Tuyauterie et calorifuge

Chapitre 6 — Tuyauterie et calorifuge

Objectifs d'apprentissage

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

6.Sélectionner le matériau de tuyauterie approprié selon l'application et le frigorigène.

7.Dimensionner correctement les conduites d'aspiration, de refoulement et de liquide.

8.Effectuer des raccordements par brasage conformes aux normes.

9.Choisir et poser l'isolation thermique (calorifuge) selon les exigences du Code de l'énergie.

10.Réaliser les essais d'étanchéité requis par la CSA B52.

6.1 Concepts pour débutants

La tuyauterie transporte le frigorigène, mais elle transporte aussi l'huile, les pertes de charge, les vibrations et les conséquences d'un mauvais montage. Les notions de pente, vitesse minimale, pièges à huile et isolation sont essentielles pour maintenir la capacité et protéger les compresseurs.

La tuyauterie : le système circulatoire

Si le compresseur est le cœur et les contrôles le système nerveux, la tuyauterie est le système circulatoire de l'installation frigorifique. Comme les artères et les veines du corps humain, elle doit :

Avoir le bon diamètre (ni trop petit, ni trop grand).

Être faite du bon matériau.

Être protégée contre les agressions extérieures (corrosion, gel).

Permettre la circulation du fluide sans obstruction.

Pourquoi le dimensionnement est-il si important ?

Une conduite trop petite crée une perte de charge excessive, ce qui :

Réduit la capacité frigorifique.

Augmente la consommation d'énergie.

Peut empêcher le retour d'huile.

Provoque du bruit et des vibrations.

Une conduite trop grande :

Coûte plus cher (cuivre, isolation).

Réduit la vitesse du gaz, ce qui empêche le retour d'huile.

Augmente le volume de frigorigène nécessaire.

Le dimensionnement est donc un exercice d'équilibre.

Retour d'huile — Le concept clé

L'huile de lubrification du compresseur circule inévitablement dans le circuit avec le frigorigène. Pour que le compresseur ne manque pas d'huile, elle doit revenir au carter. Le retour d'huile est assuré par la vitesse du gaz dans les conduites :

Dans la conduite d'aspiration, la vitesse doit être de 4 à 10 m/s pour entraîner l'huile.

Dans la conduite de refoulement, la vitesse doit être de 3 à 8 m/s.

Si la vitesse est trop faible, l'huile s'accumule dans les points bas et les évaporateurs.

6.2 Matériaux de tuyauterie — Guide détaillé

Le matériau de tuyauterie doit être compatible avec le fluide, la pression, la température, l'huile, l'environnement et la méthode d'assemblage. Au Québec comme ailleurs au Canada, les choix de cuivre, acier ou inox doivent aussi respecter les codes, les qualifications de brasage ou soudage et les exigences du fabricant.

Cuivre

Types :

Cuivre recuit (mou) : En boudins de 15 ou 30 m. Utilisé pour les petits diamètres (¼ à ⅝ po). Facile à cintrer à la main.

Cuivre écroui (dur) : En tiges de 3 ou 6 m. Pour les diamètres de ¾ po et plus. Rigide, nécessite des coudes préfabriqués.

Normes :

ASTM B280 : Spécification pour tubes de cuivre pour la réfrigération — propres, déshydratés, bouchés.

ASTM B88 : Tube de cuivre pour usage général (plomberie) — NE PAS UTILISER pour la réfrigération (peut contenir des résidus de fabrication).

Types d'épaisseur :

Type L : Paroi moyenne (la plus courante en réfrigération). Pression de service : jusqu'à 4 800 kPa à 38 °C.

Type K : Paroi épaisse. Pour les hautes pressions (R-410A). Jusqu'à 6 900 kPa.

Type M : Paroi mince. Usage général plomberie seulement. NE PAS UTILISER pour la réfrigération.

Assemblage :

Brasage à l'argent (15 % Ag minimum).

Brasage au phosphore (Silfos) : Interdit pour les raccords en laiton ou en acier, mais acceptable pour cuivre-cuivre.

Raccords à olive (flare) pour les petits diamètres (¼ à ⅝ po).

Raccords mécaniques (ProPress, ZoomLock) : De plus en plus utilisés, nécessitent un outillage spécifique.

Acier au carbone

Normes :

ASTM A53 : Tube soudé, usage général.

ASTM A106 : Tube sans soudure, pour les hautes pressions.

Schédules d'épaisseur :

Schedule 40 (Std) : Usage général, pression de service jusqu'à 5 000 kPa selon le diamètre.

Schedule 80 (XS) : Haute pression, paroi plus épaisse.

Assemblage :

Soudage à l'arc (GMAW, TIG) obligatoire pour l'ammoniac.

Brides pour les diamètres de 2½ po et plus.

Raccords filetés : INTERDITS pour l'ammoniac (risque de fuite par le filetage).

Traitement anticorrosion :

Peinture époxy ou polyuréthane.

Galvanisation à chaud pour les conduites extérieures.

Protection cathodique pour les conduites enterrées.

Acier inoxydable

Types :

AISI 304 : Usage général, alimentaire.

AISI 316 : Résistant aux chlorures (saumures, piscines, environnements marins).

AISI 316L : Bas carbone, meilleure résistance à la corrosion après soudage.

Assemblage : Soudage TIG recommandé. Le soudage MIG est acceptable pour les gros diamètres. Après soudage, passivation obligatoire (nettoyage acide pour restaurer la couche d'oxyde protectrice).

6.3 Dimensionnement des conduites — Guide pratique

Le dimensionnement vise un équilibre entre faible perte de charge et vitesse suffisante pour ramener l'huile. Une conduite trop petite augmente la consommation et réduit la capacité; une conduite trop grande peut laisser l'huile piégée, surtout à charge partielle ou dans les colonnes verticales.

Conduite d'aspiration

La plus critique car elle transporte du gaz à basse pression. Une petite perte de charge a un grand impact sur la capacité.

Règles pratiques :

Perte de charge max : Équivalente à 0,5 °C de variation de la température de saturation.

Vitesse du gaz : 4 à 10 m/s (minimum 4 m/s pour le retour d'huile).

Chute de pression max : 5 à 15 kPa selon la température d'évaporation.

Exemple de dimensionnement :

Système R-404A, chambre froide à -20 °C, capacité 10 kW, distance 30 m.

Diamètre recommandé : 1 ⅛ po (28,6 mm).

Perte de charge estimée : 8 kPa (équivalent à 0,3 °C).

Vitesse : 6 m/s (bon pour le retour d'huile).

Si la distance était de 60 m :

Diamètre recommandé : 1 ⅜ po (34,9 mm).

Pour maintenir la vitesse suffisante au retour d'huile dans la montée, utiliser une double colonne montante.

Conduite de refoulement

Perte de charge max : Équivalente à 1 °C de variation de température de saturation.

Vitesse : 3 à 8 m/s (minimum 3 m/s pour le retour d'huile).

Moins critique que l'aspiration car le gaz est plus dense.

Conduite de liquide

Perte de charge : Moins critique thermodynamiquement, mais attention au flash gaz.

Vitesse : 0,5 à 1,5 m/s.

Hauteur statique : Soustrayez 100 kPa par 10 m de hauteur (pour le R-404A). Si la perte de charge + hauteur statique dépasse la pression de sous-refroidissement, il y aura flash gaz.

Prévention du flash gaz :

Sous-refroidissement minimum de 5 °C à la sortie du condenseur.

Diamètre de conduite suffisant pour limiter la perte de charge.

Éviter les longues montées verticales.

Installer un sous-refroidisseur si nécessaire.

6.4 Raccordements et assemblages — Procédures détaillées

Les raccordements déterminent l'étanchéité et la propreté interne du circuit frigorifique. Purge à l'azote, brasage contrôlé, essai de pression et tirage au vide ne sont pas des formalités : ils préviennent l'oxydation, l'humidité, les fuites et les acides dans l'huile.

Brasage à l'azote

Pourquoi l'azote est-il obligatoire ?

Le cuivre chauffé à l'air forme de l'oxyde de cuivre (CuO et Cu₂O), une calamine noire et abrasive. Si cette calamine pénètre dans le circuit :

Elle obstrue le filtre déshydrateur.

Elle endommage les soupapes du compresseur.

Elle raye les sièges de soupapes des détendeurs.

Elle contamine l'huile.

Procédure de brasage correcte :

113.Couper le tube bien droit (coupe-tube, pas de scie).

114.Ébavurer l'intérieur et l'extérieur (limer les bavures).

115.Nettoyer avec un solvant non gras (MEK, acétone).

116.Appliquer le décapant (flux) si nécessaire (pour brasage à l'argent sur cuivre-acier).

117.Mettre en place le raccord (jeu de 0,05 à 0,15 mm).

118.Faire circuler l'azote (débit de 5 à 15 L/min, pression de 100 à 200 kPa).

119.Chauffer uniformément le raccord avec le chalumeau (oxyacétylène ou air-acétylène).

120.Appliquer la baguette de brasure (15 % Ag pour cuivre-acier, 0 % Ag Silfos pour cuivre-cuivre).

121.Maintenir l'azote en circulation jusqu'à refroidissement complet (< 100 °C).

122.Inspecter le joint (bonne pénétration, pas de porosité).

Test d'étanchéité (pression à l'azote)

Procédure :

125.Isoler le système ou la section à tester.

126.Raccorder la bouteille d'azote avec détendeur (régulateur de pression).

127.Pressuriser à 1,25 × la pression de service maximale (ex : 1,25 × 2 800 = 3 500 kPa pour R-404A).

128.Noter la pression, la température ambiante, l'heure.

129.Attendre 12 à 24 heures.

130.Vérifier la pression finale (corriger pour les variations de température).

131.Si la pression a baissé de plus de 1 % : chercher la fuite avec une solution moussante sur tous les joints.

132.Réparer et refaire le test.

Correction pour la température : P2 = P1 × T2 / T1 (en Kelvin). Si la température a baissé de 5 °C, la pression baissera aussi.

Tirage au vide

Procédure standard :

136.Raccorder une pompe à vide double étage aux vannes de service.

137.Ouvrir toutes les vannes du système (sauf les soupapes de sûreté).

138.Démarrer la pompe.

139.Tirer au vide jusqu'à 500 microns (0,5 mmHg) ou moins.

140.Isoler la pompe.

141.Effectuer un test de montée en pression (vacuum rise test) :

Après 1 heure, la pression ne doit pas dépasser 1 000 microns.

Si elle remonte rapidement : fuite ou humidité résiduelle.

144.Rompre le vide avec de l'azote sec.

145.Recommencer si nécessaire.

6.5 Calorifuge — Guide complet

Le calorifuge protège la performance thermique et empêche la condensation sur les conduites froides. Son efficacité dépend autant de l'épaisseur que de la continuité du pare-vapeur, de la protection mécanique et du traitement des supports, joints et pénétrations.

Pourquoi isoler ?

Prévention de la condensation : L'air ambiant chaud contient de la vapeur d'eau. Si une surface froide (conduite d'aspiration à -25 °C) est en contact avec l'air à 25 °C et 60 % HR, l'eau se condense, puis gèle. La glace détruit l'isolant et peut causer des dégâts d'eau.

Efficacité énergétique : Chaque watt de chaleur qui pénètre dans la conduite d'aspiration est un watt que le système doit extraire en plus. Une isolation défaillante augmente la facture d'électricité.

Protection contre le gel : Les conduites d'eau glycolée ou de saumure doivent être isolées pour éviter le gel en hiver.

Sécurité : Protection contre les brûlures (conduites chaudes) et le froid (conduites très froides).

Détermination de l'épaisseur

L'épaisseur dépend de :

155.La température de la conduite (plus elle est froide, plus l'isolant doit être épais).

156.La température ambiante.

157.L'humidité relative ambiante (plus elle est élevée, plus le risque de condensation est grand).

158.Le diamètre de la conduite.

159.La conductivité thermique de l'isolant (λ).

Exemple selon le Code de l'énergie du Québec :

Conduite d'aspiration à -30 °C, local à 25 °C/60 % HR, caoutchouc cellulaire 25 mm d'épaisseur.

Conduite d'aspiration à -30 °C, local à 25 °C/80 % HR (cuisine, laverie), caoutchouc cellulaire 50 mm d'épaisseur.

Règle empirique pour le Québec :

Chambres froides positives (0 à 5 °C) : 13 à 19 mm.

Chambres froides négatives (-20 °C) : 25 à 38 mm.

Congélateurs (-30 °C) : 50 mm minimum.

Conduites extérieures : Ajouter 25 % à l'épaisseur calculée.

Types d'isolants

Caoutchouc cellulaire (élastomère) :

Marques : Armaflex, K-Flex, Aeroflex, NMC.

λ = 0,035-0,040 W/(m·K) à 0 °C.

Avantages : Flexible, résistant à l'humidité, pare-vapeur intégré, facile à poser.

Inconvénients : Prix plus élevé que les autres isolants.

Classe de réaction au feu : B-s3-d0 (Euroclasse).

Polyéthylène :

λ = 0,038-0,045 W/(m·K).

Moins cher que le caoutchouc cellulaire.

Moins résistant à l'humidité.

Classe de feu : E (inférieure au caoutchouc cellulaire).

Polyuréthane (PUR/PIR) :

λ = 0,022-0,028 W/(m·K) — le meilleur isolant thermique.

Rigide, utilisé pour les panneaux de chambres froides.

Sensible à l'humidité (perd ses propriétés si mouillé).

Verre cellulaire (Foamglas) :

λ = 0,040-0,050 W/(m·K).

Imputrescible, incombustible, résiste aux UV.

Pour applications cryogéniques (jusqu'à -200 °C).

Très coûteux.

Pose du pare-vapeur

Le pare-vapeur est l'élément critique de l'isolation. Il empêche la vapeur d'eau de pénétrer dans l'isolant. Règles :

191.Le pare-vapeur est toujours placé à l'extérieur de l'isolant (côté chaud).

192.Tous les joints doivent être scellés (colle, ruban adhésif spécifique).

193.Les soudures de tuyauterie doivent être accessibles pour inspection (isolation amovible avec Velcro ou sangles).

194.Les supports de tuyauterie doivent avoir un insert isolant pour éviter les ponts thermiques.

6.6 Références CSA B52 et RBQ

Article 4.8 — Tuyauterie frigorifique : La tuyauterie doit être conçue et installée conformément aux règles de l'art, avec des matériaux compatibles avec le frigorigène et les pressions de service.

Article 6.2 — Supports de tuyauterie : Les supports doivent être espacés selon le diamètre (tableau de l'article) et ne pas créer de ponts thermiques.

Article 6.3 — Isolation thermique : L'isolation doit être installée avec pare-vapeur côté chaud. L'épaisseur doit empêcher la condensation et respecter les exigences du Code de l'énergie.

Code de l'énergie du Québec (Chapitre I — Bâtiment) : Tableaux d'épaisseurs minimales d'isolation pour les conduites frigorifiques selon la température, le diamètre et l'humidité ambiante.

CSA Z662 — Réseaux de canalisations : Pour les grandes installations industrielles de tuyauterie de frigorigène.

6.7 Exemples pas-à-pas

Exemple 1 : Diagnostic d'une perte de charge excessive à l'aspiration

Symptôme : Température d'évaporation anormalement basse (-30 °C au lieu de -20 °C visé), surchauffe élevée.

Étapes :

205.Mesurer la pression à l'évaporateur (200 kPa = -20 °C pour R-404A).

206.Mesurer la pression à l'aspiration du compresseur (175 kPa = -24 °C).

207.Perte de charge = 200 - 175 = 25 kPa (trop élevée).

208.Causes possibles : Conduite sous-dimensionnée, filtre obstrué, longueur excessive.

209.Vérifier le filtre d'aspiration. S'il est propre, le diamètre est insuffisant.

Exemple 2 : Calcul de l'épaisseur d'isolation

Conduite d'aspiration R-404A à -25 °C, diamètre 1 ⅛ po (28,6 mm), dans un local à 25 °C / 65 % HR. Point de rosée = 18 °C.

La température de surface de l'isolant ne doit pas descendre sous 18 °C (pour éviter la condensation).

Avec du caoutchouc cellulaire (λ = 0,036 W/(m·K)), l'épaisseur nécessaire est d'environ 25 mm.

Vérification : Température de surface calculée ≈ 19,5 °C > 18 °C. OK.

6.8 Pièges d'examen

Piège n° 1 — Brasage sans azote : C'est l'erreur la plus fréquente. L'azote est OBLIGATOIRE pour empêcher la formation d'oxyde de cuivre. Même un petit intervalle d'arrêt de l'azote peut causer des dommages.

Piège n° 2 — Pression d'essai : 1,25 × pression de service maximale. Pas 1,5×, pas 2×. C'est une exigence CSA B52.

Piège n° 3 — Test de vide : 500 microns à atteindre, 1 000 microns max après 1 heure. Ne pas confondre avec la pression d'essai en azote.

Piège n° 4 — Pare-vapeur côté chaud : Toujours à l'extérieur de l'isolant. Un pare-vapeur côté froid emprisonnerait l'humidité dans l'isolant.

Piège n° 5 — Double colonne montante : Utilisée pour les longues montées verticales dans la conduite d'aspiration. Une petite colonne pour les faibles charges, deux colonnes pour les charges élevées.

6.9 Questions de pratique

222.Quel est le diamètre recommandé pour une conduite d'aspiration R-404A de 10 TR sur 30 m ?

(Réponse : Environ 1 ⅛ po (28,6 mm), à vérifier dans les tableaux de dimensionnement du fabricant.)

224.Pourquoi utilise-t-on de l'azote pendant le brasage ?

(Réponse : Pour empêcher la formation d'oxyde de cuivre (calamine) qui obstruerait les filtres et endommagerait les composants.)

226.Quelle est l'épaisseur minimale d'isolation pour une conduite d'aspiration à -30 °C dans un local à 25 °C/60 % HR ?

(Réponse : 25 à 38 mm de caoutchouc cellulaire, selon le Code de l'énergie.)

228.Vrai ou faux : Un raccord fileté est acceptable pour une conduite d'ammoniac.

(Réponse : Faux. Les raccords filetés sont interdits pour l'ammoniac — le soudage est obligatoire.)

230.Quel est le test de vide minimum requis avant la mise en service ?

(Réponse : 500 microns, avec une remontée maximale à 1 000 microns après 1 heure d'isolement de la pompe.)

6.10 Résumé du chapitre

La tuyauterie et l'isolation thermique sont des éléments essentiels de toute installation frigorifique. Un réseau de tuyauterie bien conçu et bien installé garantit le rendement, la fiabilité et la sécurité du système. L'isolation prévient la condensation, réduit les pertes énergétiques et protège les équipements.

La CSA B52 et le Code de l'énergie du Québec imposent des exigences précises : matériaux conformes, diamètres appropriés, essais d'étanchéité, isolation avec pare-vapeur. Le non-respect de ces exigences peut entraîner des pannes coûteuses, des sanctions réglementaires, et des risques pour la sécurité.

Pour l'examen BNQ, concentrez-vous sur : le dimensionnement des conduites, le brasage à l'azote, les épaisseurs d'isolation, et les procédures d'essai.

6.3 Matériaux de tuyauterie pour la réfrigération

Le cuivre recuit (type L ou type K selon l'épaisseur de paroi) est le matériau standard pour les tuyauteries frigorifiques jusqu'à 2 pouces de diamètre. Le cuivre désoxyphosporeux (Cu-DHP) offre une excellente résistance à la corrosion et une bonne conductivité thermique. Les tubes de cuivre pour la réfrigération doivent être propres, secs et bouchés aux deux extrémités.

L'acier au carbone (schédules 40 et 80) est utilisé pour les tuyauteries de grand diamètre (plus de 2 pouces) et pour les systèmes à l'ammoniac. L'acier inoxydable 304L ou 316L est réservé aux applications alimentaires et aux fluides corrosifs.

Les raccords de tuyauterie frigorifique sont en cuivre ou en laiton. Les raccords à braser (couplages, coudes, tés, réductions) sont les plus courants. Ils sont assemblés par brasage capillaire avec une baguette d'alliage phosphoreux (15 % d'argent minimum). La température de brasage est de 650 à 750 °C.

6.4 Techniques de brasage des tuyauteries frigorifiques

Le brasage des tuyauteries frigorifiques est une opération qui exige une grande maîtrise technique. La procédure comprend le dénudage de l'extrémité du tube (papier émeri fin), l'application de flux décapant (sauf pour les baguettes au phosphore), l'emboîtement des tubes sur une profondeur égale au diamètre du tube, le chauffage uniforme du raccord avec un chalumeau oxyacétylénique, l'application de la baguette d'apport, et le refroidissement naturel.

La température de brasage doit être suffisante pour faire fondre la baguette (650 °C) sans surchauffer le cuivre (fusion à 1083 °C). Une flamme neutre (oxygène et acétylène en proportion égale) est utilisée. La baguette est fondue par contact avec le tube chaud, pas directement par la flamme.

Les défauts de brasage courants sont : la pénétration insuffisante (joint trop étroit), le manque d'apport (cavités et porosités), la surchauffe (formation d'oxyde de cuivre noir), et la contamination (résidus de flux, humidité). Chaque joint brasé doit être inspecté visuellement et testé à la pression.

6.5 Isolation thermique des tuyauteries frigorifiques

Les tuyauteries frigorifiques doivent être calorifugées pour éviter les pertes de froid et la condensation. L'isolant le plus utilisé est la mousse élastomère à cellules fermées (Armaflex, K-Flex). Ses propriétés incluent une conductivité thermique λ de 0,035 à 0,040 W/mK, une résistance à la diffusion de vapeur d'eau (μ supérieur à 5000) et une plage de température de -50 à +105 °C.

L'épaisseur de l'isolant dépend de la température du fluide et des conditions ambiantes. Pour une conduite d'aspiration à -20°C en ambiance à 25°C avec 70 % d'humidité relative, l'épaisseur minimale recommandée est de 32 mm. Pour une conduite à -40°C, l'épaisseur passe à 50 mm.

Les gaines isolantes préformées sont posées en les glissant sur le tube avant le raccordement. Pour les tubes déjà installés, on utilise des coquilles isolantes en deux parties, collées à la jointure. Un pare-vapeur (ruban adhésif en aluminium ou en PVC) est appliqué sur toutes les jonctions pour maintenir l'étanchéité à la vapeur d'eau.

6.6 Supports de tuyauterie et dilatation thermique

Les tuyauteries frigorifiques doivent être supportées à intervalles réguliers pour éviter les contraintes mécaniques et les vibrations. L'espacement maximal des supports est de 1,5 mètre pour les tubes de 15 mm, 2 mètres pour 22 mm, 2,5 mètres pour 28 mm et 3 mètres pour 35 mm et plus.

Les supports antivibratiles (colliers caoutchoutés) réduisent la transmission des vibrations du compresseur aux tuyauteries. Les compensateurs de dilatation (coude de dilatation, lyre de dilatation, joint de dilatation à soufflet métallique) absorbent les mouvements thermiques.

La dilatation du cuivre est de 0,017 mm/m·K. Pour une conduite de 20 mètres de long avec un écart de température de 60 K (de -30 à +30 °C), la dilatation totale est de 20,4 mm. Un coude de dilatation avec une branche de 600 mm peut absorber cette dilatation.

6.7 Mise en pression et contrôle d'étanchéité

Avant la mise en service, toute tuyauterie frigorifique doit subir un test d'étanchéité à l'azote sec. La pression d'essai est de 1,1 fois la pression maximale de service, avec un minimum de 20 bars pour les systèmes au HFC. Le test dure au moins 12 heures avec une stabilisation de température de 2 heures.

La méthode de test par chute de pression (pression mesurée au manomètre digital avec une précision de 0,01 bar) corrigée de la variation de température selon la loi des gaz parfaits (P1/T1 = P2/T2) permet de détecter les fuites infimes. Une chute de pression de 0,1 bar après stabilisation indique une fuite à rechercher.