PARAMÉTRAGE ET MISE EN SERVICE D'UN SYSTÈME FRIGORIFIQUE (partie 6/7)

## Objectifs et prérequis **Objectifs** À la fin de ce chapitre, l’élève sera capable de : 1. Lire et interpréter le cahier des charges d’une Machine À Glaces (MAG) afin d’en extraire les paramètres de fonctionnement (température d’évaporation, pression de condensation, débit d’air, charge frigorifique). 2. Réaliser le paramétrage préliminaire d’une MAG (réglage du thermostat, du pressostat, du débit d’air et de la vitesse du ventilateur) en respectant les consignes du constructeur et les normes de sécurité. 3. Effectuer les mesures de température, de pression et de débit nécessaires à l’analyse technique d’une MAG en fonctionnement. 4. Diagnostiquer les dysfonctionnements les plus fréquents (surchauffe du condenseur, manque de charge, défaut de circulation d’air) et appliquer les procédures de remédiation adaptées. 5. Mettre en service une MAG, conduire les essais de mise en route, vérifier la conformité aux spécifications et rédiger un rapport de mise en service conforme aux exigences du MINESEC/IGE. **Prérequis** - Notions de base de la thermodynamique appliquée au froid (cycle de compression, échange de chaleur, enthalpie). - Lecture de schémas frigorifiques et identification des composants (compresseur, condenseur, détendeur, évaporateur). - Connaissance des unités de pression (bar, psi), de température (°C, K) et de débit (m³/h, L/min). - Règles de sécurité électrique et de manipulation des fluides frigorigènes (port des EPI, vérification de l’étanchéité, procédures de récupération). - Utilisation des instruments de mesure couramment présents en atelier (manomètres, thermomètres à sonde, débitmètres d’air, hygromètres). --- ## Introduction contextualisée Au Cameroun, la demande en produits glacés (glaces, sorbets, yaourts glacés) connaît une croissance soutenue, notamment dans les zones urbaines où le pouvoir d’achat augmente et où les consommateurs recherchent des rafraîchissements de qualité. Les machines à glaces (MAG) sont donc au cœur de l’activité de nombreux petits commerces, de pâtisseries et de chaînes de restauration rapide. Leur bon fonctionnement dépend d’un paramétrage précis et d’une mise en service rigoureuse, faute de quoi l’on observe des baisses de rendement, des surconsommations énergétiques voire des pannes prématurées. Le présent chapitre s’inscrit dans la logique de l’approche par compétences du programme officiel MINESEC/IGE : il ne se contente pas de décrire théoriquement le cycle frigorifique, mais place l’élève dans une situation professionnelle réelle où il doit analyser, régler et mettre en service une MAG. Les trois séquences proposées (Activité d’intégration N° 4, Activité de remédiation N° 4 et TP 17) permettent de progresser de la découverte du matériel à la maîtrise complète du processus de mise en service, en passant par le diagnostic et la correction des défauts les plus fréquents. --- ## I. Activité d’intégration N° 4 ### 1.1 Présentation de la Machine À Glaces (MAG) Une MAG typique utilisée dans les établissements scolaires et commerciaux au Cameroun est une unité monobloc à **compression de vapeur**, comprenant : - Un **compresseur hermétique** à piston, lubrifié par huile minérale, entraîné par un moteur triphasé 380 V/50 Hz. - Un **condenseur à air forcé** constitué de serpentins en cuivre/aluminium avec ventilateur axial. - Un **détendeur capillaire** ou une **vanne d’expansion thermostatique** (VET) selon le modèle. - Un **évaporateur à plaques** immergé dans le bac de mélange où se produit la congélation du produit. - Un **système de contrôle** composé d’un thermostat de consigne (réglage de la température du produit fini), d’un pressostat de haute pression (protection du compresseur) et d’un pressostat de basse pression (détection de manque de charge). - Un **circuit d’air de refroidissement** du condenseur, réglable par un variateur de vitesse du ventilateur. > **>** La puissance frigorifique nominale d’une MAG de capacité 30 L/h varie généralement entre 1,2 kW et 1,8 kW selon la température d’évaporation souhaitée (‑18 °C à ‑25 °C). ### 1.2 Analyse du cahier des charges Le cahier des charges fourni par le constructeur ou le responsable de maintenance indique les valeurs cibles suivantes : | Paramètre | Valeur cible | Unité | Tolérance | |-----------|--------------|-------|-----------| | Température d’évaporation (Tev) | ‑22 | °C | ± 1 °C | | Température de condensation (Tcond) | 45 | °C | ± 2 °C | | Pression d’évaporation (Pe) | 1,1 | bar | ± 0,1 bar | | Pression de condensation (Pc) | 12,0 | bar | ± 0,5 bar | | Débit d’air du condenseur (Qair) | 250 | m³/h | ± 10 % | | Charge frigorifique (R404A ou R134a) | 0,45 | kg | ± 0,02 kg | | Temps de cycle de congélation | 12 | min | ± 1 min | Ces valeurs servent de référence lors du paramétrage et du contrôle de conformité. ### 1.3 Étapes préliminaires de paramétrage Avant toute mise sous tension, l’élève doit réaliser les opérations suivantes : 1. **Vérification de l’installation électrique** : s’assurer que le disjoncteur de protection est adapté (16 A courbe C pour une MAG de 1,5 kW), que le câblage respecte la norme NF C 15‑100 et que la mise à la terre est effective (< 1 Ω). 2. **Contrôle de l’étanchéité du circuit frigorifique** : appliquer une solution savonneuse sur les raccords et observer l’absence de bulles ; en cas de fuite, resserrer ou remplacer le joint. 3. **Mise en place du fluide frigorigène** : si la unité est livrée vide, effectuer une charge en **liquide** R404A (ou R134a selon le modèle) à l’aide d’une station de récupération/charge, en respectant la pression de service indiquée sur la plaque signalétique. 4. **Réglage du débit d’air** : mettre le ventilateur en marche à vitesse minimale, mesurer le débit avec un anémomètre à hélice placé à la sortie du condenseur, puis augmenter progressivement jusqu’à atteindre la valeur cible (250 m³/h). 5. **Initialisation des consignes de contrôle** : régler le thermostat sur ‑22 °C (consigne de température du produit) et le pressostat de haute pression sur 12,5 bar (seuil de déclenchement de l’arrêt du compresseur). > **>** Toute intervention sur le circuit frigorifique doit être réalisée avec des gants anti‑coupure, des lunettes de protection et un masque adapté aux vapeurs de fluide frigorigène. --- ## II. Activité de remédiation N° 4 ### 2.1 Diagnostic des dysfonctionnements courants Lors de la mise en route initiale ou après une période d’arrêt, les symptômes les plus fréquemment rencontrés sont : - **Température du produit trop élevée** (≥ ‑15 °C) malgré une consigne correcte. - **Pression de condensation anormalement basse** (< 10 bar) accompagnée d’un compresseur qui fonctionne en continu. - **Bruits anormaux** (cliquetis, sifflements) provenant du compresseur ou du ventilateur. - **Givre excessif** sur l’évaporateur ou sur les tuyaux de retour d’aspiration. Ces symptômes peuvent résulter de : 1. **Manque de charge frigorifique** (fuite ou sous‑charge). 2. **Débit d’air insuffisant** du condenseur (ventilateur encrassé, vitesse trop basse). 3. **Détendeur partiellement obstrué** (particules, humidité). 4. **Thermostat ou pressostat mal calibré**. ### 2.2 Procédures de réglage de la pression de condensation et d’évaporation **Étape 1 – Mesure des pressions** - Connecter un manomètre à deux voies (une côté haute pression, une côté basse pression) aux raccords de service du condenseur et de l’évaporateur. - Noter les valeurs de Pc et Pe en régime stabilisé (après 10 min de fonctionnement). **Étape 2 – Ajustement du débit d’air** - Si Pc < 10 bar (condensation insuffisante) : augmenter la vitesse du ventilateur de 10 % par paliers, attendre 2 min entre chaque réglage, re‑mesurer Pc. - Si Pc > 13 bar (surcharge de condensation) : diminuer la vitesse du ventilateur ou nettoyer les ailettes du condenseur (dé poussiérer avec une brosse douce, vérifier l’absence d’obstructions). **Étape 3 – Vérification de la charge** - Si Pe < 0,9 bar (évaporation trop basse) malgré un débit d’air correct : suspecter une sous‑charge. - Effectuer un appoint de **liquide** en utilisant la station de charge : ajouter 0,05 kg de R404A, attendre la stabilisation, re‑mesurer Pe. Répéter jusqu’à ce que Pe se situe dans la fourchette 1,0‑1,2 bar. > **>** Lors de l’ajout de liquide, toujours travailler en mode « liquide » (bouteille inversée) pour éviter l’entrée de gaz non condensable dans le circuit. ### 2.4 Vérification du débit d’air et du niveau de charge frigorifique - **Débit d’air** : mesurer avec un débitmètre à hélice placé à la sortie du condenseur. La valeur doit rester dans la plage 225‑275 m³/h (tolérance ± 10 %). - **Niveau de charge** : contrôler la température de surchauffe du compresseur (différence entre la température de refoulement et la température de saturation à Pc). Une surchauffe supérieure à 15 °C indique généralement une sous‑charge. > **>** Une surchauffe du compresseur > 20 °C peut entraîner une détérioration prématurée des pistons et doit être corrigée immédiatement. --- ## III. TP 17 : Analyse technique, paramétrage et mise en service d’une Machine À Glaces (MAG) ### 3.1 Matériel et consignes de sécurité | Équipement | Spécification | Usage | |------------|---------------|-------| | Manomètre double échelle | 0‑25 bar (HP) / 0‑5 bar (BP) | Mesure des pressions | | Thermomètre à sonde Pt100 | ‑50 °C → +150 °C | Température d’évaporation, de condensation, du produit | | Débitmètre d’air à hélice | 0‑500 m³/h | Débit du condenseur | | Station de récupération/charge | R404A, 0‑2 kg | Appoint ou récupération de gaz | | Tournevis isolé, clé à cliquet | VDE 1000 V | Réglage des vis de consigne | | EPI | Gants nitrile, lunettes, masque anti‑vapeurs | Protection du technicien | | Extincteur CO₂ | 2 kg | Risque d’incendie électrique | > **>** Avant toute intervention, couper l’alimentation électrique au disjoncteur principal et vérifier l’absence de tension avec un voltmètre (≤ 5 V AC). ### 3.2 Mesure des paramètres (température, pression, débit) 1. **Mise sous tension** : fermer le disjoncteur, laisser le compresseur démarrer (écouter le démarrage doux). 2. **Stabilisation** : attendre 15 min pour que le régime soit stationnaire (températures et pressions constantes). 3. **Relevé des températures** : - Sonde placée dans l’évaporateur (Tev). - Sonde sur le tuyau de refoulement du compresseur (Tref). - Sonde sur le tuyau de liquide vers le détendeur (Tliq). 4. **Relevé des pressions** : - Manomètre HP → Pc. - Manomètre BP → Pe. 5. **Relevé du débit d’air** : placer l’anémomètre à la grille de sortie du condenseur, lire Qair. > **>** Toutes les mesures doivent être consignées dans un tableau de relevé (voir annexe du TP). ### 3.3 Réglage du thermostat et du pressostat - **Thermostat de consigne** : tourner la vis de réglage jusqu’à ce que la température affichée sur le tableau de bord atteigne ‑22 °C. Vérifier que le compresseur s’arrête lorsque la température du produit atteint cette consigne et redémarre lorsqu’elle remonte de 2 °C (hystérésis). - **Pressostat de haute pression** : régler le seuil de coupure à 12,5 bar (valeur légèrement au-dessus de la Pc cible pour éviter les déclenchements intempestifs). - **Pressostat de basse pression** : régler le seuil de déclenchement à 0,9 bar (détection de manque de charge). > **>** Après chaque réglage, attendre 5 min de stabilisation avant de valider le point de consigne. ### 3.4 Mise en service et essais de fonctionnement 1. **Essai à vide** : faire fonctionner la MAG sans produit pendant 10 min, vérifier l’absence de fuites, de bruits anormaux et de vibrations excessives. 2. **Essai avec charge** : remplir le bac de mélange avec 5 L de mélange pré‑refroidi (à 4 °C), lancer le cycle de congélation. Mesurer le temps nécessaire pour atteindre ‑18 °C au centre du produit (doit être ≤ 12 min). 3. **Contrôle de la consommation électrique** : relever le courant de ligne avec une pince ampèremétrique ; comparer à la valeur nominale indiquée sur la plaque signalétique (ex. 2,8 A à 380 V). 4. **Vérification du dégivrage** : si l’appareil possède un cycle de dégivrage automatique, s’assurer que le chauffage de l’évaporateur s’active toutes les 45 min pendant 2 min et que la température de l’évaporateur remonte à ‑5 °C sans dépasser ‑2 °C. > **>** Le temps de cycle de congélation doit rester dans la fourchette spécifiée (‑18 °C atteint en 10‑14 min) ; un temps supérieur indique généralement un problème de débit d’air ou de charge. ### 3.5 Rédaction du rapport de mise en service Le rapport doit contenir les parties suivantes : - **En‑tête** : référence de l’appareil (marque, modèle, numéro de série), date, nom du technicien, établissement. - **Objectifs du TP** : rappeler les compétences visées (paramétrage, mesure, mise en service). - **Méthodologie** : décrire succinctement chaque étape (mesure, réglage, essai). - **Résultats** : tableau des valeurs mesurées (Tev, Tcond, Pe, Pc, Qair, courant, temps de congélation) avec comparaison aux valeurs cibles et écarts. - **Analyse** : interpréter les écarts, indiquer les actions correctives réalisées (ex. réglage du débit d’air, appoint de gaz). - **Conclusion** : déclarer si la MAG est conforme aux spécifications et prête à l’exploitation. - **Annexes** : relevés bruts, schémas électriques, photos éventuelles. > **>** Un rapport de mise en service doit être signé par le technicien et contre‑signé par le responsable d’atelier afin d’avoir une valeur probante lors des contrôles de conformité. --- ## Synthèse du chapitre - La Machine À Glaces (MAG) est une unité frigorifique à **compression de vapeur** composée d’un compresseur, d’un condenseur à air forcé, d’un détendeur et d’un évaporateur à plaques. - Le cahier des charges fixe les valeurs cibles : Tev ≈ ‑22 °C, Tcond ≈ 45 °C, Pe ≈ 1,1 bar, Pc ≈ 12 bar, Qair ≈ 250 m³/h, charge ≈ 0,45 kg de R404A. - Le paramétrage débute par la vérification électrique, l’étanchéité, la charge de **liquide** et le réglage du débit d’air du condenseur. - Le thermostat règle la température du produit (‑22 °C), le pressostat de haute pression protège le compresseur (≈ 12,5 bar) et le pressostat de basse pression détecte le manque de charge (≈ 0,9 bar). - Les dysfonctionnements les plus fréquents sont liés à un débit d’air insuffisant, une sous‑charge de **liquide** ou un détendeur obstrué ; ils se manifestent par une température de produit trop élevée, une pression de condensation basse ou un givre excessif. - Les procédures de remédiation consistent à ajuster progressivement la vitesse du ventilateur, à ajouter du **liquide** en petites quantités et à nettoyer les ailettes du condenseur. - Le TP 17 guide l’élève à travers la mise sous tension, la stabilisation, la prise de mesures (températures, pressions, débit), le réglage des consignes, les essais à vide et avec charge, ainsi que la rédaction d’un rapport de mise en service conforme aux exigences du MINESEC/IGE. - Le respect des règles de sécurité (EPI, coupure de l’alimentation, vérification de l’étanchéité, manipulation du **liquide frigorigène**) est obligatoire à chaque étape. --- ## Glossaire | Terme | Définition | |-------|------------| | **Compresseur hermétique** | Dispositif qui comprime le gaz frigorigène tout en étant scellé, empêchant toute fuite d’huile ou de gaz. | | **Condenseur à air forcé** | Échangeur de chaleur où le gaz frigorigène cède sa chaleur à l’air ambiant grâce à un ventilateur qui force le flux d’air. | | **Détendeur capillaire** | Tuyau de petit diamètre qui crée une chute de pression brutale, permettant l’évaporation du liquide frigorigène. | | **Évaporateur à plaques** | Échangeur où le frigorigène absorbe la chaleur du produit à glacer, provoquant sa vaporisation et la refroidissement du mélange. | | **Thermostat de consigne** | Régulateur qui coupe ou rétablit l’alimentation du compresseur selon la température mesurée du produit fini. | | **Pressostat de haute pression** | Dispositif de sécurité qui arrête le compresseur lorsque la pression de condensation dépasse un seuil prédéfini. | | **Pressostat de basse pression** | Dispositif qui signale un manque de charge lorsqu’une pression d’évaporation trop faible est détectée. | | **Surchauffe du compresseur** | Différence entre la température de refoulement du liquide à la sortie du compresseur et la température de saturation à la pression de condensation ; indique l’efficacité de la lubrification et la charge de liquide. | | **Charge frigorifique** | Quantité de liquide frigorigène contenue dans le circuit, exprimée en kilogrammes, nécessaire pour atteindre les performances nominales. | | **Débit d’air du condenseur** | Volume d’air déplacé par heure à travers le condenseur, influençant directement la capacité de rejet de chaleur. | | **Hystérésis du thermostat** | Bande de température autour de la consigne dans laquelle le compresseur reste éteint afin d’éviter les cycles trop courts. | | **Cycle de dégivrage** | Période durant laquelle un chauffage temporaire fait fondre le givre accumulé sur l’évaporateur, rétablissant l’efficacité d’échange thermique. | --- ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 – Détermination de la charge manquante **Énoncé** Lors du TP 17, après 15 min de fonctionnement en régime stabilisé, les mesures suivantes sont relevées : - Pe = 0,9 bar - Pc = 10,8 bar - Qair = 230 m³/h - Courant ligne = 2,4 A (valeur nominale : 2,8 A) On sait que la charge nominale de la MAG est 0,45 kg de R404A. **Question** Estimer la quantité de gaz manquante et proposer la procédure d’appoint. **Corrigé** 1. **Analyse des pressions** - Une pression d’évaporation inférieure à la valeur cible (1,1 bar) indique une sous‑charge. - La pression de condensation est également basse (10,8 bar < 12 bar), ce qui confirme un déficit de gaz. 2. **Méthode d’estimation** On utilise la relation approximative (valide pour de petites variations) : \[ \frac{\Delta m}{m_{nom}} \approx \frac{P_{c,nom} - P_c}{P_{c,nom}} \] où \(m_{nom}=0,45\) kg, \(P_{c,nom}=12\) bar, \(P_c=10,8\) bar. \[ \frac{\Delta m}{0,45} \approx \frac{12-10,8}{12}= \frac{1,2}{12}=0,10 \] Donc \(\Delta m \approx 0,10 \times 0,45 = 0,045\) kg. **Résultat** : environ **0,045 kg** de R404A manque. 3. **Procédure d’appoint** - Fermer le compresseur (coupure du disjoncteur). - Connecter la station de charge en mode liquide (bouteille inversée). - Ouvrir lentement la vanne de charge jusqu’à ce que le manomètre haute pression indique une augmentation de 0,2 bar (environ 0,01 kg de gaz). - Répéter l’opération jusqu’à atteindre une pression de condensation de 12 bar (soit trois ajouts de 0,2 bar). - Après chaque ajout, attendre 2 min de stabilisation, puis relever Pc et Pe. - Une fois Pc stabilisé à 12 bar et Pe autour de 1,0‑1,2 bar, fermer la vanne de charge, purger les tuyaux de connexion et remettre sous tension. - Vérifier le courant ligne (doit remonter vers 2,8 A) et le temps de congélation (doit être ≤ 12 min). > **>** Toujours travailler en mode liquide lors de l’appoint pour éviter l’introduction de gaz non condensable qui augmenterait la pression de condensation sans améliorer la capacité frigorifique. --- ### Exercice 2 – Réglage du débit d’air pour atteindre la pression de condensation cible **Énoncé** Une MAG présente les mesures suivantes en régime stabilisé : - Pc = 11,2 bar (cible : 12,0 bar) - Pe = 1,1 bar (acceptable) - Qair mesuré = 200 m³/h - Le ventilateur possède trois vitesses : basse (150 m³/h), moyenne (250 m³/h), élevée (350 m³/h). **Question** Déterminer la vitesse du ventilateur à sélectionner pour obtenir la pression de condensation cible, en supposant une variation linéaire de Pc avec le débit d’air dans l’intervalle considéré. **Corrigé** 1. **Établir la relation linéaire** On considère deux points connus : - À Qair = 200 m³/h, Pc = 11,2 bar. - On suppose que à Qair = 0 m³/h, Pc serait proche de 0 bar (approximation raisonnable pour un petit intervalle). On obtient : \[ Pc = a \times Qair + b \quad\text{avec}\quad a = \frac{11,2}{200}=0,056 \text{ bar·h/m³},\; b\approx 0 \] Donc \(Pc \approx 0,056 \times Qair\). 2. **Déterminer le débit nécessaire pour Pc = 12,0 bar** \[ Qair_{req} = \frac{Pc_{cible}}{a}= \frac{12,0}{0,056}\approx 214,3 \text{ m³/h} \] Cette valeur se situe entre les vitesses basse (150 m³/h) et moyenne (250 m³/h). 3. **Choix de la vitesse** - À vitesse basse : Pc estimé = 0,056 × 150 = 8,4 bar (trop faible). - À vitesse moyenne : Pc estimé = 0,056 × 250 = 14,0 bar (légèrement au‑dessus de la cible, mais acceptable car le pressostat de haute pression est réglé à 12,5 bar ; le compresseur se coupera avant d’atteindre 14 bar). - À vitesse élevée : Pc estimé = 0,056 × 350 = 19,6 bar (trop élevé, risque de déclenchement fréquent du pressostat). **Conclusion** : sélectionner la **vitesse moyenne** du ventilateur (≈ 250 m³/h). Cette vitesse fournit un débit d’air légèrement supérieur au besoin théorique, assurant une marge de sécurité contre l’encrassement futur du condenseur tout en restant dans les limites de protection du pressostat. > **>** Après le changement de vitesse, attendre 5 min de stabilisation puis re‑mesurer Pc ; si Pc dépasse 12,5 bar, réduire légèrement la vitesse (si le ventilateur permet un réglage fin) ou nettoyer les ailettes du condenseur. --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | N° | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de prévention / bonne pratique | |----|------------------|-------------|--------------------------------------| | 1 | **Ne pas couper l’alimentation avant d’intervenir sur le circuit frigorifique** | Risque de choc électrique, déclenchement intempestif du compresseur, endommagement des outils. | Toujours mettre le disjoncteur en position « OFF », vérifier l’absence de tension avec un voltmètre (< 5 V AC) avant toute manipulation. | | 2 | **Ouvrir la vanne de charge en mode gaz au lieu de liquide** | Introduction de gaz non condensable → augmentation de la pression de condensation sans amélioration de la capacité, risque de surcharge du compresseur. | Utiliser exclusivement le mode liquide (bouteille inversée) lors de l’appoint ou de la récupération de liquide. | | 3 | **Négliger le nettoyage régulier des ailettes du condenseur** | Diminution du débit d’air, hausse de la pression de condensation, surconsommation énergétique, usure prématurée du compresseur. | Planifier un nettoyage mensuel (brosse douce, aspirateur) et vérifier le débit d’air après chaque nettoyage. | | 4 | **Régler le thermostat avec une hystérésis trop petite** | Démarrages‑arrêts trop fréquents du compresseur → usure mécanique, hausse du courant de pointe. | Respecter l’hystérésis recommandée par le constructeur (généralement 2 °C autour de la consigne). | | 5 | **Ignorer les signes de surchauffe du compresseur (température de refoulement > T_sat + 15 °C)** | Détérioration des pistons, perte de lubrification, risque de grippage. | Surveiller régulièrement la température de refoulement ; si la surchauffe dépasse 15 °C, vérifier la charge de liquide et le débit d’air du condenseur. | | 6 | **Utiliser un manomètre non adapté à la plage de pression** | Lecture erronée, sur‑ ou sous‑estimation de la pression, mauvais réglage. | Employer un manomètre double échelle couvrant 0‑25 bar (HP) et 0‑5 bar (BP), vérifié périodiquement contre un étalon. | > **>** Toute intervention sur un circuit contenant du fluide frigorigène doit être réalisée dans un espace bien ventilé, avec des gants résistants aux coupures, des lunettes de protection et un masque adapté aux vapeurs de R404A ou R134a. --- *Fin du cours de référence.*