LES INSTALLATIONS EN AU NH3 (partie 2/2)

## Objectifs et prérequis **À la fin de ce chapitre, l’élève sera capable de :** - Dimensionner une installation frigorifique à l’ammoniac (NH₃) en déterminant les débits, les puissances et les dimensions des échangeurs, compresseurs et détendeurs. - Réaliser une activité d’intégration en mettant en œuvre les étapes de montage, de mise en service et de réglage d’une petite unité de froid industriel. - Identifier les difficultés rencontrées lors du dimensionnement ou de la mise en service et proposer des activités de remédiation adaptées (revoir les calculs, vérifier les réglages, ajuster les paramètres de sécurité). **Prérequis nécessaires :** - Notions de thermodynamique appliquée aux cycles de compression vapeur (diagramme p‑h de l’ammoniac). - Connaissance des grandeurs physiques : débit massique (kg s⁻¹), puissance frigorifique (kW), différence de température (K), pression (bar). - Lecture de schémas hydrauliques et électriques simples. - Règles de sécurité de base pour les fluides frigorigènes toxiques et inflammables (NH₃). --- ## Introduction contextualisée Au Cameroun, la demande en froid industriel (conservation du poisson, des produits laitiers, de la viande) augmente avec l’urbanisation et le développement des agro‑industries. L’ammoniac (NH₃) reste le fluide frigorigène le plus utilisé dans les grandes installations grâce à son potentiel thermodynamique élevé, son faible coût et son impact nul sur la couche d’ozone. Toutefois, sa toxicité et son inflammabilité imposent un dimensionnement rigoureux et des procédures de mise en service strictes. Ce chapitre propose une approche par compétences : d’abord le **dimensionnement théorique** (TD), puis la **mise en pratique** à travers une activité d’intégration, enfin la **remédiation** pour corriger les écarts constatés en atelier ou sur chantier. --- ## I. Dimensionnement des installations (TD) ### 1. Principes de base du dimensionnement Le dimensionnement d’une installation à NH₃ repose sur l’équation de bilan énergétique du cycle de compression vapeur : \[ \dot{Q}_{evap}= \dot{m}_{NH3}\,(h_{1}-h_{4}) \] où : - \(\dot{Q}_{evap}\) = puissance frigorifique utile (kW) - \(\dot{m}_{NH3}\) = débit massique de l’ammoniac (kg s⁻¹) - \(h_{1}\) = enthalpie à la sortie de l’évaporateur (kJ kg⁻¹) - \(h_{4}\) = enthalpie à l’entrée du détendeur (kJ kg⁻¹) Le compresseur doit fournir une puissance : \[ \dot{W}_{comp}= \dot{m}_{NH3}\,(h_{2}-h_{1}) \] avec \(h_{2}\) l’enthalpie après compression (kJ kg⁻¹). ### 2. Étapes du dimensionnement | Étape | Action | Formule / donnée | Unité | |-------|--------|------------------|-------| | 1 | Définir la charge frigorifique requise (\(Q_{c}\)) | \(Q_{c}= \dot{m}_{prod}\,c_{p}\,\Delta T\) | kW | | 2 | Choisir la température d’évaporation (\(T_{evap}\)) et de condensation (\(T_{cond}\)) selon le procédé | – | °C | | 3 | Déterminer les enthalpies \(h_{1},h_{2},h_{3},h_{4}\) à partir du diagramme p‑h de l’NH₃ | – | kJ kg⁻¹ | | 4 | Calculer le débit massique nécessaire | \(\dot{m}= \dfrac{Q_{c}}{h_{1}-h_{4}}\) | kg s⁻¹ | | 5 | Dimensionner le compresseur (puissance) | \(\dot{W}_{comp}= \dot{m}\,(h_{2}-h_{1})\) | kW | | 6 | Dimensionner le condenseur (surface) | \(A_{cond}= \dfrac{\dot{Q}_{cond}}{U\,\Delta T_{lm}}\) | m² | | 7 | Dimensionner l’évaporateur (surface) | \(A_{evap}= \dfrac{\dot{Q}_{evap}}{U\,\Delta T_{lm}}\) | m² | | 8 | Vérifier les pertes de charge dans les tuyauteries (équation de Darcy‑Weisbach) | \(\Delta P = f \dfrac{L}{D}\dfrac{\rho v^{2}}{2}\) | Pa | | 9 | Contrôler la sécurité : pression de service < 0,8 × pression de rupture du matériel | – | bar | > **>** La température d’évaporation typique pour la conservation du poisson au Cameroun se situe entre –25 °C et –30 °C. ### 3. Exemple chiffré entièrement résolu **Situation :** Une unité de congélation de poisson doit maintenir une température de –28 °C avec une capacité de 500 kg h⁻¹ de produit. La température ambiante est de 30 °C. On utilise un condenseur à eau avec un écart de température log‑moyenne (\(\Delta T_{lm}\)) de 10 K et un coefficient global d’échange \(U = 500\) W m⁻² K⁻¹. **Données :** - \(c_{p,poisson}= 3,5\) kJ kg⁻¹ K⁻¹ - \(\Delta T_{produit}= 30-(-28)=58\) K - \(Q_{c}= \dot{m}_{prod}\,c_{p}\,\Delta T = \dfrac{500}{3600}\times 3,5 \times 58 = 28,1\) kW **Étape 1 – Choix des températures :** \(T_{evap}= -30\) °C, \(T_{cond}= 35\) °C (eau de refroidissement à 30 °C + 5 K de surchauffe). **Étape 2 – Enthalpies (extrait du diagramme p‑h NH₃) :** - \(h_{1}= 1 450\) kJ kg⁻¹ (surchauffe à –30 °C, 2 bar) - \(h_{2}= 1 620\) kJ kg⁻¹ (après compression à 12 bar) - \(h_{3}= 400\) kJ kg⁻¹ (liquide saturé à 35 °C) - \(h_{4}= h_{3}\) (détente isenthalpe) **Étape 3 – Débit massique :** \[ \dot{m}= \frac{Q_{c}}{h_{1}-h_{4}}= \frac{28,1}{1450-400}= \frac{28,1}{1050}=0,0268\; \text{kg s}^{-1}=96,5\; \text{kg h}^{-1} \] **Étape 4 – Puissance du compresseur :** \[ \dot{W}_{comp}= \dot{m}\,(h_{2}-h_{1})=0,0268\,(1620-1450)=0,0268\times170=4,56\; \text{kW} \] **Étape 5 – Surface du condenseur :** \[ \dot{Q}_{cond}= \dot{m}\,(h_{2}-h_{3})=0,0268\,(1620-400)=0,0268\times1220=32,7\; \text{kW} \] \[ A_{cond}= \frac{\dot{Q}_{cond}}{U\,\Delta T_{lm}}= \frac{32,7\times10^{3}}{500\times10}=6,54\; \text{m}^{2} \] **Étape 6 – Surface de l’évaporateur :** \[ \dot{Q}_{evap}= Q_{c}=28,1\; \text{kW} \] \[ A_{evap}= \frac{28,1\times10^{3}}{500\times10}=5,62\; \text{m}^{2} \] **Résultat :** Un compresseur de 4,6 kW, un condenseur à eau de 6,5 m² et un évaporateur de 5,6 m² permettent d’assurer la charge requise. > **>** Le facteur de surcharge de sécurité habituellement appliqué au compresseur est de 1,2 → puissance nominale à choisir : 5,5 kW. ### 4. Tableau récapitulatif des paramètres de l’exemple | Paramètre | Valeur | Unité | |-----------|--------|-------| | Charge frigorifique (\(Q_{c}\)) | 28,1 | kW | | Débit massique NH₃ (\(\dot{m}\)) | 0,0268 | kg s⁻¹ | | Puissance compresseur (\(\dot{W}_{comp}\)) | 4,56 | kW | | Puissance condenseur (\(\dot{Q}_{cond}\)) | 32,7 | kW | | Surface condenseur (\(A_{cond}\)) | 6,54 | m² | | Surface évaporateur (\(A_{evap}\)) | 5,62 | m² | | Température d’évaporation | –30 | °C | | Température de condensation | 35 | °C | --- ## II. Activités d’intégration ### 1. Objectif Mettre en œuvre, sur un banc d’essai ou une petite unité pilote, les étapes de montage, de mise en service et de réglage d’une installation frigorifique à NH₃ dimensionnée selon le TD précédent. L’activité vise à développer les compétences suivantes : lecture de schémas, assemblage de composants, vérification d’étanchéité, mise sous pression, réglage du détendeur et du compresseur, contrôle des paramètres de fonctionnement (températures, pressions, consommation électrique). ### 2. Mise en situation professionnelle Dans une entreprise de transformation agro‑alimentaire située à Douala, le service maintenance reçoit une nouvelle unité de congélation de 500 kg h⁻¹ de poisson. Le technicien doit : - Déballer les composants (compresseur, condenseur à eau, évaporateur à plaques, détendeur thermostatique, réservoir d’huile, vannes, manomètres, thermocouples). - Respecter les consignes de sécurité (port d’EPI, ventilation, détecteur de NH₃). - Effectuer le montage selon le schéma fourni par le bureau d’études. - Réaliser le tirage au vide, le chargement en NH₃, la mise sous pression et le démarrage. - Ajuster le détendeur pour obtenir la température d’évaporation cible (–30 °C). - Vérifier les performances (puissance frigorifique, consommation électrique) et comparer aux valeurs du TD. ### 3. Procédure d’intégration (pas à pas) | Étape | Action | Contrôle / outil | |-------|--------|------------------| | 1 | Lecture du schéma P&ID et vérification de la conformité des pièces | Liste de colisage | | 2 | Installation du compresseur sur son socle antivibratoire | Niveau à bulle | | 3 | Raccordement du condenseur à l’eau de refroidissement (tuyaux PVC, vannes d’isolement) | Débitmètre | | 4 | Pose de l’évaporateur dans la chambre froide (support inox) | Niveau | | 5 | Montage du détendeur thermostatique sur la ligne liquide | Clé dynamométrique | | 6 | Raccordement des tuyauteries de suction et de discharge (tubes acier carbone ou inoxydable, soudure TIG ou brasage à l'argent) | Test d’étanchéité à l’azote | | 7 | Installation des instruments de mesure (manomètres HP/LP, thermocouples PT100, wattmètre) | Calibrage | | 8 | Tirage au vide (< 5 mbar) avec pompe à vide rotative | Manomètre à vide | | 9 | Chargement en NH₃ (gaz liquide) jusqu’à la pression de service (≈ 12 bar) | Balance de charge | | 10 | Mise sous pression progressive, vérification des fuites (détecteur NH₃) | Détecteur portatif | | 11 | Démarrage du compresseur, montée en régime, observation des pressions | Enregistreur de données | | 12 | Réglage du détendeur pour obtenir \(T_{evap}= -30\) °C (vis de réglage) | Thermocouple | | 13 | Mesure de la puissance frigorifique (ΔT eau du condenseur × débit) et consommation électrique | Wattmètre, débitmètre | | 14 | Comparaison avec les valeurs du TD, rédaction du rapport de mise en service | Modèle de rapport | > **>** Toute intervention sur un circuit NH₃ doit être réalisée en présence d’un détecteur de NH₃ calibré et d’un extincteur à poudre adapté (classe B). ### 4. Exemple d’atelier (scénario réel) Lors d’une séance au lycée technique de Yaoundé, les élèves de Première MHB ont travaillé sur une mini‑unité de 2 kW. Après le tirage au vide, ils ont constaté une pression de montée à 8 bar au lieu des 12 bar prévus. En vérifiant le détendeur, ils ont découvert que le ressort était trop précontraint, provoquant une ouverture prématurée. Après remplacement du ressort, la pression s’est stabilisée à 11,8 bar et la température d’évaporation a atteint –29 °C, conforme au cahier des charges. Cette situation illustre l’importance de la vérification mécanique des composants avant le chargement en fluide. --- ## III. Activités de remédiation ### 1. Détection des difficultés Les difficultés les plus fréquentes observées lors du TD ou de l’intégration sont : - Erreur de lecture du diagramme p‑h (confusion entre enthalpie liquide et vapeur). - Sous‑estimation des pertes de charge dans les tuyauteries, entraînant un débit réel inférieur au calculé. - Mauvaise interprétation des consignes de sécurité (oubli du détecteur NH₃). - Désajustement du détendeur leading to surchauffe ou sous‑refroidissement de l’évaporateur. ### 2. Stratégies de remédiation | Difficulté | Action corrective | Ressource | |------------|-------------------|-----------| | Lecture du diagramme p‑h | Revoir les courbes d’isobares et d’isothermes, réaliser des exercices de lecture guidée | Fiches pédagogiques + logiciel de simulation (CoolProp) | | Pertes de charge | Appliquer l’équation de Darcy‑Weisbach étape par étape, vérifier le facteur de friction avec le tableau de Moody | Tableau de Moody, calculateur en ligne | | Sécurité NH₃ | Refaire un exercice de mise en situation avec port d’EPI et simulation de fuite (gaz inoffensif) | Kit de formation sécurité (INRS) | | Réglage du détendeur | Utiliser un manomètre de précision et un thermocouple pour effectuer un réglage itératif, consigner les valeurs | Procédure standard de réglage (fabricant) | | Interprétation des résultats | Comparer les mesures aux valeurs du TD, calculer l’écart relatif, analyser les causes (charge, pertes, réglage) | Grille d’analyse d’écart | ### 3. Exercices de renforcement (exemple) **Exercice 1 :** Une installation doit fournir 15 kW de froid à –25 °C. En supposant \(T_{cond}=40\) °C, \(U=450\) W m⁻² K⁻¹ et \(\Delta T_{lm}=12\) K, déterminer le débit massique NH₃ nécessaire et la surface du condenseur. **Corrigé :** 1. Enthalpies (approximatives) : \(h_{1}=1 380\) kJ kg⁻¹, \(h_{4}=250\) kJ kg⁻¹ → \(\Delta h=1 130\) kJ kg⁻¹. 2. \(\dot{m}= Q_{c}/\Delta h = 15/1,13 = 0,0133\) kg s⁻¹ = 47,8 kg h⁻¹. 3. \(\dot{Q}_{cond}= \dot{m}(h_{2}-h_{3})\). En prenant \(h_{2}=1 560\) kJ kg⁻¹, \(h_{3}=300\) kJ kg⁻¹ → \(\dot{Q}_{cond}=0,0133\times1 260=16,8\) kW. 4. \(A_{cond}= \dot{Q}_{cond}/(U\Delta T_{lm}) = 16,8×10³/(450×12)=3,11\) m². **Exercice 2 :** Lors d’un tirage au vide, la pression ne descend pas sous 20 mbar. Que vérifier ? **Corrigé :** Vérifier l’étanchéité des raccords (joints, soudures), s’assurer que la pompe à vide fonctionne correctement (huile, niveau), contrôler que les vannes sont bien ouvertes du côté aspiration et fermées du côté refoulement, et enfin s’assurer que le détecteur de vide n’est pas défectueux. --- ## Synthèse du chapitre - **Dimensionnement** : déterminer la charge frigorifique, choisir \(T_{evap}\) et \(T_{cond}\), lire le diagramme p‑h de l’NH₃, calculer le débit massique, la puissance du compresseur et les surfaces d’échange. - **Formules clés** : - \(\dot{m}= Q_{c}/(h_{1}-h_{4})\) - \(\dot{W}_{comp}= \dot{m}(h_{2}-h_{1})\) - \(A= \dot{Q}/(U\Delta T_{lm})\) - **Intégration** : montage selon schéma P&ID, tirage au vide, chargement NH₃, réglage du détendeur, vérification des performances. - **Remédiation** : identifier les erreurs de lecture du diagramme, de pertes de charge, de sécurité et de réglage ; appliquer des actions correctives ciblées. - **Sécurité** : port d’EPI, détecteur de NH₃, ventilation, extincteur classe B, respect des pressions de service (< 0,8 × pression de rupture). > **>** La puissance du compresseur doit toujours être majorée d’un facteur de sécurité d’au moins 1,2 pour tenir compte des variations de charge et des pertes mécaniques. > **>** La température d’évaporation doit être inférieure à la température de consigne du produit conservé afin d’assurer le transfert de chaleur, mais pas trop basse pour éviter le givrage de l’évaporateur. > **>** Lors du chargement en NH₃, la vitesse d’injection doit être limitée à 0,5 kg min⁻¹ afin de prévenir les chocs de pression dans le compresseur. > **>** Toute fuite détectée doit conduire à l’arrêt immédiat de l’installation, à l’évacuation de la zone et à la mise en œuvre du plan d’urgence NH₃. --- ## Glossaire | Terme | Définition | |-------|------------| | Ammoniac (NH₃) | Fluide frigorigène toxique et inflammable, utilisé pour son haut coefficient de performance (COP) et son impact nul sur l’ozone. | | Diagramme p‑h | Représentation graphique de la pression (p) en fonction de l’enthalpie (h) d’un fluide, indispensable pour le dimensionnement des cycles de compression. | | Débit massique (\(\dot{m}\)) | Masse de fluide qui traverse une section par unité de temps (kg s⁻¹). | | Puissance frigorifique (\(Q_{c}\)) | Quantité de chaleur retirée du produit à refroidir, exprimée en kilowatts (kW). | | Détendeur thermostatique | Dispositif qui réduit la pression du liquide frigorigène tout en régulant le débit en fonction de la température d’évaporation. | | Coefficient global d’échange (U) | Mesure de la capacité d’un échangeur à transférer la chaleur entre deux fluides (W m⁻² K⁻¹). | | Perte de charge | Diminution de pression due à la friction et aux changements de direction dans les tuyauteries (Pa). | | Facteur de sécurité | Rapport entre la résistance théorique d’un composant et la contrainte de service admise (souvent ≥ 1,2). | | Détecteur de NH₃ | Instrument qui mesure la concentration d’ammoniac dans l’air et déclenche une alarme au-delà d’un seuil de toxicité (généralement 25 ppm). | | COP (Coefficient de Performance) | Rapport entre la puissance frigorifique utile et la puissance électrique consommée par le compresseur. | --- ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 – Dimensionnement d’une chambre de congélation **Énoncé :** Une usine de transformation de volaille à Bamenda doit congeler 800 kg h⁻¹ de poulet à –18 °C. La température ambiante est de 28 °C. On choisit \(T_{evap}= -20\) °C et \(T_{cond}= 38\) °C. Les données du diagramme p‑h de l’NH₃ donnent : \(h_{1}=1 420\) kJ kg⁻¹, \(h_{2}=1 590\) kJ kg⁻¹, \(h_{3}=350\) kJ kg⁻¹. Le condenseur à eau présente \(U=480\) W m⁻² K⁻¹ et \(\Delta T_{lm}=11\) K. **Calcul :** 1. Charge frigorifique : \[ Q_{c}= \dot{m}_{prod}\,c_{p}\,\Delta T = \frac{800}{3600}\times 3,3 \times (28-(-18)) = 0,222\times3,3\times46 = 33,7\; \text{kW} \] 2. Débit massique NH₃ : \[ \dot{m}= \frac{Q_{c}}{h_{1}-h_{4}} \quad\text{avec } h_{4}=h_{3}=350\; \text{kJ kg}^{-1} \] \[ \dot{m}= \frac{33,7}{1 420-350}= \frac{33,7}{1 070}=0,0315\; \text{kg s}^{-1}=113,4\; \text{kg h}^{-1} \] 3. Puissance du compresseur : \[ \dot{W}_{comp}= \dot{m}(h_{2}-h_{1})=0,0315\times(1 590-1 420)=0,0315\times170=5,36\; \text{kW} \] Appliquer le facteur de sécurité 1,2 → \(P_{comp,nom}=6,4\) kW. 4. Puissance du condenseur : \[ \dot{Q}_{cond}= \dot{m}(h_{2}-h_{3})=0,0315\times(1 590-350)=0,0315\times1 240=39,1\; \text{kW} \] 5. Surface du condenseur : \[ A_{cond}= \frac{\dot{Q}_{cond}}{U\Delta T_{lm}}= \frac{39,1\times10^{3}}{480\times11}=7,41\; \text{m}^{2} \] **Réponse :** Débit NH₃ ≈ 0,032 kg s⁻¹ (113 kg h⁻¹), puissance compresseur nominale ≈ 6,4 kW, surface condenseur ≈ 7,4 m². ### Exercice 2 – Mise en service et réglage du détendeur **Énoncé :** Lors de la mise en service d’une unité de 4 kW à Yaoundé, après le tirage au vide et le chargement en NH₃, la pression d’évaporation se stabilise à 1,8 bar au lieu des 2,5 bar prévus. La température mesurée à la sortie de l’évaporateur est –12 °C au lieu de –20 °C. **Diagnostic et correction :** - Vérifier le réglage du détendeur : la vis de précontrainte est trop serrée, provoquant une ouverture prématurée. - Desserrer la vis de ¼ de tour, puis mesurer à nouveau la pression. - Si la pression reste basse, contrôler l’état du filtre à particules (possible colmatage) et le remplacer si nécessaire. - Après réglage, la pression doit atteindre 2,4–2,6 bar et la température d’évaporation –19 à –21 °C. - Noter les valeurs dans le registre de mise en service et effectuer un test de charge à 80 % de la capacité nominale pendant 30 min pour confirmer la stabilité. --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | N° | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de sécurité / bonne pratique | |----|------------------|-------------|------------------------------------| | 1 | Oublier de vérifier l’étanchéité avant le tirage au vide | Entrée d’air → formation de mélange explosif NH₃/air | Toujours réaliser un test à l’azote à 1,5× pression de service et utiliser un détecteur de fuites NH₃. | | 2 | Utiliser une clé à molette non calibrée pour serrer les raccords | Desserrage sous vibration → fuite de NH₃ | Utiliser une clé dynamométrique réglée selon le couple spécifié par le fabricant (ex. 25 Nm pour les raccords ½”). | | 3 | Négliger le port du masque à cartouche spécifique NH₃ lors du chargement | Inhalation de vapeurs toxiques → irritation respiratoire, risque d’œdème pulmonaire | Porter un appareil de protection respiratoire (APR) avec cartouche NH₃ et vérifier son étanchéité avant chaque intervention. | | 4 | Régler le détendeur uniquement à la pression, sans contrôler la température d’évaporation | Sous‑refroidissement ou surchauffe → perte d’efficacité ou givrage de l’évaporateur | Après chaque ajustement de pression, mesurer la température à la sortie de l’évaporateur avec un thermocouple calibré (±0,5 K). | | 5 | Démarrer le compresseur alors que le circuit n’est pas complètement sous vide | Compression de gaz non condensable → surchauffe, endommagement des soupapes | Vérifier que la pression absolue est < 10 mbar avant toute mise sous pression du compresseur. | | 6 | Utiliser de l’eau de refroidissement contenant des particules sans filtration | Encrassement du condenseur → perte de capacité d’échange, augmentation de la condensation temperature | Installer un filtre à 5 µm sur l’arrivée d’eau de refroidissement et le nettoyer toutes les 200 h de fonctionnement. | --- *Fin du cours.*