LES PRINCIPAUX APPAREILS D'UN CIRCUIT FRIGORIFIQUE (partie 1/2)

## Objectifs et prérequis **À la fin de ce chapitre, l’élève sera capable de :** - Identifier et décrire les fonctions des appareils principaux d’un circuit frigorifique (compresseur, condenseur, détendeur, évaporateur, réservoir de liquide, filtre‑sécheur). - Expliquer le principe de fonctionnement de chaque appareil en lien avec le cycle de compression‑condensation‑évaporation‑detente. - Réaliser, en atelier, le montage d’un circuit frigorifique simple en respectant les consignes de sécurité et les normes camerounaises (NF EN 378, arrêté du MINSEP sur les fluides frigorigènes). - Diagnostiquer les pannes les plus fréquentes (fuites, surchauffe du compresseur, givrage de l’évaporateur) et proposer les interventions correctives adaptées. - Rédiger un compte‑rendu d’intervention incluant les relevés de pression, de température et les actions menées. **Prérequis :** - Notions de base de la thermodynamique (premier et deuxième principe, changements d’état). - Connaissance des grandeurs physiques utilisées en froid (pression Pa, température °C, débit massique kg s⁻¹, puissance W). - Lecture de schémas électriques et hydrauliques simples. - Règles d’hygiène et de sécurité en atelier (port des EPI, manipulation des fluides frigorigènes, consignes de lock‑out/tag‑out). --- ## Introduction contextualisée Au Cameroun, la demande en installations de froid et de climatisation croît rapidement, portée par l’expansion du secteur agro‑alimentaire (conservation du poisson, du lait, des légumes), du tourisme (hôtels, restaurants) et du bâtiment tertiaire. Les techniciens en froid doivent donc maîtriser non seulement le fonctionnement théorique du cycle frigorifique, mais aussi la mise en œuvre pratique des appareils qui le composent. Ce chapitre se concentre sur les **appareils principaux** d’un circuit frigorifique à compression de vapeur, puis montre comment les intégrer dans une installation réelle et comment intervenir lorsqu’un dysfonctionnement apparaît. Les exemples s’appuient sur des situations rencontrées dans les ateliers de formation du MINSEP et sur les chantiers de réfrigération commerciale des villes de Douala et de Yaoundé. --- ## I. Les appareils principaux ### A. Compresseur > **Définition** : Machine qui augmente la pression du fluide frigorigène gazeux en lui apportant de l’énergie mécanique, permettant ainsi la condensation à température ambiante. **Fonctionnement** : Le compresseur aspire le vapeur basse pression provenant de l’évaporateur, la comprime adiabatiquement (ou presque) et la refoule à haute pression vers le condenseur. Selon le type, on distingue : - **Compresseur alternatif** (piston) : utilisé pour les petites puissances (< 5 kW). - **Compresseur rotatif à vis** : adapté aux puissances moyennes (5‑50 kW). - **Compresseur centrifuge** : réservé aux grandes installations industrielles (> 50 kW). **Caractéristiques techniques** : débit volumique (m³ h⁻¹), pression de refoulement (bar), puissance absorbée (kW), facteur de performance (COP). **Sécurité** : Vérifier la présence du dispositif de coupure thermique, respecter les intervalles de vidange d’huile, contrôler l’étanchéité des joints d’arbre. ### B. Condenseur > **Définition** : Échangeur de chaleur qui condense le fluide frigorigène sous haute pression en cédant sa chaleur latente à un fluide caloporteur (air ou eau). **Types** : - **Condenseur à air** (ailettes et tubes) : courant en climatisation split. - **Condenseur à eau** (tube dans tube, plaque) : utilisé en chambres froides industrielles. - **Condenseur évaporatif** : combinaison air‑eau pour améliorer l’efficacité en climat tropical. **Principe** : Le fluide à haute température et haute pression cède sa chaleur (Qcond = ṁ·h₂‑h₃) au fluide caloporteur ; la température de condensation dépend de la température du fluide caloporteur et de la surface d’échange. **Normes** : Respect du débit minimal d’air (ou d’eau) spécifié par le fabricant, nettoyage périodique des ailettes pour éviter l’encrassement (poussière, sels marins). ### C. Détendeur (ou valve d’expansion) > **Définition** : Dispositif qui crée une chute de pression contrôlée du fluide frigorigène liquide, provoquant son évaporation partielle et donc l’absorption de chaleur dans l’évaporateur. **Types principaux** : - **Valve thermostatique (TXV)** : régule le débit en fonction de la surchauffe à la sortie de l’évaporateur. - **Valve électronique (EXV)** : pilotée par un capteur de température et de pression, offre une régulation plus fine. - **Capillaire** : tube de petit diamètre utilisé dans les petits systèmes (pas de régulation active). **Fonction** : Passe du point 3 (liquide sous haute pression) au point 4 ( mélange liquide‑vapeur à basse pression). La chute de pression engendre une baisse de température (Joule‑Thomson). **Réglage** : Pour une TXV, ajuster la vis de précharge afin d’obtenir une surchauffe de 4‑6 °C à la sortie de l’évaporateur (mesurée avec un thermocouple). ### D. Évaporateur > **Définition** : Échangeur de chaleur où le fluide frigorigène basse pression absorbe la chaleur du milieu à refroidir, s’évaporant complètement. **Types** : - **Évaporateur à ailettes** (air) : utilisé dans les vitrines réfrigérées, les splits. - **Évaporateur à bain de liquide** (eau ou glycol) : utilisé dans les chillers industriels. - **Évaporateur à plaque** : compact, adapté aux chambres froides de petite taille. **Principe** : Qevap = ṁ·(h₁‑h₄) ; la température d’évaporation dépend de la pression de basse côté (fixée par le détendeur) et de la charge thermique du milieu. **Entretien** : Dégivrage périodique (arrêt du compresseur, chauffage résistif ou inversion de cycle) pour éviter l’accumulation de givre qui réduit le transfert thermique. ### E. Réservoir de liquide (récepteur) et filtre‑sécheur > **Définition** : Le réservoir stocke le liquide de condensat excédentaire ; le filtre‑sécheur élimine l’humidité et les particules pouvant endommager le compresseur. **Fonction du réservoir** : Assure une alimentation constante en liquide au détendeur, évite les coups de bélier dus à la présence de vapeur. **Fonction du filtre‑sécheur** : Contient un dessiccant (zéolite ou gel de silice) qui adsorbe l’eau ; une cartouche filtrante retient les impuretés métalliques. **Maintenance** : Remplacer la cartouche du filtre‑sécheur chaque 12 mois ou dès que l’indicateur d’humidité change de couleur. --- ## II. Activités d’intégration ### A. Montage d’un circuit frigorifique de base 1. **Préparation du poste de travail** : vérifier la disponibilité des EPI (gants anti‑coupure, lunettes, masque), couper l’alimentation électrique, mettre en place le dispositif de consignation. 2. **Assemblage des tuyauteries** : souder ou braser les tubes cuivre selon la norme EN 12735‑1, vérifier l’absence de fuites avec un détecteur de halogénures. 3. **Installation des appareils** : fixer le compresseur sur son support anti‑vibration, monter le condenseur avec un dégagement d’air suffisant (≥ 150 mm), positionner l’évaporateur dans le volume à refroidir. 4. **Raccordement électrique** : câbler le moteur du compresseur selon le schéma de liaison terre‑phase‑neutre, installer le relais de surcharge et le pressostat de haute/basse pression. 5. **Charge du fluide frigorigène** : évacuer le circuit à < 5 Pa, puis introduire la quantité nominale de fluide (ex. R‑134a : 0,8 kg kW⁻¹ de puissance frigorifique) à l’aide d’une station de charge équipée d’une balance de précision. 6. **Mise en service** : démarrer le compresseur, vérifier les pressions de condensation et d’évaporation (ex. 10 bar / 2 bar pour R‑134a à 35 °C ambiante), ajuster la surchauffe via la TXV, relever les températures d’entrée/sortie de l’évaporateur et du condenseur. 7. **Essai de fonctionnement** : mesurer la puissance frigorifique réelle (Qevap = ṁ·Cp·ΔT air) et comparer à la valeur nominale ; consigner les valeurs dans le carnet de suivi. ### B. Mise en conformité avec les normes camerounaises - **NF EN 378‑1** : classification des fluides frigorigènes (groupes de toxicité et d’inflammabilité). Au Cameroun, les fluides du groupe A1 (ex. R‑134a, R‑404A) sont autorisés en milieu clos avec ventilation adéquate. - **Arrêté n° 001/MINEPAT du 12 mars 2022** : obligation de récupérer les fluides usagés auprès d’un centre agréé (ex. centre agréé de récupération des fluides frigorigènes). - **Hygiène** : nettoyer les surfaces en contact avec les denrées alimentaires avec un détergent neutre, rincer à l’eau potable, désinfecter à l’eau de javel 0,1 % si nécessaire. ### C. Exemple chiffré : dimensionnement d’un petit split Données : puissance frigorifique souhaitée = 2 kW, température d’évaporation = ‑5 °C, température de condensation = 45 °C, fluide = R‑134a. 1. **Débit massique** : \[ \dot{m} = \frac{Q_{evap}}{h_1 - h_4} \] Avec h₁ ≈ 250 kJ kg⁻¹ (vapeur à ‑5 °C) et h₄ ≈ 90 kJ kg⁻¹ (mélange à 2 bar), Δh ≈ 160 kJ kg⁻¹ → \[ \dot{m} = \frac{2000}{160} = 12,5 \text{ g s}^{-1} \] 2. **Puissance électrique du compresseur** (en supposant un COP théorique de 3,2) : \[ P_{elec} = \frac{Q_{evap}}{COP} = \frac{2000}{3,2} = 625 \text{ W} \] 3. **Vérification de la surchauffe** : avec une TXV réglée à 5 °C, la température de vapeur à la sortie de l’évaporateur doit être ≈ 0 °C (‑5 °C + 5 °C). Ce type de calcul est réalisé en atelier à l’aide d’un tableau de propriétés du R‑134a (disponible dans le manuel du technicien). --- ## III. Activités de remediation ### A. Démarche de diagnostic 1. **Observation** : noter les symptômes (pas de refroidissement, bruits anormaux, givrage, déclenchement du disjoncteur). 2. **Mesures** : relever les pressions de haute et basse côté, les températures d’aspiration et de refoulement, le courant d’alimentation du compresseur. 3. **Interprétation** : comparer aux valeurs de référence (tableau de pression‑température du fluide). 4. **Hypothèse** : établir une liste de causes possibles (fuite, sous‑charge, surcharge, détendeur bloqué, compresseur défectueux). 5. **Vérification** : tester chaque hypothèse (détecteur de fuites, pesée de charge, contrôle de la TXV, mesure de l’isolation du compresseur). 6. **Intervention** : réparer ou remplacer le composant défectueux, recharger le circuit, effectuer un essai de fonctionnement. 7. **Validation** : confirmer que les paramètres sont dans les tolérances et que le défaut ne réapparaît pas après 24 h de fonctionnement. ### B. Cas fréquents et procédures correctives | Symptomatique | Cause probable | Vérification | Action corrective | |---------------|----------------|--------------|-------------------| | Pas de refroidissement, pression basse côté < 1 bar | Sous‑charge de fluide | Peser la quantité de fluide présente | Rechercher fuite, réparer, recharger à la norme | | Givrage de l’évaporateur, pression haute côté > 15 bar | Détendeur bloqué en position fermée | Mesurer la différence de température avant/après TXV | Remplacer ou nettoyer la TXV | | Surchauffe du compresseur, température de refoulement > 120 °C | Surcharge de fluide ou défaut de refroidissement du condenseur | Vérifier le débit d’air/eau du condenseur, nettoyer les ailettes | Nettoyer le condenseur, ajuster la charge, vérifier le ventilateur | | Bruits métalliques, vibrations importantes | Usure des paliers du compresseur ou désalignement | Contrôler le jeu axial/radial, écouter avec un stéthoscope | Remplacer les paliers, réaligner le moteur | | Déclenchement répété du disjoncteur | Court‑circuit interne du compresseur | Mesurer la résistance d’enroulement, tester à la mise à la terre | Remplacer le compresseur | ### C. Règles de sécurité essentielles (à retenir) > **>** Toujours couper l’alimentation électrique et vérifier l’absence de tension avant toute intervention sur le compresseur. > **>** Utiliser un détecteur de fuites agréé (ex. lampe UV + traceur) pour contrôler l’étanchéité des soudures. > **>** Porter des gants résistants au froid et des lunettes de protection lors de la manipulation du fluide frigorigène sous pression. > **>** Ne jamais relâcher délibérément un fluide frigorigène dans l’atmosphère ; le récupérer dans une bouteille de récupération certifiée. > **>** Après toute ouverture du circuit, effectuer un vide poussé (< 5 Pa) avant la recharge afin d’éliminer l’humidité et l’air. --- ## Synthèse du chapitre - **Compresseur** : augmente la pression du fluide, types alternatif, vis, centrifuge ; nécessite entretien de l’huile et contrôle thermique. - **Condenseur** : échangeur air/eau qui condense le fluide ; choisir selon le débit de fluide caloporteur et la température ambiante. - **Détendeur (TXV, EXV, capillaire)** : crée la chute de pression permettant l’évaporation ; réglé par la surchauffe à la sortie de l’évaporateur. - **Évaporateur** : absorbe la chaleur du milieu à refroidir ; types à ailettes, bain liquide, plaque ; dégivrage périodique indispensable. - **Réservoir & filtre‑sécheur** : stockent le liquide et éliminent l’humidité/particules ; cartouche à remplacer annuellement. - **Montage** : préparation, soudure, fixation, raccordement électrique, vide, charge, mise en service, essais. - **Normes** : NF EN 378 (classification des fluides), arrêté MINEPAT sur la récupération, règles d’hygiène alimentaire. - **Diagnostic** : observation, mesures pression/température, interprétation, hypothèse, test, intervention, validation. - **Erreurs fréquentes** : sous‑charge, surcharge, détendeur bloqué, givrage, défaut de compresseur ; chaque cas possède une procédure de vérification et de correction. - **Sécurité** : coupure électrique, EPI, détection de fuites, récupération du fluide, vide poussé. --- ## Glossaire - **Compresseur** : machine qui augmente la pression du fluide frigorigène gazeux en lui fournissant de l’énergie mécanique. - **Condenseur** : échangeur de chaleur où le fluide frigorigène cède sa chaleur latente à un fluide caloporteur (air ou eau). - **Détendeur** : dispositif qui crée une chute de pression contrôlée du fluide, provoquant son évaporation partielle. - **Évaporateur** : échangeur où le fluide frigorigène basse pression absorbe la chaleur du milieu à refroidir et s’évapore. - **Réservoir (récepteur)** : récipient qui stocke le liquide de condensat excédentaire pour assurer une alimentation régulière du détendeur. - **Filtre‑sécheur** : composant contenant un dessiccant et un filtre qui éliminent l’humidité et les particules du circuit. - **TXV (Valve thermostatique)** : détendeur qui régule le débit de fluide en fonction de la surchauffe à la sortie de l’évaporateur. - **COP (Coefficient de Performance)** : rapport entre la puissance frigorifique utile et la puissance électrique absorbée. - **Sous‑charge** : quantité de fluide frigorigène inférieure à la norme, entraînant une baisse de pression d’évaporation et de puissance. - **Surcharge** : excès de fluide dans le circuit, provoquant des pressions élevées de condensation et un risque de endommagement du compresseur. - **Vide poussé** : pression résiduelle inférieure à 5 Pa obtenue après évacuation du circuit, nécessaire avant la charge de fluide. - **Dégivrage** : opération visant à éliminer le givre accumulé sur l’évaporateur par arrêt du compresseur, chauffage ou inversion de cycle. --- ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 – Dimensionnement d’un petit vitrine réfrigérée **Données** : - Puissance frigorifique requise : 1,5 kW - Température d’évaporation souhaitée : ‑10 °C - Température de condensation ambiante : 38 °C - Fluide frigorigène : R‑134a - COP estimé du compresseur : 3,0 **Demande** : 1. Calculer le débit massique de fluide nécessaire. 2. Déterminer la puissance électrique absorbée par le compresseur. 3. Vérifier si une surchauffe de 5 °C à la sortie de l’évaporateur est réalisable avec une TXV réglée à cette valeur. **Corrigé** 1. **Débit massique** - Enthalpie de vapeur à ‑10 °C (h₁) ≈ 240 kJ kg⁻¹ (table R‑134a). - Enthalpie du mélange à la sortie du détendeur (h₄) ≈ 85 kJ kg⁻¹ (pression d’évaporation ≈ 1,5 bar). - Δh = h₁ – h₄ = 240 – 85 = 155 kJ kg⁻¹. - \[ \dot{m} = \frac{Q_{evap}}{Δh} = \frac{1500}{155} ≈ 9,68 \text{ g s}^{-1} \] 2. **Puissance électrique** - \[ P_{elec} = \frac{Q_{evap}}{COP} = \frac{1500}{3,0} = 500 \text{ W} \] 3. **Surchauffe** - Avec une TXV réglée à 5 °C de surchauffe, la température de vapeur à la sortie de l’évaporateur doit être : T\_sortie = T\_évap + surchauffe = (‑10 °C) + 5 °C = ‑5 °C. - À cette température, la pression de vapeur saturante du R‑134a est ≈ 2,0 bar, compatible avec la pression d’évaporation calculée (1,5‑2,0 bar). - Donc la surchauffe de 5 °C est réalisable. **Conclusion** : Un débit de ≈ 9,7 g s⁻¹, une puissance électrique de 500 W et une TXV réglée à 5 °C de surchauffe permettent d’obtenir les performances demandées. --- ### Exercice 2 – Recherche de fuite sur un système de climatisation split **Scénario** : Lors de la mise en service d’un split de 2,5 kW, le technicien constate que la pression basse côté ne dépasse jamais 0,8 bar alors que la valeur attendue pour R‑410A à ‑5 °C d’évaporation est de 4,2 bar. Le courant du compresseur est normal. **Étapes de diagnostic** (à décrire) : 1. **Vérification visuelle** : inspecter les soudures, les raccords et les joints du circuit pour détecter des traces d’huile ou de condensation. 2. **Test à la lampe UV** : appliquer un traceur fluorescent sur les zones suspectes, éclairer avec une lampe UV ; toute fluorescence indique une fuite. 3. **Mesure avec détecteur électronique** : passer la sonde du détecteur de halogénures le long des tuyauteries ; une hausse du signal confirme la présence de fluide. 4. **Localisation précise** : une fois la zone identifiée, resserrer le raccord ou refaire la soudure selon la norme EN 12735‑1. 5. **Nouvelle évacuation** : après réparation, effectuer un vide poussé (< 5 Pa) pendant 10 min. 6. **Recharge** : introduire la quantité nominale de R‑410A (≈ 0,9 kg kW⁻¹ × 2,5 kW = 2,25 kg) à l’aide d’une balance de précision. 7. **Essai de fonctionnement** : vérifier que la pression basse côté atteint maintenant 4,2 bar et que la température d’évaporation correspond à ‑5 °C. **Corrigé attendu** : Le technicien doit décrire chacune des étapes ci‑dessus, justifier l’utilisation du traceur UV et du détecteur électronique, préciser les valeurs de pression attendues, et conclure que la réparation de la fuite suivie d’une évacuation et d’une recharge correcte rétablit le fonctionnement normal. --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | N° | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de prévention / action corrective | |----|------------------|-------------|----------------------------------------| | 1 | Oublier de couper l’alimentation avant de travailler sur le compresseur | Risque de choc électrique ou de démarrage intempestif | **>** Toujours vérifier l’absence de tension avec un voltmètre et appliquer un dispositif de consignation/lock‑out. | | 2 | Négliger le vide poussé après une ouverture du circuit | Présence d’air et d’humidité → hausse de pression, corrosion, mauvais rendement | **>** Effectuer un vide < 5 Pa pendant au moins 5 min avant toute recharge. | | 3 | Serrer excessivement un raccord à compression | Déformation du tube, fuite éventuelle | **>** Utiliser une clé dynamométrique réglée au couple spécifié par le fabricant (ex. 20 Nm pour un raccord ½”). | | 4 | Utiliser un fluide frigorigène non autorisé (ex. R‑22 en nouvelle installation) | Non‑conformité réglementaire, risque environnemental | **>** Vérifier la liste des fluides autorisés par l’arrêté MINEPAT en vigueur et choisir un fluide du groupe A1 (ex. R‑134a, R‑404A). | | 5 | Ne pas remplacer la cartouche du filtre‑sécheur après une intervention | Accumulation d’humidité → acidification de l’huile, usure du compresseur | **>** Remplacer la cartouche à chaque ouverture du circuit ou au moins tous les 12 mois. | | 6 | Ignorer les consignes de dégivrage sur un évaporateur à basse température | Givrage excessif → réduction du transfert thermique, surcharge du compresseur | **>** Planifier un cycle de dégivrage toutes les 4‑6 h ou selon la température d’évaporation, vérifier le bon fonctionnement du résistance ou de l’inversion de cycle. | --- *Fin du cours.*