Condenseurs et évaporateurs

Chapitre 4 — Condenseurs et évaporateurs

Objectifs d'apprentissage

À la fin de ce chapitre, vous serez en mesure de :

4.1 Concepts pour débutants

Les condenseurs et évaporateurs sont les échangeurs où le système rejette et absorbe la chaleur. Comprendre leurs surfaces, débits d'air ou d'eau, écarts de température et états du frigorigène permet de distinguer une panne de transfert thermique d'un problème de charge ou de régulation.

Qu'est-ce qu'un échangeur de chaleur ?

Un condenseur ou un évaporateur est un échangeur de chaleur. Imaginez un radiateur de voiture : l'eau chaude du moteur circule dans le radiateur, l'air qui passe à travers les ailettes refroidit l'eau. Dans un système frigorifique, c'est l'inverse pour l'évaporateur (le fluide froid refroidit l'air) et similaire pour le condenseur (le fluide chaud chauffe l'air ou l'eau).

Pourquoi des ailettes ?

Les ailettes augmentent la surface d'échange. Sans ailettes, un serpentin de 1 m² de surface ne pourrait échanger que peu de chaleur. Avec des ailettes, la surface effective peut atteindre 10 à 20 m² par mètre de serpentin. C'est pourquoi les condenseurs et évaporateurs ont cette apparence caractéristique de « radiateur ».

Les trois phases de la condensation

4.2 Types de condenseurs — Guide détaillé

Le type de condenseur influence la pression de tête, la consommation d'énergie, l'entretien et les risques sanitaires ou hivernaux. En contexte canadien, le gel, la qualité de l'eau, l'encrassement des serpentins, le traitement des tours et le contrôle des ventilateurs doivent être intégrés au diagnostic.

4.2.1 Condenseurs à air

Principe approfondi :

L'air ambiant circule sur des serpentins à ailettes grâce à des ventilateurs. La surface d'échange est maximisée par :

Régulation de pression de condensation :

En hiver au Québec, la pression de condensation peut chuter dangereusement. Les méthodes de régulation incluent :

Importance pour le climat québécois :

En hiver (-30 °C), un condenseur à air sans régulation peut faire chuter la pression de condensation sous 500 kPa pour le R-404A, rendant le détendeur incapable de fonctionner correctement (pression motrice insuffisante).

Entretien détaillé :

4.2.2 Condenseurs à eau

Principe approfondi :

L'eau circule dans un échangeur, absorbant la chaleur du réfrigérant. L'eau peut être :

Le condenseur à plaques brasées :

Très répandu dans les systèmes modernes :

Traitement de l'eau — Point critique :

Au Québec, l'eau est généralement dure (présence de calcium et de magnésium). Sans traitement :

4.2.3 Condenseurs évaporatifs

Principe approfondi :

L'eau est pulvérisée sur les serpentins contenant le réfrigérant. Un ventilateur aspire l'air à travers la nappe d'eau. L'évaporation de l'eau refroidit la surface des serpentins. C'est le type de condenseur le plus efficace (température de condensation seulement 5-10 °C au-dessus du bulbe humide).

Avantage pour le Québec : En été, le bulbe humide est de 20-25 °C, ce qui permet une condensation à 25-35 °C. En comparaison, un condenseur à air condenserait à 45-55 °C.

Défis pour le Québec :

4.3 Évaporateurs — Approfondissement

L'évaporateur doit absorber la charge thermique sans givre excessif, sans assécher inutilement le produit et sans envoyer de liquide au compresseur. Son fonctionnement dépend du débit d'air, de la DTM, du dégivrage, de l'alimentation en frigorigène et de l'état de propreté des surfaces.

Principe de fonctionnement

L'évaporateur est l'endroit où le froid est produit. Le réfrigérant liquide à basse pression absorbe la chaleur du milieu à refroidir en s'évaporant. L'efficacité dépend de :

La DTM — Concept important pour l'examen

La DTM (Différence de Température Moyenne) est la différence de température moyenne entre le réfrigérant et le fluide à refroidir. Pour un évaporateur à air où le réfrigérant est à -10 °C et l'air entre à 2 °C et sort à -5 °C :

Une DTM trop élevée (ex. 15 °C) indique un évaporateur sous-dimensionné. Trop faible (ex. 3 °C) indique un évaporateur surdimensionné (coût inutile).

4.3.1 Évaporateurs à air forcé

Dégivrage — Point critique :

Le givre se forme sur l'évaporateur lorsque la température de surface est inférieure à 0 °C et que l'humidité de l'air se condense et gèle. Le givre agit comme un isolant : il réduit le transfert thermique et augmente la perte de charge.

Méthodes de dégivrage :

Fréquence de dégivrage : Typiquement 2 à 4 fois par jour pour un congélateur (-20 °C), 1 à 2 fois pour une chambre froide (0 à 5 °C).

4.3.2 Évaporateurs noyés (flooded)

Principe : L'évaporateur est constamment rempli de liquide réfrigérant. Le séparateur liquide-vapeur en sortie renvoie le liquide non évaporé vers l'évaporateur et la vapeur vers le compresseur.

Avantages :

Inconvénients :

Application : Principalement pour les systèmes à ammoniac (R-717) dans l'industrie agroalimentaire québécoise.

4.4 Références CSA B52 et RBQ

Article 4.5 — Condenseurs : La capacité du condenseur doit être suffisante pour dissiper la charge thermique totale (effet frigorifique + travail de compression) dans les conditions de fonctionnement les plus défavorables (température extérieure maximale estivale).

Article 4.6 — Évaporateurs : Les évaporateurs doivent être protégés contre le gel par un thermostat ou un pressostat. L'accumulation de givre ne doit pas réduire la capacité en dessous des spécifications de conception.

Article 7.3 — Nettoyage et entretien : Le propriétaire du système doit établir et maintenir un programme d'entretien incluant le nettoyage périodique des condenseurs et évaporateurs.

RBQ — Licence : La modification ou le remplacement d'un condenseur ou d'un évaporateur nécessite une licence RBQ sous-catégorie 2.2.

Règlement sur la qualité de l'eau potable (Québec) : Pour les condenseurs évaporatifs, un registre d'entretien doit documenter les analyses de légionelles et les traitements effectués.

4.5 Exemples pas-à-pas

Exemple 1 : Diagnostic d'une pression de condensation élevée

Symptôme : Pression de refoulement = 2 200 kPa pour R-404A (normale = 1 600-1 800 kPa à 35 °C ambiant).

Étapes :

Exemple 2 : Calcul du débit d'air nécessaire pour un condenseur

Un condenseur doit dissiper 100 kW. L'air entre à 25 °C et sort à 40 °C (ΔT = 15 °C). La chaleur spécifique de l'air est de 1,005 kJ/(kg·K) et la masse volumique est de 1,2 kg/m³.

Débit massique : ṁ = Q / (c × ΔT) = 100 / (1,005 × 15) = 100 / 15,075 = 6,63 kg/s

Débit volumique : V = ṁ / ρ = 6,63 / 1,2 = 5,53 m³/s = 19 908 m³/h

4.6 Pièges d'examen

Piège n° 1 — Sous-refroidissement : Mesuré à la sortie du condenseur (ou à l'entrée du détendeur). C'est la différence entre la température de saturation à la pression du condenseur et la température réelle du liquide.

Piège n° 2 — Surchauffe : Mesurée à la sortie de l'évaporateur (ou à l'entrée du compresseur). C'est la différence entre la température réelle de la vapeur et la température de saturation à la pression de l'évaporateur.

Piège n° 3 — Condenseur évaporatif vs à air : Le condenseur évaporatif est plus efficace (température de condensation plus basse) mais nécessite plus d'entretien (traitement d'eau).

Piège n° 4 — DTM (Différence de Température Moyenne) : Plus la DTM est élevée, plus l'évaporateur est petit (ou moins efficace). Une DTM élevée = coût initial plus bas, mais coût d'exploitation plus élevé (le compresseur travaille plus).

Piège n° 5 — Dégivrage : Le dégivrage électrique consomme de l'énergie mais est simple et fiable. Le dégivrage par gaz chaud est plus économe en énergie mais plus complexe.

4.7 Questions de pratique

(Réponse : DTM ≈ 8 °C)

(Réponse : Pression de condensation élevée, température de refoulement élevée, COP réduit.)

(Réponse : Pour augmenter la surface d'échange thermique côté air, ce qui améliore le transfert de chaleur.)

(Réponse : Dégivrage électrique — fiable, simple, ne nécessite pas de modification du circuit frigorifique.)

(Réponse : Vrai. La tour refroidit et recircule l'eau, réduisant la consommation d'eau de 90 % ou plus par rapport au circuit ouvert.)

4.8 Résumé du chapitre

Les condenseurs et évaporateurs sont les échangeurs thermiques qui rendent possible le cycle frigorifique. Le condenseur rejette la chaleur du système vers l'environnement, tandis que l'évaporateur absorbe la chaleur de l'espace à refroidir. Le choix du type (air, eau, évaporatif) dépend des conditions climatiques, de la disponibilité de l'eau, et des contraintes budgétaires.

Le dégivrage est une considération essentielle pour les évaporateurs fonctionnant sous 0 °C. La régulation de pression de condensation est critique pour les condenseurs à air sous le climat québécois.

L'entretien régulier (nettoyage des ailettes, traitement d'eau pour les condenseurs à eau, inspection des ventilateurs) est obligatoire selon la CSA B52 et garantit la performance et la longévité du système.

4.3 Condenseurs à air — conception et calcul

Le condenseur à air est le type le plus répandu en réfrigération commerciale de faible et moyenne puissance. L'échange thermique se fait par convection forcée entre le fluide frigorigène chaud et l'air ambiant. La puissance du condenseur est définie par la relation Qc = U × A × ΔTml où U est le coefficient global de transfert thermique, A la surface d'échange et ΔTml la différence de température moyenne logarithmique.

Le coefficient de transfert thermique côté frigorigène est de 800 à 1500 W/m²K pour la condensation en film à l'intérieur des tubes. Côté air, le coefficient est de 15 à 30 W/m²K pour la convection forcée avec ailettes. Cette différence justifie la présence d'ailettes en aluminium (surface d'échange multipliée par 10 à 20).

Le dimensionnement d'un condenseur à air tient compte de la température ambiante de conception (35°C au Québec en été), de l'écart de température entre la condensation et l'air (ΔT de 10 à 15 K), et du débit d'air nécessaire (0,3 à 0,5 m³/s par kW de puissance). Les condenseurs sont équipés de ventilateurs hélicoïdes à pales inclinables.

La maintenance des condenseurs à air comprend le nettoyage trimestriel des ailettes (brosse douce, jet d'eau à faible pression), la vérification de l'état des pales de ventilateur, le graissage des roulements de moteur (tous les 2 ans), et le contrôle du courant de démarrage des moteurs.

4.4 Condenseurs à eau — types et applications

Les condenseurs à eau offrent un meilleur coefficient de transfert thermique (U de 1000 à 3000 W/m²K) car l'eau est un meilleur caloporteur que l'air. La température de condensation plus basse améliore le COP de 10 à 20 % par rapport à un condenseur à air.

Le condenseur coaxial (tube-dans-tube) est utilisé dans les systèmes de puissance modérée. L'eau circule dans le tube intérieur (cuivre) et le frigorigène se condense dans l'espace annulaire entre les deux tubes. Le coefficient de transfert élevé (2000 W/m²K) permet une conception compacte. Les longueurs standard sont de 3 à 12 mètres.

Le condenseur à faisceau tubulaire horizontal (shell-and-tube) est utilisé dans les grandes installations (plus de 100 kW). Le frigorigène se condense dans la calandre (shell) autour des tubes où circule l'eau de refroidissement. Les tubes en cuivre ou en acier inoxydable sont munis de déflecteurs (baffles) pour optimiser l'écoulement du frigorigène.

4.5 Évaporateurs secs et noyés

L'évaporateur sec (détente directe) est le type le plus courant. Le fluide frigorigène circule dans les tubes et s'évapore en absorbant la chaleur de l'air traversant les ailettes. Le détendeur thermostatique régule l'alimentation en liquide pour maintenir une surchauffe de 5 à 8 K en sortie d'évaporateur.

L'évaporateur noyé (inondé) est utilisé dans les systèmes industriels à forte puissance. Le frigorigène liquide occupe la majeure partie du volume de l'évaporateur. Un séparateur liquide-vapeur empêche le liquide d'atteindre le compresseur. L'évaporateur noyé offre un meilleur coefficient de transfert que l'évaporateur sec (U de 500 à 1500 W/m²K) mais nécessite une charge de fluide plus importante.

4.6 Évaporateurs à plaques brasées

L'évaporateur à plaques brasées (BPHE) est de plus en plus utilisé dans les systèmes modernes. Il est constitué d'un empilement de plaques en acier inoxydable (304L ou 316L) brasées sous vide. Les canaux entre les plaques alternent le passage du frigorigène et du fluide secondaire (eau glycolée).

La conception des plaques crée une forte turbulence qui améliore le coefficient de transfert thermique (3000 à 5000 W/m²K). Le volume interne réduit (charge de fluide minimale de 30 à 50 % par rapport à un évaporateur tubulaire) est un avantage écologique et économique. Les évaporateurs BPHE sont compacts (rapport puissance/volume de 500 kW/m³).

4.7 Dégivrage des évaporateurs

Le givre sur les évaporateurs fonctionnant en dessous de 0°C réduit le débit d'air et le transfert thermique. Plusieurs méthodes de dégivrage existent : dégivrage par résistance électrique (chauffage direct des ailettes), dégivrage par gaz chaud (inversion du cycle ou dérivation du gaz de refoulement), dégivrage par eau (pulvérisation d'eau tiède), et dégivrage par ventilation d'air chaud.

Le cycle de dégivrage est contrôlé par un programmateur horaire et/ou un détecteur de givre (différence de pression ou sonde de température sur l'évaporateur). La fréquence de dégivrage dépend de l'humidité relative, de la température de l'évaporateur et du débit d'air. Un cycle typique dure 15 à 30 minutes, 3 à 6 fois par jour.