle reçue par le frigorigène.

Il existe deux types principaux d’évaporateurs qui diffèrent par la méthode d’alimentation en fluide frigorigène : les évaporateurs noyés et ceux à détente directe. Dans ces deux catégories, on distingue des variétés comme la constitution de la surface de l’évaporateur. Nous distinguerons les évaporateurs à tubes ailettes et les évaporateurs à feuilles ou à plaques. Il existe peu de règles générales concernant le choix du type, de la surface, de la forme, de la dimension d’un évaporateur. Les critères de sélection d’un évaporateur dépendent principalement des conditions d’utilisation.

L'évaporateur à détente directe :

L'évaporateur à détente directe est conçu pour un parcours unique du liquide ou du gaz dans son circuit.

L'évaporateur noyé :

L'évaporateur noyé est conçu avec un séparateur de liquide en vue d'assurer la recirculation du fluide frigorigène liquide.

Le refroidisseur secondaire :

Dans le cas de grandes distances entre les différents points à réfrigérer, il est souvent impossible de faire des raccordements frigorifique. On utile donc souvent l'eau comme fluide frigorigène intermédiaire.
Ces refroidisseurs secondaires sont donc souvent des groupes refroidisseurs de liquide ou "chiller" en anglais qui alimentent des centrales de traitement d'air ou des ventilo-convecteurs.

En résumé :

1 - L’évaporateur est l’élément du circuit frigorifique à travers lequel la chaleur est transmise au fluide frigorigène.
2 - La température d’évaporation doit toujours être inférieure à la température du milieu à refroidir.
3 - La chaleur absorbée par l’évaporateur est égale à la chaleur cédée par le milieu en cours de refroidissement.
4 - L’évaporateur à détente directe est conçu pour un parcours unique du liquide ou du gaz dans son circuit.
5 - L’évaporateur noyé est conçu avec un séparateur de liquide en vue d’assurer la recirculation du fluide frigorigène liquide.