Evaporateurs

Évaporateurs

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Les Evaporateurs :

L’évaporateur et le condenseur sont tout deux des échangeurs thermiques, les deux éléments doivent transmettre impérativement leurs énergies afin de permettre un échange calorifique parfaitement défini.
Placé dans l’enceinte à refroidir, le rôle de l’évaporateur consiste à absorber le flux thermique de l’air ambiant afin de descendre la température de l’enceinte et permettre la production de froid.
Lorsque la température d’évaporation est négative (température superficielle de la section d’échange inférieure ou égale à 0 C : cas rencontrés pour les chambres froides), ces condensats se transforment en givre. La formation de givre diminue les performances de l’évaporateur,c'est pour cela que certaine installation doivent procéder à des cycles de dégivrages afin d'enlever régulièrement ce givre.
Les évaporateurs sont classés en fonction de leurs modes d’échange calorifique. La longueur, le diamètre des conduites et la force des ventilateurs déterminent la puissance froid exprimée en watt (W).
On distingue deux familles d’évaporateurs suivant le fluide à refroidir :

Les évaporateurs à air.

-Les évaporateurs ménager.
-Les évaporateurs à air à convection naturelle ou statique.
-Les évaporateurs à air à convection d'air forcée.

Les évaporateurs à eau.

-Les évaporateurs double tube (évaporateurs coaxiaux).
-Les évaporateurs du type serpentin.
-Les évaporateurs du type échangeur à plaques.
-Les évaporateurs multitubulaires.

Les évaporateurs ménagers :

En général ces évaporateurs occupent l’ensemble de la largeur du compartiment. Ils se présentent soit sous forme de cuve soit de plaque.Ils forment un ensemble appelé «à circuit tubulaire intégré » constitué par un serpentin. La détente est généralement en capillaire.
Leurs coefficients globaux d’échanges thermiques sont généralement faibles et ils sont utilisés pour des puissances frigorifiques relativement petites (froid ménager : réfrigérateurs, congélateurs).

Les évaporateurs statiques :

Ce type d’évaporateur utilise un passage d’air naturel pour l’échange calorifique. Sur ces évaporateurs, l’air circule par convection. Ils sont constitués d’un tube en cuivre et entouré d’un faisceau aileté en aluminium.
Utilisé principalement dans les vitrines ou meubles réfrigéré ou le déplacement de l’air doit être très lent. Le procédé est appeler une circulation d’air rationnel.

Les évaporateurs à air à convection d'air forcée:

Dans le cas ou les denrées à refroidir n’implique pas de circulation d’air naturel, il est intéressant de poser un évaporateur ventilé. Les tubes comportent des ailettes de forme rectangulaire, ils sont disposés en série formant une nappe et les différentes nappes sont associées en parallèle.
De type plafonnier ou mural, ils sont également constituer d’un tube cuivre aileté, cet évaporateur permet un faible encombrement dans l’enceinte à refroidir.Équipé d’un ou plusieurs ventilateurs, il est communément appeler « évaporateur à circulation d’air forcée ».

Les évaporateurs double tube (évaporateurs coaxiaux):

Ils sont communément appelés évaporateurs coaxiaux. Les évaporateurs à double tube sont constitués de deux tubes coaxiaux, le plus souvent embobinés en hélice.
Dans le tube central circule le fluide frigorigène qui se vaporise en refroidissant le fluide circulant dans l’espace annulaire compris entre les deux tubes, la circulation s’effectuant de préférence à contre-courant.
Cet évaporateur convient pour les petites et moyennes puissances. ( voir photo condenseur double tube)

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Les évaporateurs du type serpentin:

Utilisés pour la réfrigération de liquide, Ils peuvent être constitués par un simple serpentin en tube lisse généralement en cuivre épousant la forme de la cuve ou embobinés suivant la forme du bac ou ils sont placés pour refroidir l’eau.
Ils sont dans certains cas disposés en nappes parallèles avec des collecteurs d’entrée et de sortie du fluide frigorigène. Ils sont également appelés des évaporateurs immergés.

Les évaporateurs du type échangeur à plaques:

On distingue trois types d’échangeurs à plaques :

-Les échangeurs à plaques à joints démontables.
-Les échangeurs à plaques brasées.
-Les échangeurs à plaques spirales brasée.

Les échangeurs à plaques à joints démontables.

Les échangeurs à plaques à joints démontables sont formés par des plaques munies d’un joint d’étanchéité serrées entre deux plateaux aux moyens de tirants de serrage. Pendant le processus d'évaporation, le liquide est pompé entre les minces plaques avec l'agent de refroidissement sur les surfaces de contact.

Les échangeurs à plaques brasées.

Les échangeurs à plaques brasées ont un fonctionnement identique à l’échangeur à plaques démontables, ils sont constitués d’une série de plaques métalliques embouties mais sans joints, et sans tirants. Ils ne sont donc pas démontables et se composent de plaques intermédiaires assemblées par brasure généralement en acier inoxydable et de deux plaques extérieures.

Les échangeurs à plaques spirales brasée.

Les échangeurs à plaques spiralées brasées sont plus tenaces aux différences de pression, les plaques sont simplement embobinées et brasées.

Les évaporateurs multitubulaires:

Les évaporateurs multitubulaires sont constitués d’un ensemble de tubes très proche et disposés en parallèle, le tout regroupé dans un corps cylindrique. La disposition des tubes à l’intérieur du corps cylindrique forment des passes qui permettent au fluide à refroidir un très bonne échange calorifique.

On distingue 2 types d’évaporateur multitubulaire :

- Les évaporateurs multitubulaires noyés.
-Les évaporateurs multitubulaires à détente sèche.

Les évaporateurs multitubulaires noyés.

Le fluide frigorigène passe à l’extérieur des tubes ou circule le fluide à refroidir qui se retrouve guidé dans son parcours dans l’évaporateur par des fonds portant des cloisons, ces fonds sont démontables pour permettre l’inspection et le nettoyage des tubes.
On constate que ces types d’évaporateur sont de véritable piège à huile, utilisé que pour des installations avec compresseurs centrifuges ou celles utilisant de l’ammoniac.

Les évaporateurs multitubulaires à détente sèche.

L’évaporateur est alimenté par un détendeur thermostatique qui permet de régler la surchauffe. Egalement appelés évaporateurs à surchauffe, le fluide frigorifique circule cette fois ci a l’intérieur des tubes.
On constate que la vitesse d’écoulement est telle que l’huile entraînée par le fluide frigorigène retourne vers le carter du compresseur par la conduite d’aspiration.

Condenseurs

--> Les condenseurs sont des échangeurs thermiques entre le fluide frigorigène et un fluide de refroidissement. Le fluide frigorigène cède la chaleur acquise dans l’évaporateur et lors de la compression au fluide de refroidissement.

Lors de son passage dans le condenseur, le fluide frigorigène passe de l’état vapeur à l’état liquide.

On distingue deux familles de condenseurs suivant le médium de refroidissement :

A / les condenseurs à air

- les condenseurs à air à convection naturelle ;

L’air au contact du faisceau ailette (ou du faisceau de tubes) s’échauffe et s’élève laissant la place à de l’air plus frais. Ils ne nécessitent aucune énergie pour la circulation de l’air mais le coefficient global d’échange thermique est faible (inférieur à 15 W/m².°C et même inférieur à 10 W/m².°C pour les condenseurs à tubes lisses).

Ils ne sont utilisés que pour des puissances à échanger très faibles (froid ménager : réfrigérateurs et congélateurs).

- les condenseurs à air à convection forcée

Le coefficient global d’échange des condenseurs à air à convection forcée est compris entre 20 et 30 W/m².°C

B / les condenseurs à eau

Il faut distinguer les condenseurs à eau perdue et les condenseurs à eau recyclée.

Pour les condenseurs à eau perdue, l’eau chaude issue du refroidissement des vapeurs de fluide frigorigène est rejetée soit à l’égout (procédé très coûteux et ayant pratiquement disparu) , soit dans une réserve d’eau considérée infinie (barrage, retenue d’eau, rivière, mer, fleuve…).

Pour les condenseurs à eau recyclée, à savoir que l’eau chaude issue du refroidissement est refroidi pour être à nouveau utilisée, il fait appel à des dispositifs appelés « Tours de refroidissement ».

- les condenseurs à double tube (condenseurs coaxiaux)

Ils sont constitués de deux tubes concentriques, l’eau circule dans le tube central tandis que le fluide frigorigène se dé -surchauffe, se liquéfie et se sous-refroidit dans l’espace annulaire, ce qui permet une possibilité d’évacuation de la chaleur du fluide frigorigène vers l’extérieur.

La circulation eau-FF s’effectue généralement à contre courant (meilleures performances).

Les puissances échangées sont relativement faibles, le coefficient global d’échange varie entre 700 et 950 W/m².°C

- les condenseurs bouteilles (condenseurs à serpentin)

Le fluide frigorigène se condense au contact du tube d’eau (serpentin),il s’agit de la combinaison d’un condenseur et d’un réservoir de liquide.

Les puissances échangées sont également faibles.

- les condenseurs multitubulaires

Ils sont constitués d’un grand nombre de tubes mis en parallèle, c’est le faisceau tubulaire qui est enclos dans un corps circulaire, la calandre.

Les tubes sont dudgeonner ou brasés sur les plaques tubulaires qui délimitent le faisceau, les fonds démontables, chicanés, canalisent l’eau de refroidissement qui circule dans les tubes (vitesse de l’ordre de 1 à 1.25 m/s). Le fluide frigorigène se condense dans la calandre au contact des tubes où circulent l’eau de refroidissement.

le coefficient global d’échange est compris entre 700 et 1100 W/m².°C.

Les condenseurs multitubulaires sont généralement horizontaux et suivant la conception, le faisceau tubulaire :

- occupe la totalité la calandre, un réservoir de liquide est alors nécessaire.

- n’occupe pas la partie inférieure de la calandre, permettant ainsi le stockage du fluide frigorigène condensé.

- les condenseurs à plaques brasées (échangeur à plaques)

La technologie de ces condenseurs est identique à celle des évaporateurs à plaques brasées

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Refroidissement d'eau

Les condenseurs à eau recyclée font appel à des systèmes de refroidissement de l’eau chaude qui sort des condenseurs pour permettre sa réutilisation : ce sont les tours de refroidissement.

L’eau chauffée dans le condenseur entre dans la tour par la partie haute par une rampe de distribution munie de pulvérisateurs,à partir de ses buses de pulvérisation l’eau est divisée en fines gouttelettes (pour améliorer l’évaporation) puis elle ruisselle par gravité sur une surface d’échange air-eau (nids d’abeilles). Un courant d’air ascendant est établi par le (ou les) ventilateurs(s) ; du fait de l’évaporation partielle et de la convection, la température de l’eau diminue. L’eau refroidie tombe dans un bac ou elle est recueillie pour aller condenser à nouveau le fluide frigorigène (par l’intermédiaire d’un circulateur ou pompe de recirculation).

En marge des tours de refroidissement, il faut citer les cas particuliers des aérorefroidisseurs « dry-cooler » et des condenseurs évapora tifs.

Le principe des Condenseurs évapora tif est identique à la tour de refroidissement (pulvérisation d’eau et circulation d’air) à la différence que c’est le condenseur lui-même qui est directement refroidi dans une carrosserie et non un circuit intermédiaire comme dans le cas de la tour de refroidissement

compresseurs

Compresseurs

Les Compresseurs frigorifiques :

Quelque soit leur construction, leur but resté tout de même d'aspirer; comprimer et refouler le fluide frigorigène à l'état gaz.

pour assurer cette fonction on trouve plusieurs types différents du point de vue conception et constitution.

généralement en conception il existe 3 catégories des compresseurs frigorifiques :

1) Compresseur Hermétique:

tout les 2lements du moto compresseur sont dans un caisson hermétique

2) Compresseur Semi-Hermétique:

tout les éléments sont dans un caisson hermétique accessible

3) Compresseur ouvert :

Le moteur électrique et le compresseur sont associés par un organe de liaison qui peut être un manchon d’accouplement ou une ou plusieurs courroies.

L’accès aux différents éléments du compresseur de même que ceux du moteur est possible.

Dans ce type de compresseur, la vitesse de rotation est ajustable et modifiable en changeant la poulie du moteur par exemple, cependant ce type nécessite un joint d’étanchéité tournant (joint rotatif) à la traversée du carter par l’arbre. Il est utilisé pour toutes les puissances.

cependant du point de vue constitution on trouve plusieurs types :

a) Compresseur à piston alternatif.

Le compresseur à pistons est un convertisseur d’énergie qui permet de transférer l’énergie mécanique produite par le moteur électrique (moteur d’entraînement) au fluide frigorigène suivant les deux étapes suivantes :

- transfert de l’énergie mécanique du moteur d’entraînement aux pistons (mécanisme de transformation du mouvement rotatif en mouvement alternatif, système d’entraînement des pistons, dispositifs comme le carter, la garniture d’étanchéité, le dispositif de lubrification et du dispositif d’entraînement)

- transfert de l’énergie des pistons au fluide frigorigène (le fluide frigorigène est aspiré, comprimé et refoulé ; les pièces en jeu sont bien sûr les pistons mais également les segments, les cylindres, les soupapes ou clapets et les canaux d’admission et d’échappement)

Compresseur semi hermétique à piston

b) Compresseur à piston rotatif.

les compresseurs rotatifs aussi appelés compresseurs à palettes dans lesquels la compression des vapeurs est obtenue par déplacement d’un corps cylindrique creux d’une masse excentrée agissant sur une palette mobile

c) Compresseur à vis.

les compresseurs à vis parmi lesquels il faut distinguer les compresseurs mono vis (mono rotor) et les compresseurs double vis (bi rotors) (Trouver un article dans notre rubrique Extrait de livres et revues professionnelles)

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d) Compresseur centrifuge.

Un compresseur centrifuge est une turbomachine qui communique l’énergie au fluide frigorigène grâce à une ou plusieurs roues tournant dans un carter : l’énergie cinétique résultant de la force centrifuge est ensuite transformée en pression statique dans un canal à section croissante appelée volute.

e) Compresseur Scroll.

les compresseurs à spirales aussi appelés compresseurs scroll dans lesquels la compression des vapeurs est obtenue par la rotation d’une spirale mobile dans une spirale fixe .

Lubrification des compresseurs

Les compresseurs doivent être lubrifiés à des points précis tels que les paliers, les têtes de bielle, les pieds de bielle, les cylindres et la garniture d’étanchéité.

L’huile assure la lubrification des pièces en mouvement de même qu’elle contribue au refroidissement (évacuation de la chaleur due aux frottements) et participe à l’étanchéité du système. On distingue la lubrification avec ou sans pompe à huile.

Lubrification sans pompe à huile

Lubrification par barbotage

Les têtes de bielle plongent dans l’huile et la projette à l’intérieur du carter lors des remontées. Cette technique convient pour des petits compresseurs dont la vitesse de rotation ne dépasse pas 800 tr/mn. Pour des vitesses supérieures, on constate la formation d’émulsion d’huile formée par l’agitation créée par les têtes de bielle.

Lubrification des compresseurs hermétiques

Les compresseurs hermétiques disposent d’un dispositif de lubrification sans barbotage des têtes de bielle, ni pompe à huile.

L’arbre creux muni d’une rainure hélicoïdale plonge dans l’huile et c’est par la capillarité et sous l’effet de la force centrifuge que l’huile remonte le long de l’arbre et lubrifie les organes essentiels du compresseur (paliers, bielles…). En bout d’arbre, l’huile est finalement projetée dans la cloche en fines gouttelettes refroidissant le moteur et retombe ensuite dans le bas de la cloche, ce dispositif est réversible et ne dépend pas du sens de rotation.

Lubrification forcée par pompe à huile

Une pompe à huile placée en bout d’arbre assure la lubrification des points essentiels du compresseur. Un circuit classique de lubrification sous pression comporte :

- un filtre d’aspiration à l’entrée du circuit disposé dans l’huile

- une pompe à huile entraînée par l’arbre vilebrequin

- un filtre de refoulement à mailles fines (chez certains constructeurs)

- un dispositif de réglage de la pression de lubrification

L’huile retourne ensuite dans le carter de diverses manières (fuites internes des paliers et manetons, fuite permanente de la garniture, raclage des parois internes des cylindres, chambres d’aspiration, retour de la soupape de décharge). La pompe à huile délivre une pression supérieure à la pression régnant dans le carter (a peu près la pression d’aspiration).

froid industriel

le froid industriel comprend les installation de très grande puissance et qui font partie du procédé industriel, comme les entrepôts frigorifiques; les stations de conditionnement et bien d'autres...

voici un exemple d'installation industrielle :

1/ Rôle de la Bouteille Séparatrice :

dans le schéma ci-haut on constate la présence d'une bouteille séparatrice son rôle, comme son nom l'indique déjà est de séparer le mélange liquide + vapeur afin d'alimenter l'évaporateur en liquide BP seule.

le fluide frigorigène en provenance du condenseur est détendu à son entrée à la bouteille séparatrice où par différence de poids se sépare la vapeur en haut et le liquide BP en bas, ce dernier alimente l'évaporateur par gravité ou par pompe; là où il se vaporise et retourne à la bouteille se mélangeant ainsi aux vapeurs existantes dans le haut du séparateur, le compresseur se charge d'aspirer les gaz en haut de la bouteille .

la régulation de l'alimentation de la bouteille en liquide ainsi que la sécurité du compresseur contre les coups-de -liquide est assurée par une colonne de niveau prévue à cet effet.

le système comporte aussi un dispositif de purge d'huile car cette dernière migre toujours vers la bouteille séparatrice où elle reste coincé en bas.

initiation au froid commercial

Installation Frigorifique

En matière du froid on distingue les systèmes frigorifiques suivants :

- le froid ménagère.

- Le froid commercial

- Le froid industriel.

- Le conditionnement de l’air

installation de froid commercial

1/ Notions de bases en réfrigération :

Explication sommaire du rôle des éléments principaux :

Le compresseur :	Il réduit la pression dans l'évaporateur pour permettre au réfrigérant de s'y vaporiser. Il aspire les vapeurs fournies par l'évaporateur permettant ainsi au processus d'évaporation de se renouveler. Il comprime les vapeurs pour les amener à la pression de condensation.
Le détendeur Thermostatique :	Il contrôle l'écoulement du réfrigérant et permet sa détente. Il régule le débit de façon à optimiser le remplissage de l'évaporateur permettant ainsi une production de froid optimale. Il évite au compresseur d'aspirer du réfrigérant liquide.
L'évaporateur :	Le réfrigérant s'y vaporise en prenant la chaleur de l'enceinte à refroidir. C'est le siège d'un changement d'état appelé l'évaporation (passage du liquide au gaz)
Le condenseur :	Il reçoit les vapeurs surchauffées sous haute pression et les refroidit de façon à les faire changer d'état. On obtient ainsi du liquide sous haute pression. Ce changement d'état s'appelle la condensation.

les pompes à chaleur

la pompe à chaleur

La nature est un réservoir d'énergie, chaque jour notre planète absorbe l'énergie solaire qu'elle stocke sous forme de calories dans l'air, dans le sol (les roches, la terre et l'eau).
Cette réserve de chaleur réapprovisionnée en permanence est inépuisable, gratuite et parfaitement valorisable par les Pompes à Chaleur.

Qu'est-ce qu'une pompe à chaleur ?

1/ La chaleur
La chaleur est une manifestation macroscopique d'une agitation des atomes. Par temps très froid, les atomes s'agitent plus lentement, mais ils produisent toujours de la chaleur. En effet, jusqu'à -273°C (zéro absolu = 0°K) il est possible de récupérer de la chaleur !!!

2/ La pompe à chaleur (PAC)
Une pompe à chaleur est un système dit thermodynamique puisque c'est un principe qui utilise les changements d'états d'un fluide dû à des conditions de température et de pression différentes.
La pompe à chaleur puise des calories dans un élément naturel (air, eau ou terre), les amplifie grâce à son système interne et les transfère à l'installation de chauffage de la maison.

3/ La source (primaire)
Il existe deux grandes sources de captage :

l'Aérothermie et la Géothermie

mais elles sont détaillées en 3 types car à chaque source de calorie sa pompe à chaleur :

pour la terre > PAC géothermique eau glycolée/eau
pour l'eau > PAC géothermique eau/eau
pour l'air > PAC aérothermique air/eau

Les calories sont absorbées par la pompe à chaleur grâce à des composants mécaniques (circulateur ou ventilateur) qui sont actionnés électriquement.

4/ La diffusion (secondaire)
Une fois les calories puisées et amplifiées dans le cœur de la machine, elles peuvent être distribuées au réseau de chaleur, dans le circuit secondaire ; on parle alors en "température de sortie d'eau".
La pompe à chaleur peut produire de l'eau chaude entre 30 et 65°C afin d'alimenter les différents émetteurs de chauffage (plancher chauffant, ventilo-con vecteurs, radiateurs).

On considère que la pompe à chaleur utilise 30% d'énergie électrique pour permettre l'absorption et l'amplification des calories naturelles. (schéma ci-dessous).

schéma du principe d'une pompe à chaleur

Les avantages de se chauffer avec une pompe à chaleur

Avantages Planète Évité les recours à une installation de chauffage à énergie fossile Supprime la pollution par les gaz de combustion Limite les émissions de CO₂(en France chaque ménage émet en moyenne 2,9 tonnes de CO2 par an) Participe à la protection de l'environnement	Avantages Utilisateur Réduit la facture de chauffage Réduit la consommation énergétique Évité la dépendance aux augmentations des tarifs des énergies fossiles Évité les livraisons de fioul ou de gaz, les corvées de bois Augmente le bien-être de la famille en apportant le confort été comme hiver.

Quels critères de choix ?

Une pompe à chaleur est un système de chauffage qui doit correspondre parfaitement à l'utilisation que l'on veut en faire. Elle doit être dimensionnée et sélectionnée par un professionnel de la pompe à chaleur qui aura préalablement étudié la maison et les habitudes de chauffage des futurs utilisateurs.
Ainsi, il va déterminer :

le type de pompe à chaleur (en fonction des sources disponibles) - ex. Aérothermie,
la juste puissance (exprimée en kW) à une température donnée - ex 12kW à -7°C,
une température d'eau minimum (fonction des éléments de diffusion) - ex. plancher chauffant 35°C, radiateurs 55°C,

Une fois ces éléments déterminés, il y a quelques encore quelques termes à décrypter :
1/ La configuration
Une pompe à chaleur peut se présenter sous plusieurs formes en fonction de sa nature et de son fonctionnement. On retrouve 3 grandes catégories :

monobloc intérieur : un seul module intérieur
monobloc extérieur : un seul module extérieur
split system (ou bi-bloc) : un module intérieur et un module extérieur

2/ La technologie
Une pompe à chaleur peut être équipée de différentes technologies. On dissocie 2 familles :

Pompe à chaleur à technologie Tout ou Rien
Le compresseur fonctionne alors soit à 0% soit à 100% de ses capacités
Pompe à chaleur à technologie Inverser
Le compresseur fonctionne en modulant sa puissance de 33% à 100% de ses capacités

3/ Le coefficient de performance (COP)
Le coefficient de performance est un critère de performance qui peut être rapproché du rendement. Un COP s'exprime comme un rapport entre la Puissance calorifique apportée au réseau de chauffage et la Puissance absorbée (puissance électrique consommée par la pompe à chaleur). Le COP n’a d’intérêt que si les conditions auquel il a été défini sont précisées.
Ex. COP de 4,1 à +7°C/35°C ce qui signifie que la machine a un COP de 4,1 pour un air extérieur de +7°C et une température d’eau de 35°C.
Les COP ne sont donc comparables qu’à des conditions équivalentes !

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