RÉALISATION DES LIAISONS FRIGORIFIQUES (partie 2/2)

## Objectifs et prérequis **À la fin de ce cours, l’élève sera capable de :** - Identifier les défauts les plus fréquents rencontrés sur les liaisons frigorifiques en cuivre et proposer des actions correctives adaptées. - Réaliser, étape par étape, la fabrication d’un échangeur de chaleur à plaques ou à tubes en cuivre conforme aux normes camerounaises (MINESEC/IGE) et aux règles de sécurité en atelier. - Contrôler la qualité des soudures, vérifier l’étanchéité et assurer la mise en service d’un échangeur dans un système de froid commercial. **Prérequis :** - Connaissances des principes de base du cycle frigorifique (compression, condensation, détente, évaporation). - Maîtrise des outils de mesure (manomètre, thermomètre, détecteur de fuites). - Notions de soudure TIG et de brasage forte sur cuivre. - Respect des consignes d’hygiène et de sécurité (port des EPI, ventilation, manipulation des fluides frigorigènes). ## Introduction Dans le domaine du froid commercial, la qualité des liaisons frigorifiques conditionne directement l’efficacité énergétique, la fiabilité et la durée de vie des installations. Au Cameroun, où les températures ambiantes peuvent dépasser 35 °C dans les zones urbaines, les échangeurs de chaleur en cuivre sont largement privilégiés pour leur excellente conductivité thermique, leur résistance à la corrosion et leur facilité de mise en œuvre. Ce chapitre s’inscrit dans la logique de l’approche par compétences : il propose d’abord une activité de remédiation permettant de consolider les acquis théoriques et de diagnostiquer les erreurs fréquentes rencontrées en atelier, puis un travail pratique (TP 5) où l’élève passe de la théorie à la réalisation concrète d’un échangeur de chaleur. ## I. Activité de remédiation N° 1 ### 1.1 Rappel des principes de base des liaisons frigorifiques Les liaisons frigorifiques assurent le transfert du fluide frigorigène entre les différents organes du système (compresseur, condenseur, détendeur, évaporateur). Elles doivent être : - **Étanche** : aucune fuite de fluide frigorigène. - **Résistante à la pression** : supportant les pressions de service (jusqu’à 30 bar pour les fluides HFC). - **Thermiquement efficace** : minimiser les pertes de charge. - **Conformes aux normes** : NF EN 378 (sécurité des systèmes de réfrigération) et les arrêtés ministériels camerounais relatifs aux fluides frigorigènes. > **Une liaison frigorifique doit présenter un facteur de fuite inférieur à 5 g/an selon la réglementation camerounaise (arrêté n° 001/MINESEC du 12 janvier 2022).** ### 1.2 Analyse des défauts courants | Défaut observé | Cause probable | Conséquence sur le système | Méthode de détection | |----------------|----------------|----------------------------|----------------------| | Fuites au niveau des soudures | Mauvaise préparation du bord, apport de chaleur excessif, présence d’oxydes | Perte de charge, baisse du COP, risque d’exposition aux fluides | Détecteur électronique de fuites, test à l’azote sous pression | | Déformation du tube (ovalisation) | Flexion mécanique lors du cintrage, manque de soutien | Augmentation des pertes de charge, risque de rupture | Contrôle visuel, jauge d’ovalisation | | Corrosion localisée | Contact avec des agents chlorés, humidité stagnante | Perte d’étanchéité à long terme | Inspection visuelle, test de continuité électrique | | Bouchon de calamine à l’intérieur du tube | Soudure mal nettoyée, flux résiduel | Réduction du diamètre intérieur, augmentation de la perte de charge | Endoscopie, mesure de débit | ### 1.3 Méthodes de contrôle et de correction 1. **Contrôle d’étanchéité** : pressuriser la liaison à 1,5 × la pression de service avec de l’azote sec, maintenir 10 min, vérifier l’absence de chute de pression (> 0,02 bar/min). 2. **Contrôle de la géométrie** : utiliser un pied à coulisse pour mesurer le diamètre extérieur et intérieur ; tolérance ± 0,1 mm pour les tubes de 12 mm Ø. 3. **Nettoyage des soudures** : brossage à la brosse métallique, puis passage au chiffon imbibé d’acétone pour éliminer les résidus de flux. 4. **Réparation** : en cas de fuite localisée, reprendre la soudure après décapage (meulage léger) et apport de brasage forte (alliage Cu‑P‑Ag, 6 % Ag). 5. **Prévention** : appliquer un inhibiteur de corrosion (benzotriazole) sur les surfaces externes après nettoyage, stocker les tubes dans un endroit sec et à l’abri de la lumière directe du soleil. > **Toute opération de soudure sur cuivre doit être réalisée avec un apport de chaleur ne dépassant pas 350 °C afin d’éviter la recristallisation du métal et la perte de ductilité.** ## II. TP 5 : Fabrication des Échangeurs de Chaleur en Cuivre ### 2.1 Matériaux et outillage | Élément | Spécification | Quantité (pour un échangeur de 1 kW) | |---------|---------------|--------------------------------------| | Tube cuivre | Ø extérieur 12 mm, épaisseur 0,8 mm, longueur 2 m | 2 m | | Plaque d’appui (cuivre) | 100 mm × 100 mm × 2 mm | 1 pièce | | Manchette de raccordement | Filetage M10×1, laiton nickelé | 2 unités | | Soudure TIG | Tungstène 2 % Thorium, gaz argon pur 99,99 % | Selon besoin | | Brasage forte | Alliage Cu‑P‑Ag (6 % Ag), flux à base de borax | 30 g | | Outils | Coupe-tube, ébavureur, serre-joint, poste TIG, chalumeau, brosse métallique, détecteur de fuites | – | | EPI | Lunettes de protection, gants anti‑coupure, masque à filtration P2, tablier en cuir | – | ### 2.2 Étapes de fabrication #### Étape 1 – Préparation des tubes 1. Couper le tube à la longueur souhaitée (ex. : 1 m) à l’aide du coupe‑tube. 2. Ébavurer l’intérieur et l’extérieur avec l’ébavureur. 3. Nettoyer les surfaces à l’acétone puis sécher à l’air comprimé. > **La propreté des surfaces de soudure est essentielle : toute trace d’huile ou d’oxyde réduit la pénétration du bain de fusion et favorise les porosités.** #### Étape 2 – Mise en forme (cintrage) - Placer le tube dans la forme de cintrage (rayon minimal 3 × le diamètre extérieur, soit 36 mm). - Effectuer le cintrage à froid à l’aide d’une cintreuse manuelle, en vérifiant l’absence d’ovalisation avec un jauge. #### Étape 3 – Pré‑assemblage - Insérer les manchons de raccordement aux extrémités du tube. - Positionner la plaque d’appui contre le tube afin de former le noyau de l’échangeur (type « tube‑dans‑plaque »). - Maintenir l’ensemble avec des serre‑jouts, en laissant un jeu de 0,2 mm pour la dilatation thermique. #### Étape 4 – Soudure TIG des manchons 1. Régler le poste TIG : courant 80 A, fréquence 120 Hz, balayage 0,5 s. 2. Amorcer l’arc à 2 mm du bord du manchon, effectuer un cordon continu en avançant de 5 mm/s. 3. Laisser refroidir naturellement (pas de refroidissement à l’eau) pour éviter les chocs thermiques. > **Un cordon de soudure TIG correct présente une largeur de 1,2 mm à 1,5 mm et une pénétration d’au moins 0,6 mm dans le métal d’apport.** #### Étape 5 – Brasage forte de la plaque d’appui - Appliquer le flux à base de borax sur la zone de contact tube‑plaque. - Chauffer uniformément la zone au chalumeau jusqu’à atteindre 650 °C (température de liquéfaction de l’alliage Cu‑P‑Ag). - Déposer l’apport de brasage forte (fil de 2 mm Ø) ; il doit fondre et se répartir par capillarité. - Laisser refroidir à l’air libre, puis nettoyer les résidus de flux à l’eau chaude et à la brosse métallique. > **Le brasage forte doit produire une jointure dont la résistance à la traction dépasse 200 MPa, valeur minimale exigée par la norme NF EN 1333 pour les échangeurs de chaleur.** #### Étape 6 – Contrôle qualité - **Étanchéité** : pressuriser l’ensemble à 20 bar d’azote, maintenir 15 min, vérifier l’absence de chute de pression (> 0,02 bar/min). - **Contrôle dimensionnel** : mesurer le diamètre intérieur du tube après soudure (doit rester ≥ 10,4 mm). - **Essai de pression hydrostatique** : remplir d’eau, pressuriser à 30 bar pendant 5 min, inspecter visuellement pour détecter toute suintement. - **Contrôle visuel** : vérifier l’absence de fissures, de porosités ou de sous‑soudure à la loupe 10×. > **Toute non‑conformité détectée lors du contrôle qualité entraîne le rejet de la pièce et la reprise de l’étape concernée.** #### Étape 7 – Mise en service - Evacuer l’air du circuit à l’aide d’une pompe à vide (niveau ≤ 5 Pa). - Charger le fluide frigorigène (ex. : R‑134a, 0,45 kg) selon les préconisations du fabricant. - Effectuer un test de fonctionnement : vérifier les températures de condensation et d’évaporation, ajuster le débit d’air du ventilateur si nécessaire. ## Synthèse du chapitre - Les liaisons frigorifiques doivent être étanches, résistantes à la pression et conformes aux normes NF EN 378 et aux arrêtés camerounais. - Les défauts les plus fréquents sont les fuites de soudure, l’ovalisation des tubes, la corrosion et les bouchons de calamine. - Le contrôle d’étanchéité se fait à l’azote sous pression ; le contrôle géométrique au pied à coulisse ; la qualité de soudure se juge par largeur, pénétration et absence de porosité. - La fabrication d’un échangeur de chaleur en cuivre suit une séquence logique : préparation, cintrage, pré‑assemblage, soudure TIG des manchons, brasage forte de la plaque d’appui, contrôles qualité, mise en service. - Les paramètres clés de soudure TIG : courant 80 A, pénétration ≥ 0,6 mm, largeur de cordon 1,2‑1,5 mm. - Le brasage forte doit utiliser un apport Cu‑P‑Ag (6 % Ag) à 650 °C, donnant une résistance à la traction > 200 MPa. - Toute non‑conformité détectée entraîne la reprise de l’étape concernée avant mise en service. ## Glossaire | Terme | Définition | |-------|------------| | **Échangeur de chaleur** | Dispositif permettant le transfert thermique entre deux fluides sans mélange, souvent constitué de tubes ou de plaques en métal conducteur. | | **Soudure TIG** | Procédé de soudure à l’arc avec électrode de tungène inert et gaz de protection argon, utilisé pour les métaux non ferreux comme le cuivre. | | **Brasage forte** | Assemblage par fusion d’un apport métallique (alliage Cu‑P‑Ag) à température supérieure à 450 °C, sans fusion des pièces de base. | | **Étanchéité** | Propriété d’une liaison à empêcher toute fuite de fluide sous pression donnée. | | **Ovalisation** | Déformation d’un tube circulaire devenant elliptique, augmentant les pertes de charge. | | **Calamine** | Couche d’oxyde métallique qui se forme à la surface du cuivre lors du chauffage, pouvant obstruer les conduits internes. | | **Détecteur de fuites** | Instrument permettant de localiser les échappements de fluide frigorigène par mesure de concentration ou de variation de pression. | | **Pression de service** | Pression maximale de fonctionnement prévue pour un composant, définie par le constructeur et les normes applicables. | | **COP (Coefficient de Performance)** | Rapport entre la puissance frigorifique utile et la puissance électrique consommée ; indicateur d’efficacité d’une installation frigorifique. | | **PN (Pression Nominale)** | Valeur de pression utilisée comme référence pour les essais et les dimensionnements des tuyauteries. | ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 – Détermination de la longueur de tube nécessaire **Données** : Un échangeur de chaleur doit transférer 1,5 kW de puissance frigorifique avec un ΔT moyen de 8 K entre le fluide frigorigène (R‑134a) et l’air secondaire. Le coefficient de transfert global estimé est U = 150 W·m⁻²·K⁻¹. Le tube utilisé a un diamètre extérieur de 12 mm et une épaisseur de 0,8 mm. **Solution** : 1. Calcul de la surface d’échange nécessaire : \[ A = \frac{\Phi}{U \cdot \Delta T} = \frac{1500\ \text{W}}{150\ \text{W·m}^{-2}\!\cdot\!\text{K}^{-1} \times 8\ \text{K}} = \frac{1500}{1200}=1,25\ \text{m}^2 \] 2. Surface extérieure d’un tube de longueur L : \[ A_{\text{tube}} = \pi \, D_{\text{ext}} \, L \] avec \(D_{\text{ext}} = 12\ \text{mm}=0,012\ \text{m}\). 3. Détermination de L : \[ L = \frac{A}{\pi D_{\text{ext}}}= \frac{1,25}{\pi \times 0,012}= \frac{1,25}{0,0377}\approx 33,2\ \text{m} \] **Réponse** : Il faut environ **33,2 m** de tube cuivre de 12 mm Ø pour atteindre la puissance requise. ### Exercice 2 – Vérification de l’étanchéité après soudure **Données** : Après soudure TIG d’un manchon, on pressurise la liaison à 18 bar d’azote. Au bout de 12 min, la pression chute de 0,18 bar. **Solution** : - Taux de fuite admis : ≤ 0,02 bar/min (voir encadré de rappel). - Taux mesuré : \(\frac{0,18\ \text{bar}}{12\ \text{min}} = 0,015\ \text{bar/min}\). - Puisque 0,015 < 0,02 bar/min, la liaison est **conforme** au critère d’étanchéité. **Réponse** : La liaison satisfait la norme d’étanchéité (fuite inférieure à la limite autorisée). ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | N° | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de prévention / bonne pratique | |----|------------------|-------------|--------------------------------------| | 1 | **Ne pas décaper le tube avant soudure** (présence d’oxydes ou d’huile) | Porosité, fuite, faible pénétration | Toujours nettoyer à l’acétone puis brosser métalliquement avant toute opération de soudure ou de brasage. | | 2 | **Utiliser un apport de chaleur trop élevé lors du TIG** (> 350 °C) | Recristallisation du cuivre, perte de ductilité, fissure à froid | Régler le poste TIG selon les préconisations (80 A, argon pur) et contrôler la température avec une pyromètre infrarouge si disponible. | | 3 | **Oublier de vérifier l’ovalisation après cintrage** | Augmentation des pertes de charge, risque de rupture sous pression | Mesurer le diamètre extérieur et intérieur avec un pied à coulisse ; tolérance ≤ 0,1 mm. En cas d’ovalisation, recuire légèrement le tube (400 °C, 30 min) puis recintrage. | | 4 | **Ne pas laisser refroidir naturellement après soudure TIG** (refroidissement à l’eau) | Choc thermique, fissures de retrait | Laisser refroidir à l’air libre ; si un refroidissement accéléré est nécessaire, utiliser un flux d’air ambiant, jamais d’eau directe. | | 5 | **Utiliser un flux de brasage inadapté (ex. : flux acide)** | Corrosion ultérieure du joint, fuite à moyen terme | Employer exclusivement un flux à base de borax ou de fluorure adapté au cuivre‑phosphore‑argent. Nettoyer immédiatement après brasage. | | 6 | **Ne pas porter les EPI (lunettes, gants, masque)** lors de la soudure ou du brasage | Brûlures, inhalation de vapeurs toxiques, lésions oculaires | Obligatoire : lunettes de protection filtrant les UV, gants résistants à la chaleur, masque à filtration P2 (ou appareil de ventilation locale). | > **Le non‑respect du port des EPI constitue une faute professionnelle pouvant entraîner des sanctions disciplinaires et mettre en danger la santé du travailleur.** > **Toute intervention sur un circuit contenant du fluide frigorigène doit être précédée d’une récupération conforme à la réglementation (décret n° 2019‑123/MINESEC du 15 mars 2019) afin d’éviter les émissions nocives dans l’atmosphère.** > **La pression d’essai hydrostatique ne doit jamais dépasser 1,5 × la pression de service maximale spécifiée par le constructeur, sous risque de déformation permanente du tube.** > **Après chaque brasage, contrôler la continuité électrique du joint (résistance < 5 mΩ) afin de s’assurer de l’absence de fissures micro‑structurales pouvant conduire à une rupture sous fatigue thermique.** --- *Fin du cours de référence « Réalisation des liaisons frigorifiques (partie 2/2) ». Vous disposez désormais des connaissances théoriques, des gestes techniques et des consignes de sécurité nécessaires pour réussir l’activité de remédiation et le TP 5 en toute conformité avec le programme officiel du secondaire technique camerounais.*