Cours sur la technique du froid

Les notes suivantes sont basées sur les principes fondamentaux de la technique du froid, préparées par l'Association Suisse du Froid (ASF SVK ATF), et servent de préparation à l'examen pratique pour le permis de manipuler les installations frigorifiques fixes.

1. Principes Fondamentaux de la Physique

1.1 La Pression

La pression est définie comme la force exercée sur une unité de surface.

$$p=\frac{F}{A}\left[{\mathrm{N}/\mathrm{m}}^2\right]=\text{Pascal [Pa]}$$

• L'unité de pression, le Pascal, représente une pression très faible.
• Dans la technique, on utilise le bar : $1 \text{ bar} = 100\ 000 \text{ Pa}$.
• $1 \text{ mbar} = 100 \text{ Pa}$.
• La mesure de la pression atmosphérique avec un baromètre à mercure se fait en Torr :
  • $1 \text{ Torr} = 1 \text{ mm Hg}$.
  • $1 \text{ Torr} = 1,33 \text{ mbar}$.
  • $1 \text{ Micron} = 1 \text{ mTorr} = 1,33 \times 10^{-3} \text{ mbar}$.

Dans un circuit fermé, la pression se répartit uniformément dans toutes les directions (appliquable aux liquides et aux gaz).

Échelles de Pression

• Pression Absolue: commence à 0 dans le vide absolu (absence de molécules). Les données sont indépendantes de la pression ambiante.
• Pression Atmosphérique:
  • Dépend de l'altitude au-dessus du niveau de la mer et fluctue d'environ 5 % due aux influences météorologiques.
  • Atmosphère normalisée: $1,013 \text{ bar}$ (souvent arrondie à $1 \text{ bar}$ pour simplifier).

  Niveau de la mer	Pression en bar
  0	1,013
  200	0,989
  500	0,955
  1000	0,899
  2000	0,795
  4000	0,616
  10'000	0,264

• Pression Relative (Manométrique):
  • La plupart des manomètres comparent la pression à la pression ambiante. Le point zéro est la pression ambiante.
  • Les pressions supérieures à la pression ambiante sont positives (surpression).
  • Les pressions inférieures (dépression, vide) sont négatives. Le vide absolu est de $-1 \text{ bar}$.
  • Les valeurs de surpression doivent être signalées comme telles, ex. « surpression de $4 \text{ bar}$ ».

Formules de Conversion (si la pression atmosphérique est d'environ $1 \text{ bar}$)

• Surpression = Pression absolue - $1$
• Pression absolue = Surpression + $1$

Les manomètres de surpression doivent être réajustés à la pression atmosphérique avant d'être raccordés au système de froid.

1.2 Température

Échelle Celsius

• Point de fusion de l'eau : $0 \text{ °C}$
• Point d'ébullition de l'eau : $100 \text{ °C}$ (à $1,013 \text{ bar}$)
• Le $0 \text{ °C}$ est facile à reproduire avec de la glace fondante déminéralisée, indépendamment de la pression atmosphérique.
• Le point d'ébullition de l'eau dépend de la pression atmosphérique et de l'altitude.

Échelle Kelvin

• Basée sur le zéro absolu ($0 \text{ K}$), calculé à $-273,15 \text{ °C}$.
• Même graduation que l'échelle Celsius, mais sans valeurs négatives.

$$\begin{array}{l}0\mathrm{K}=-\mathrm{273,15}{}^{◦}\mathrm{C}\\ 0{}^{◦}\mathrm{C}=\mathrm{273,15}\mathrm{K}\end{array}$$

L'échelle Kelvin doit toujours être utilisée pour les calculs thermodynamiques.

Exemple:
Température externe $t_a = -10 \text{ °C}$
Température ambiante $t_i = +21 \text{ °C}$
Différence $\Delta T = 31 \text{ K}$

1.3 Changement d'État des Agrégats / Évaporation et Condensation

• Dans un système à deux phases (liquide et gaz), il existe un équilibre entre la pression et la température.
• La température dépend de la pression, ou la pression dépend de la température.
• Cette relation est unique et s'applique aux systèmes en flux et au repos.
• Application: Mesure de la température avec un manomètre et un tableau de pression de vapeur. Les manomètres de froid intègrent des échelles de température correspondantes.
• La relation pression-température n'est valable que lorsque le liquide et le gaz coexistent.
• Les températures de condensation et d'évaporation dans un circuit de froid sont définies par des mesures de pression.

Tableau des Effets du Changement d'État:

Situation	Effets sur le circuit de froid	Effets sur l'environnement
Évaporation du réfrigérant	→ Absorption de la chaleur	→ Refroidissement
Condensation du réfrigérant	→ Dégagement de chaleur	→ Réchauffement

• Pendant l'évaporation et la condensation, la température reste constante.
• Le réfrigérant se déplace (se condense) vers l'endroit le plus froid.
• Exemples:
  • Transvasement du réfrigérant par différence de température entre deux conteneurs.
  • Déplacement indésirable de réfrigérant à l'arrêt du système.
  • Le capteur du thermostat (sans adsorption) doit être situé à l'endroit le plus froid.
• Surchauffe: température au-dessus de la température d'évaporation, état gazeux.
• Sous-refroidissement: température en dessous de la température de condensation, état liquide.

1.4 Résumé des Principes Fondamentaux de Physique

• Un manomètre mesure les pressions relatives (surpression et pression négative).
• Les différences de température s'expriment en K (Kelvin).

2. Principaux Composants du Circuit de Froid

Un circuit de froid simple se compose des éléments principaux suivants:

1. Compresseur
2. Condensateur
3. Réducteur de débit (ou organe de détente)
4. Évaporateur

3. Compresseurs Frigorifiques

3.1 Vue d'Ensemble

Les compresseurs sont des composants clés qui augmentent la pression et la température du réfrigérant gazeux.

3.2 Les Différents Types de Compresseurs

• Compresseurs ouverts:
  • À garniture mécanique, entraînés directement ou par courroie trapézoïdale.
  • Souvent utilisés pour les grandes tailles.
• Compresseurs semi-hermétiques:
  • Moteur électrique intégré dans le corps du compresseur.
  • Disponibles en version hermétique.
• Compresseurs (entièrement) hermétiques:
  • Boîtier soudé.
  • Vitesse de $3'000 \text{ t/min}$.
  • Principalement utilisés pour les petites et moyennes installations en raison des exigences d'étanchéité croissantes.

3.3 Les Compresseurs à Piston

Lorsqu'on parle de «compresseur», on fait généralement référence à la combinaison d'un compresseur et d'un moteur électrique (hermétiques ou semi-hermétiques).

Composants Clés d'un Compresseur à Piston

• Corps du compresseur
• Joints d'étanchéité statiques
• Cache-cylindre
• Plaque de vanne
• Vannes d'aspiration et de refoulement (vannes à anche ou à plaque annulaire)
• Cylindre
• Piston, axe de piston, segments de piston
• Bielle
• Vilebrequin
• Pompe à huile, filtre à huile, perforations
• Garniture mécanique (pour compresseurs ouverts)
• Paliers lisses à lubrification dynamique à l'huile
• Conduit de retour et de récupération d'huile:
  • L'huile éjectée doit être récupérée.
  • L'huile récupérée doit être séparée dans le compresseur.
• L'habitacle du vilebrequin est sous basse pression.
• Carter d'huile
• Chauffage de carter

Durée de Vie et Conditions de Fonctionnement

• L'usure des pièces mobiles se produit principalement au démarrage et à l'arrêt.
• Pour prolonger la durée de vie:
  1. Fréquence maximale de démarrage: env. $6/\text{heure}$ (pompes à chaleur $3/\text{heure}$).
  2. Durée minimale par cycle de fonctionnement: $5 \text{ à } 15 \text{ min}$ (selon la taille du compresseur).

Types de Refroidissement

• Refroidissement externe:
  • Air
  • Eau
  • Refroidissement de la tête de cylindre
• Refroidissement des gaz d'aspiration: optimal pour les moteurs électriques à haut rendement, mais utilisation limitée.
• Refroidissement par huile: pour les petits compresseurs et les compresseurs à vis.

Gestion de l'Huile

• Une partie de l'huile est refoulée avec le gaz de compression (sauf compresseurs sans huile).
• La récupération d'huile est cruciale pour la construction des installations.
• L'huile absorbe du réfrigérant, ce qui réduit sa viscosité et favorise son refoulement dans la conduite d'aspiration.
• Effets indésirables du réfrigérant dans le carter à l'arrêt (si la température est inférieure à $\approx +10 \text{°C}$ ou lors d'arrêts prolongés):
  • Manque de lubrification.
  • Moussage de l'huile et pénétration dans la chambre.
  • Coup de bélier huile/fluide.
• Chauffage de carter: obligatoire si le compresseur peut se refroidir en dessous de $10 \text{ °C}$ ou pour des arrêts prolongés. Il réduit l'absorption de réfrigérant et prévient les dommages.

Risques liés à une Surchauffe Faible ou Absente

Si du réfrigérant liquide atteint le compresseur:

1. La dilution de l'huile dégrade la lubrification.
2. L'huile mousse continuellement, dégradant la lubrification.
3. La mousse d'huile peut pénétrer dans la chambre côté aspiration, causant:
   1. Des rejets d'huile nettement plus importants.
   2. Des coups de bélier huile-fluide.
4. Les vannes peuvent être gravement endommagées (déformation, fissure).

3.4 Compresseurs Rotatifs

• Courants dans la climatisation (split units de faible puissance) et de plus en plus dans les pompes à chaleur.
• Principalement de conception entièrement hermétique.
• Le réfrigérant est comprimé par un piston cylindrique à rotation excentrique.
• La séparation haute/basse pression se fait par une vanne de séparation à tiroir.

3.5 Compresseur Swing

• Similaire au compresseur rotatif, mais le piston et le tiroir de séparation sont fabriqués d'une seule pièce.
• Cela élimine le risque de fuite entre le piston rotatif et le tiroir de séparation.
• Le mouvement est un «balancier» créé par l'excentrique qui entraîne le piston.

3.6 Compresseur Scroll (Spiro-Orbital)

Important pour les petites et moyennes puissances. Principe basé sur un disque fixe et un disque orbital avec des barres en spirale (involutes).

Caractéristiques

• À l'arrêt, à des pressions trop élevées ou avec trop de liquide, le disque orbital se centre.
• Démarrage sans pression.
• Absence de vannes, mais présence d'un clapet anti-retour pour éviter l'effet de turbine.
• Moins de vibrations que les compresseurs à piston.
• Ratio de volume fixe:
  • Si la dépression est trop élevée: le gaz est « surcomprimé » avant l'expulsion.
  • Si la dépression est trop faible: le compresseur doit faire des tours supplémentaires pour atteindre la pression de condensation requise.

Avantages

• Palier à glissière.
• Faible rejet d'huile ($< 0,5 \text{ \%}$ contre $2 \text{ à } 5 \text{ \%}$ pour les pistons). La lubrification du scroll se fait par la teneur en huile du gaz d'aspiration.
• Pas de frottement radial (mouvement de roulement de la ligne de contact).
• Clapet anti-retour côté pression pour éviter l'effet turbine.
• Normalement, pas besoin de silencieux.
• Compression dépendante du sens de rotation, mais insensible à un sens de rotation incorrect pendant une courte durée.
• L'effet d'étanchéité s'améliore en fonctionnement grâce au rodage des surfaces et à la force centrifuge.
• Insensible à une teneur en liquide trop élevée occasionnelle ou à une pression finale trop élevée.
• Moins sensible à l'écumage de l'huile au démarrage (chauffage de carter néanmoins nécessaire).
• Insensible aux conditions de pression inversée dans les installations à fonctionnement inversé.
• Démarrage facilité.
• Le joint flottant assure une pression de contact axiale très constante, avec une étanchéité axiale optimale et une usure minimale.
• Protection supplémentaire contre une teneur en liquide trop élevée ou une pression finale trop élevée.
• Le contrôle de puissance «Digital» utilise la mobilité axiale pour s'adapter.
• Lien vers des perforations dans la zone de moyenne pression du disque fixe pour le mode ECO (EVI) ou injection de liquide.
• Soupape de pression dans la zone de sortie du disque fixe pour l'éjection prématurée du gaz en cas de surcompression.

Restrictions d'Application des Compresseurs (Général)

	Restrictions d'application	Pourquoi
1.	Pression de condensation max.	Selon le réfrigérant: 28, 32, 42/43, 46, 53, 160 bar. Mécanique et température finale de compression.
2.	Pression de condensation min.	En général env. $20 \text{ °C}$. Une pression plus faible peut surcharger les vannes, et l'huile peut mousser à basse température. Surchauffe des gaz min. $25 \text{ K}$. Consulter le fabricant.
3.	Pression d'aspiration min.	Refroidissement et température finale de compression.
4.	Pression d'aspiration max.	Consommation du moteur électrique. Applications: climat, refroidissement ou congélation.
Restrictions d'application supplémentaires
5.	Température gaz d'aspiration max.	Refroidissement et température finale de compression.
6.	Température gaz chauds max.	env. $120 \text{ °C}$, stabilité thermique de l'huile, risque de combustion de l'huile.

• Les restrictions peuvent être repoussées par un refroidissement supplémentaire de la tête de cylindre (air ou eau).
• La pression d'aspiration minimale est souvent limitée à $0,2 \text{ barg}$ pour éviter l'entrée d'air et humidité en cas de non-étanchéité.
• Les compresseurs avec régulation de puissance par arrêt du cylindre ont une pression d'aspiration minimale plus élevée en mode régulé.

4. Échangeurs de Chaleur

Types d'Échangeurs de Chaleur

• Avec réfrigérant: désurchauffeurs, condenseurs, sous-refroidisseurs, évaporateurs et surchauffeurs.
• À circuit secondaire: refroidisseurs et aérorefroidisseurs.

4.1 Condenseurs et Évaporateurs à Air

• Le côté air influence la valeur de transmission de la chaleur (valeur U) de $30 \text{ à } 40 \text{ W/m}^2$.

4.2 Échangeur de Chaleur Coaxial

• Peut être utilisé comme évaporateur et condenseur.
• Échangeur de chaleur à contre-courant en spirale.
• Composition:
  1. Sortie du liquide de refroidissement ($T_4$)
  2. Entrée du liquide de refroidissement ($T_2$)
  3. Sortie du réfrigérant ($T_3$)
  4. Entrée du réfrigérant ($T_1$)

4.3 Échangeur de Chaleur à Faisceau Tubulaire

• Réfrigérant dans les tuyaux, eau dans l'enveloppe (évaporateur à faisceau tubulaire, condenseur à faisceau tubulaire).
• Réfrigérant dans l'enveloppe, eau dans les tuyaux (évaporateur à faisceau tubulaire à double circuit).

4.4 Condenseur à Pot

• Boîtier cylindrique en acier avec un échangeur de chaleur en cuivre (spirales à ailettes ou tubes lisses).
• La vapeur de réfrigérant entre par le haut et se condense sur les spirales.
• Le condensat s'accumule dans la partie inférieure.
• Le liquide de refroidissement s'écoule par le bas dans les spirales.

4.5 Échangeurs de Chaleur à Plaques Brasées

• Très souvent utilisés comme évaporateurs et condenseurs dans les installations de froid.

5. Composants du Circuit de Froid

5.1 Filtre Déshydrateur

• Filtre et absorbe les impuretés (corps étrangers), l'humidité (avec tamis moléculaires) et l'acide (en fonction de la cartouche filtrante) du réfrigérant liquide.
• À remplacer après chaque intervention sur l'installation.

5.2 Filtre pour Ligne d'Aspiration

• Filtre et absorbe les impuretés, l'humidité, l'eau et l'acide du réfrigérant gazeux.
• Utilisé en cas de détection d'acide ou après un brûlage de bobinage moteur (burn-out).
• Pour les installations plus importantes, un boîtier de filtre avec bride permet l'utilisation de différentes cartouches.
• Important: les éléments doivent être retirés après avoir rempli leur fonction pour éviter une perte de pression permanente.

5.3 Voyant Liquide

• Indique l'humidité par un indicateur.
• Situé après le collecteur pour déterminer le volume de remplissage.
• Devant la vanne de détente pour détecter le gaz flash.
• Important: Les regards ne doivent être vérifiés que lorsque le système fonctionne en continu, car les fluctuations peuvent masquer l'état réel.

5.4 Robinets d'Arrêt (à Passage Libre)

• Sans perte de pression.
• Exécution hermétique.
• Utilisés pour la maintenance, l'arrêt de groupes, le contournement d'échangeurs de chaleur (détartrage) ou comme robinets de remplissage.
• Protègent les instruments de mesure sensibles à la pression.

5.5 Robinets d'Arrêt (3 Positions)

• Souvent sur les compresseurs et les collecteurs.
• Trois positions:
  1. Passage principal ouvert.
  2. Passage principal fermé.
  3. Position médiane: passage principal et connexion externe ouverts.
• Attention: Desserrer légèrement le joint de la tige avant de l'actionner, et le resserrer après. Les bouchons doivent être serrés avec des outils.

5.6 Raccord de Mesure Schrader

• Généralement requis pour les mesures de pression.
• Attention: Source importante de fuites. Les joints en caoutchouc doivent être remplacés par des écrous borgnes et un insert de bouchon en cuivre.

5.7 Électrovannes (Normalement Fermées)

• Convient uniquement aux petites dimensions à cause de la force magnétique nécessaire pour ouvrir contre la différence de pression.

5.8 Électrovannes (Servo-Commandées)

• Fonctionne par asservissement: de plus grandes sections peuvent être ouvertes/fermées avec une faible force magnétique.
• L'aimant n'ouvre/ferme que la petite buse pilote.
• La force de fermeture est générée par l'accumulation de pression sur la membrane.
• Nécessite une perte de charge minimale (la pression d'entrée doit être supérieure à la pression de sortie à l'ouverture).

5.9 Vanne 4 Voies

• Inverse le circuit en commutant entre la conduite d'aspiration et la conduite de gaz chaud.
• Utilisée pour le dégivrage des pompes à chaleur air-eau ou l'inversion des fonctions chauffage/refroidissement.
• Le piston de commutation est déplacé par contrôle pilote, qui utilise la haute pression pour appliquer une force.
• Le contrôle pilote entraîne une faible fuite interne.
• Raccords typiques: Pression (1), Évaporateur/Condenseur (2), Gaz d'aspiration (3), Condenseur/Évaporateur (4).

5.10 Vannes 3 Voies

• Souvent utilisées pour passer du chauffage au condenseur d'eau chaude sanitaire dans la conduite de gaz chaud.
• Commandées par un pilote avec piston interne.
• Le raccordement à la basse pression doit être externe.
• Pour les grandes vannes, l'unité du piston doit être révisée.

5.11 Clapets Anti-Retour

• Prévenir la migration des réfrigérants (causée par différences de pression ou température).
• Utilisés dans diverses applications, dont le dégivrage au gaz chaud des pompes à chaleur.
• L'installation de froid doit être vidée avant et après le clapet anti-retour lors de la mise en service ou des réparations.

5.12 Compensateurs Axiaux

• Absorbent les vibrations du compresseur dans le sens axial.
• Toujours installés dans le sens du vilebrequin du compresseur.

5.13 Amortisseur de Pulsations

• Absorbe les pulsations dues aux mouvements du piston dans le gaz chaud.
• Respecter la position de montage et la fixation.
• Normalement non nécessaire pour les compresseurs scroll.

5.14 Bouteille Liquide

• Collecte la totalité de la charge de réfrigérant pendant les réparations.
• Sépare les réfrigérants gazeux et liquides.
• Agit comme un vase d'expansion en cas de transfert de réfrigérant ou de changement de charge.

5.15 Séparateur de Liquide / Accumulateur d'Aspiration

• Sépare occasionnellement le réfrigérant liquide dans la conduite d'aspiration en amont du compresseur.
• Le volume de rétention dépend du remplissage de l'installation.
• Souvent utilisé avec les systèmes de dégivrage à gaz chaud.
• Le retour de l'huile se fait par une petite buse.
• Disponible avec échangeur de chaleur intégré.

5.16 Échangeur de Chaleur Interne

• Utilisé pour surrefroidir le réfrigérant liquide avec surchauffe simultanée des gaz d'aspiration.
• Fonctionne en mode contre-courant ou co-courant.
• D'autres utilisations sont possibles.

5.17 Pressostat

• Dispositif de sécurité pour l'installation de froid.
• Unité de commande du compresseur.
• Peut indiquer l'alimentation (A), l'état de préparation (B), la marche (C) ou un problème de haute pression (D).

5.18 Capteur de Pression

• Fournit un signal analogique (0-10 Volt, 4-20 mA, etc.).
• La plage d'utilisation doit être respectée.
• Recalibrage recommandé une fois par an.

6. Organe de Détente

6.1 Généralités

• Les réducteurs de débit provoquent une chute de pression entre les côtés haute et basse pression.
• Le plus simple est un disque à orifice ou une buse.
• La réduction de pression est un processus à enthalpie constante.
• Une baisse de pression entraîne une baisse de température.
• Une partie du réfrigérant s'évapore immédiatement pour se refroidir à la température d'évaporation (fraction de vapeur x).

6.2 Tube Capillaire

• Fins tubes de cuivre ($1 \text{ à } 3 \text{ mm}$ de diamètre, $1 \text{ à } 3 \text{ m}$ de long).
• Élément de réduction de débit simple et fiable pour les faibles puissances.
• Diamètre, longueur et charge de réfrigérant doivent être adaptés par des tests précis.
• Caractéristiques d'un système à tube capillaire:
  • Pas de collecteur, petit volume de réfrigérant, pas d'électrovanne.
  • Le tube capillaire sert de conduite de liquide et est souvent soudé à la conduite d'aspiration (échange de chaleur).
  • Tout le volume de réfrigérant doit tenir dans l'évaporateur.
  • Injection au fond de l'évaporateur.
  • Le volume de réfrigérant doit être rechargé très précisément par poids lors des réparations.
  • Les motocompresseurs à faible couple de démarrage peuvent être utilisés grâce à la compensation de pression à l'arrêt.

6.3 Détendeur Thermostatique (TEV)

• Élément de réduction de débit important pour les installations de froid à évaporation sèche.
• Réduit la pression dans la buse de la soupape d'expansion.
• Dispose d'une fonction thermostatique pour réguler l'alimentation en réfrigérant de l'évaporateur.
• Fonction de régulation: régulation de la surchauffe de la vapeur du réfrigérant à la sortie de l'évaporateur. La surchauffe est la variable de régulation.
• Deux types:
  • À compensation de pression interne.
  • À compensation de pression externe.
• Contrôler la surchauffe permet:
  1. Une utilisation optimale de l'évaporateur dans toutes les conditions.
  2. Qu'aucun liquide n'atteigne le compresseur par la conduite d'aspiration.

Définitions Clés

• Température de surchauffe $(\text{t₀})$: Température de la vapeur de réfrigérant surchauffée (°C). Mesure sur la surface du tube de la conduite d'aspiration à la sortie de l'évaporateur.
• Surchauffe $(\Delta\text{T₀})$: Différence entre la température d'évaporation et la température de surchauffe (K).

Principe de Fonctionnement du TEV

• Les TEV sont spécifiques au réfrigérant car le capteur contient un réfrigérant aux propriétés similaires.
• Dans le système de capteurs, la pression correspond à la température à la sortie de l'évaporateur selon la courbe de pression de vapeur.
• Pour corriger la surchauffe, la force du ressort peut être ajustée via la tige de réglage.
• Effet du réglage:
  • Augmenter la force du ressort $\rightarrow$ Augmenter la surchauffe (« fermer » la vanne).
  • Diminuer la force du ressort $\rightarrow$ Diminuer la surchauffe (« ouvrir » la vanne).
• Des fluctuations périodiques de la température de surchauffe sont normales en raison de la boucle de régulation.

Méthode de Mesure de la Surchauffe

1. Manomètre à la sortie de l'évaporateur: mesure la température d'évaporation t₀.
2. Thermomètre au niveau du capteur de la soupape de détente: mesure la température de la vapeur d'aspiration surchauffée t₀.
3. Mesurer la température moyenne d'évaporation Po avec le manomètre.
4. Mesurer les températures de surchauffe minimales et maximales avec un thermomètre (sonde bien montée et isolée).
5. Déterminer la fluctuation et calculer la surchauffe moyenne: $$\Delta T_{{\dot{u}}_m}=\frac{\Delta T_{{\dot{u}}_{max}}+\Delta T_{{\dot{u}}_{max}}}{}2$$

6.4 Détendeurs à Commande Électronique

• Actionnés par signaux électriques.
• Contrôle électronique nécessaire pour la régulation de la surchauffe.
• Moteurs pas à pas et entraînements par solénoïde sont les plus courants.
• Méthodes de détection de la surchauffe:
  • Mesure de la pression d'évaporation et de la température des gaz d'aspiration à la sortie de l'évaporateur.
  • Mesure des températures à l'entrée et à la sortie de l'évaporateur.
• Une unité de contrôle calcule la surchauffe et envoie des signaux à l'actionneur.
• Offrent des fonctions avancées (mise en réseau, accès à distance) pour des installations optimisées énergétiquement.

7. Le Circuit de Froid

Représentation des Circuits de Froid

Les circuits de froid peuvent être illustrés pour diverses applications telles que:

• Installation de froid commerciale
• Pompe à chaleur
• Climatisation split

Pour chaque type, il est important de nommer les composants principaux et les conduites de froid, et de spécifier l'état du réfrigérant aux points clés du circuit (1, 2, 3, 4, 5 pour les composants; A, B, C, D pour les états du réfrigérant).

7.1 Mesures sur le Circuit de Froid

Appareils de Mesure Nécessaires

• Pont manométrique: avec manomètres haute et basse pression (analogique ou numérique, 2 ou 4 voies).
• Manomètre basse pression simple.
• Thermomètre (ex. thermocouple).

Valeurs Mesurées Principales

• pc: Pression de condensation au manomètre (bar).
• tc: Température de condensation (°C).
• tHS: Température des gaz chauds à la sortie du compresseur (°C).
• tFL: Température du liquide à l'entrée du détendeur (°C).
• po: Pression d'évaporation au manomètre (bar).
• to: Température d'évaporation (°C).
• tü: Température de la vapeur d'aspiration surchauffée à la sortie de l'évaporateur (°C).
• tSD: Température de la vapeur d'aspiration surchauffée à la sortie du condenseur (°C).

Indices Importants Dérivés

• $\Delta T_u$: Différence de température de sous-refroidissement = $t_c - t_{FL}$ (K).
• $\Delta T_{\ddot{u}}$: Différence de température de surchauffe = $t_{\ddot{u}} - t_o$ (K).

7.2 Pont Manométrique et Possibilités de Raccordements

Points de Raccordement

• Raccords Schrader (mamelons de mesure).
• Vannes d'arrêt Rotalock avec raccord de mesure verrouillable.

Soupape Schrader

• Identique aux valves de pneus, mais plus courte dans les systèmes de froid.
• Utilise un « ouvreur Schrader » pour ouvrir le passage en appuyant sur la valve.
• Pour minimiser les fuites, utiliser des clapets anti-retour ou des vannes d'arrêt supplémentaires.
• Les raccords Schrader doivent être fermés hermétiquement par un écrou en laiton et une tête de cuivre intégrée. Les bouchons avec joint en caoutchouc ne sont pas étanches.

Vannes Rotalock

• Vannes d'arrêt sur les compresseurs et les collecteurs.
• Trois positions:
  1. Passage principal ouvert.
  2. Passage principal fermé.
  3. Position médiane: passage principal et raccord externe ouverts.
• Attention: Desserrer légèrement le joint avant d'actionner la tige, puis le resserrer après. Les capuchons doivent être serrés avec des outils.

Procédure de Raccordement du Pont Manométrique (Schrader)

1. Dépressuriser le pont de mesure (desserrer les tuyaux, ouvrir les vannes).
2. Étalonner le manomètre (aiguille sur 0 bar).
3. Fermer toutes les vannes.
4. Desserrer les capuchons des raccords HP et BP.
5. Raccorder le tuyau BP. Pour le HP, utiliser l'adaptateur de clapet anti-retour et l'ouvreur Schrader.
6. Ouvrir le passage Schrader.
7. Purger brièvement les tuyaux HP et BP au pont de mesure.
8. Le pont est prêt pour les mesures.

Procédure de Déconnexion du Pont Manométrique (Schrader)

(Le fluide frigorigène du tuyau HP est aspiré du côté BP).

1. Fermer le passage vers le Schrader HP.
2. Fermer hermétiquement le tuyau jaune.
3. Ouvrir la vanne BP sur le pont de mesure.
4. Purger brièvement le tuyau jaune à son extrémité.
5. Ouvrir lentement la vanne HP sur le pont de mesure.
6. Fermer les vannes HP et BP dès que la pression est équilibrée.
7. Retirer les tuyaux HP et BP.
8. Fermer hermétiquement les tuyaux et les capuchons des points de raccord.

Procédure de Raccordement du Pont Manométrique (Rotalock)

1. Dépressurisation et étalonnage du pont manométrique.
2. Fermer toutes les vannes du pont.
3. Retirer délicatement les bouchons des valves Rotalock.
4. Desserrer légèrement les joints de broche des vannes Rotalock BP et HP.
5. Tourner les tiges des vannes Rotalock BP et HP dans le compartiment arrière (fermer les raccords de mesure).
6. Enlever les capuchons des points de raccordement.
7. Raccorder les tuyaux BP et HP.
8. Raccorder la pompe à vide et fermer hermétiquement le tuyau supplémentaire.
9. Utiliser la pompe à vide pour aspirer brièvement l'air des tuyaux et du pont manométrique en ouvrant toutes les vannes.
10. Fermer toutes les vannes du pont.
11. Tourner la tige de la vanne Rotalock BP d'environ 1 tour avec la clé à cliquet (ouvrir le raccord de mesure).
12. Tourner la tige de la vanne HP-Rotalock d'environ 1 tour (ouvrir le raccord de mesure).
13. Le pont est prêt pour les mesures.

Procédure de Déconnexion du Pont Manométrique (Rotalock)

(Le fluide frigorigène contenu dans le tuyau HP est aspiré vers le côté BP).

1. Tourner la tige de la vanne Rotalock HP sur le siège arrière (fermer le raccord de mesure).
2. Ouvrir lentement les vannes d'arrêt rouge et bleue sur le pont manométrique (vidanger le tuyau HP).
3. Si une commande de pompage est disponible, abaisser la basse pression par aspiration à $0,2 \text{ bar ü}$.
4. Fermer les vannes HP et BP sur le pont manométrique dès que la pression est équilibrée.
5. Tourner la tige de la vanne Rotalock BP vers le siège arrière (fermer le raccord de mesure).
6. Débrancher les tuyaux HP et BP.
7. Fermer hermétiquement les tuyaux et les capuchons des points de raccord.
8. Bien serrer les joints d'étanchéité des tiges des vannes Rotalock.
9. Fixer les bouchons des valves Rotalock.

7.3 Mesures sur le Simulateur d'Installation de Froid

Il est recommandé d'insérer tous les points de mesure pertinents dans un schéma de principe et d'établir un protocole de mesure pour les installations commerciales, les pompes à chaleur et les climatisations split. Le protocole inclut généralement les valeurs de liquéfaction, d'évaporation, de surchauffe et de sous-refroidissement.

8. Mise en Service et Réparations

8.1 Aspiration du Fluide Frigorigène dans le Collecteur

Pour l'entretien, il est conseillé d'aspirer le réfrigérant dans le collecteur, à condition qu'il ait un robinet d'arrêt à la sortie et une capacité suffisante.

Procédure

1. Mettre en marche la pompe de chauffage (réchauffer le condenseur).
2. Mettre absolument en marche la pompe source: lors de l'aspiration à $0,2 \text{ bar}$, le fluide frigorigène bout à très basse température, un arrêt pourrait geler l'évaporateur.
3. Fermer le point de sortie du collecteur.
4. Contourner tout pressostat basse pression.
5. Aspirer jusqu'à $0,2 \text{ bar}$.
6. Répéter si nécessaire.
7. Fermer l'entrée du collecteur, si présent.

8.2 Station d'Aspiration et de Recyclage

• Utilisées pour aspirer le contenu des installations sans émission de réfrigérant.
• La capacité varie: ex. $33 \text{ kg/h}$ pour gazeux, $210 \text{ kg/h}$ pour liquide, $570 \text{ kg/h}$ en mode Push-Pull.

Conseils d'Utilisation

• Lire le mode d'emploi de chaque appareil.
• Certains appareils ne sont pas adaptés aux fluides frigorigènes A2 et A2L.
• Le filtre d'admission protège l'appareil et doit être remplacé fréquemment.
• Les stations fonctionnent par compression et ne supportent pas les coups de bélier.
• La plupart ne nécessitent pas de maintenance particulière.
• Toujours utiliser une balance pour contrôler la charge des cylindres.
• Les installations doivent être vidées jusqu'à $0,2 \text{ bar}$.
• Un cylindre à double valve est nécessaire pour le mode « push-pull ».

8.3 Mise en Service et Réparation

Étapes clés

• Test de pression à l'azote.
• Vacuumisation.
• Remplissage du fluide frigorigène.
• Mise en service.
• Contrôle d'étanchéité avec détecteur de fuite.
• Réglages.
• Mesures.
• Protocole de mise en service.

8.4 Contrôle des Fuites Selon ORRChim

L'étanchéité absolue n'existe pas, mais un bon travail conduit à une étanchéité élevée.

Sensibilité de Détection des Méthodes

Les taux de fuite sont donnés en grammes de perte de réfrigérant par an (R134a).

• Test de niveau de pression avec surpression d'azote (15 bar):
  • Taux de fuite vérifiable: $250\ 000 \text{ g/année}$.
  • Ne peut pas être utilisé seul.
• Test avec surpression d'azote (15 bar) et spray de savon:
  • Taux de fuite vérifiable: $250 \text{ g/année}$.
• Surpression de gaz de formage (10 bar) et détecteur de fuites:
  • Taux de fuite vérifiable: $0,2 \text{ à } 20 \text{ g/année}$.
• Substance fluorescente de test dans l'huile et lampe UV:
  • Taux de fuite vérifiable: env. $2 \text{ g/année}$.
  • Convient seulement aux parties visibles; certains fabricants refusent la garantie.

Réglementations Suisses (OFEV)

• Déclaration: Installations fixes avec plus de $3 \text{ kg}$ de fluide frigorigène doivent être déclarées à l'OFEV (mise en/hors service).
• Autorisation: Installations fixes avec plus de $3 \text{ kg}$ nécessitent une autorisation.
• Cahier de maintenance: Obligatoire pour les appareils/installations > $3 \text{ kg}$ de fluide frigorigène.
• Contrôles d'étanchéité réguliers: pour fluides frigorigènes stables dans l'air si la quantité est $>$ $5$ tonnes d'équivalent $\text{CO}_2$.
• Toute fuite détectée doit être réparée obligatoirement.

Fréquence des Contrôles d'Étanchéité

	Installations assemblées sur le site	Installations et équipements compacts prêts à l'emploi
1. Contrôle après mise en service	2 ans	6 ans
2. Contrôle après mise en service	1 an après le 1$^{er}$ contrôle	4 ans après le 1$^{er}$ contrôle
Autres contrôles	Chaque année	Tous les deux ans

8.5 Détecteur de Fuites Électronique

• Idéal pour des contrôles simples et rapides.
• Les détecteurs à capteur infrarouge peuvent détecter différents réfrigérants.

Conseils d'Utilisation

• Sensibilité minimale: $5 \text{ g/an}$.
• Certains ne sont pas adaptés aux fluides frigorigènes A2 et A2L.
• Allumer et étalonner l'appareil dans une zone non contaminée.
• Vérifier le bon fonctionnement avant la recherche de fuites.
• Déplacer le tube d'aspiration lentement ($2,5 \text{ à } 5 \text{ cm/s}$) le long des points suspects, à environ $5 \text{ mm}$ de la surface.
• Ne pas rester trop longtemps sur une fuite, le signal peut faiblir en raison du réglage automatique.
• Les capteurs vieillissent. Les bons appareils signalent l'erreur du capteur.

8.6 Vacuumisation de l'Installation de Froid

Le processus de vacuumisation (mise sous vide) suit le contrôle d'étanchéité et est un processus long.

Procédure Standardisée

• Test de résistance à la pression à l'azote ou au gaz de formage.
• Test d'étanchéité et recherche de fuites.
• Vacuumisation.
• Rupture du vacuum (avec insertion de filtre pour les modules).
• Vacuumisation (seconde passe).
• Test de vacuum sur la durée.
• Remplissage du fluide frigorigène.

Objectifs de la Vacuumisation

• Éliminer l'air et les gaz étrangers.
• Éliminer l'humidité résiduelle (séchage sous vacuum).
• Faire évaporer l'eau éventuellement présente.

Importance de l'Élimination des Gaz Étrangers

• Les gaz incondensables (air, $\text{N}_2$) déplacent le réfrigérant, réduisent la surface active des échangeurs et provoquent des pressions élevées côté haute pression.
• La relation pression-température selon la courbe de pression de vapeur n'est plus garantie.

Problèmes d'Humidité Résiduelle

• Formation d'acides avec dommages à long terme.
• Congélation dans les buses des détendeurs.

Élimination de l'Eau

• L'eau doit être évaporée en réduisant la pression en dessous de la température ambiante.
• Plus l'environnement est froid, plus la pression nécessaire à l'évaporation de l'eau est faible.
• Si aucune chaleur n'est apportée, l'eau peut geler, et la sublimation en dessous de $0 \text{ °C}/6,1 \text{ mbar}$ est très lente.
• Les zones froides ne peuvent pas être asséchées par vacuumisation.
• Solutions pour l'eau:
  • Éliminer avec du liquide de rinçage (réfrigérants à degré d'ébullition élevé, ex. Nettogaz GC1).
  • Rinçage à l'azote chaud et utilisation de filtres sécheurs de grand volume.

Mesure de la Pression Absolue

• Mesurée en mbar ou en micron.
• Conversions:
  • $1 \text{ mbar} = 0,75 \text{ Torr} = 752 \text{ Micron}$.
  • $1 \text{ Torr} = 1000 \text{ Micron} = 1,33 \text{ mbar}$.
  • $1 \text{ Micron} = 0,00133 \text{ mbar}$.
• La pression finale doit atteindre $0,25 \text{ mbar}$ ou environ $200 \text{ Micron}$ (fabricant de compresseurs), mesurée au point le plus éloigné de la pompe.

8.7 Pompe à Vide

• Utilisation de pompes à vide bi-étage (à palettes) avec lest de gaz, atteignant une pression finale de $0,05 \text{ mbar}$ ($\approx 40 \text{ microns}$).
• La capacité d'aspiration dépend de la taille de l'installation.

  Taille de l'installation (vol. remplissage)	Capacité d'aspiration	Taille de l'installation (vol. remplissage)	Capacité d'aspiration
  Jusqu'à $5 \text{ kg}$	env. $1,5 \text{ m}^3\text{/h}$	Jusqu'à $50 \text{ kg}$	env. $10 \text{ m}^3\text{/h}$
  Jusqu'à $25 \text{ kg}$	env. $5 \text{ m}^3\text{/h}$	Jusqu'à $100 \text{ kg}$	env. $20 \text{ m}^3\text{/h}$

Soupape de Lest de Gaz

• Prévient la condensation de l'humidité dans le deuxième étage de la pompe.
• Ajoute une petite quantité d'air frais pour réduire ce phénomène.
• Ouverte au démarrage, au réchauffement et en phase initiale de l'évacuation.
• Doit être fermée pour atteindre la pression finale (en dessous de $10 \text{ à } 15 \text{ mbar}$).

8.8 Maintenance de la Pompe à Vide, Huile de Pompe à Vide

• Les pompes utilisent des huiles spéciales à très faible pression d'évaporation.
• L'absorption d'eau et le mélange avec l'huile de machine de froid (et le réfrigérant dissous) réduisent considérablement le vacuum ultime.
• Changements d'huile périodiques sont essentiels (après $\approx 20 \text{ heures}$ de fonctionnement, ou moins si forte humidité).
• L'huile sale peut endommager la pompe à vide.
• Utiliser la qualité d'huile recommandée par le fabricant.

Procédure de Changement d'Huile

1. Laisser la pompe chauffer, puis éteindre et débrancher.
2. Dévisser le séparateur d'huile.
3. Vidanger l'huile.
4. Brancher la prise et faire tourner la pompe $5 \text{ à } 10 \text{ secondes}$ avec la buse d'aspiration ouverte pour expulser l'huile résiduelle.
5. Éteindre, débrancher, et vidanger l'huile restante.
6. Revisser le bouchon de vidange.
7. Remplir d'huile neuve jusqu'au milieu du regard.
8. Visser le séparateur d'huile et allumer la pompe quelques secondes.
9. si l'huile est très sale, il est recommandé de la rechanger après 30 minutes de fonctionnement.

8.9 Courbe de Pression lors de la Vacuumisation

• L'aspiration se fait toujours simultanément côté haute et basse pression.
• Le processus est un écoulement avec des différences de pression de plus en plus faibles.
• Le rapport de pression de la pompe augmente de $1:1$ à $1000:1$ vers la fin.
• Lorsque la pression diminue, le volume de vapeur augmente, ralentissant le processus.
• La pression finale de la pompe n'est atteinte qu'après un temps "infiniment" long dans l'installation.
• La pression chute plus rapidement près de la pompe et plus lentement aux points éloignés ou derrière les rétrécissements.
• Pour retirer l'eau à $10 \text{ °C}$, il faut d'abord atteindre $12,2 \text{ mbar}$, puis l'eau doit absorber de la chaleur pour s'évaporer.
• L'eau s'évaporant se refroidit, entraînant une nouvelle baisse de pression et ralenti le processus d'évaporation.
• La chute de pression rapide n'est visible sur le vacuumètre qu'une fois toute l'eau évaporée.

Vacuumisation avec Azote

• L'azote est utilisé pour égaliser le vide de 1 à 3 fois à $0 \text{ bar}$ relatif.
• L'azote sec fixe l'humidité, augmente la surface des gouttelettes d'eau et favorise un séchage plus rapide.
• Recommandé pour les nouvelles installations et l'évacuation à basses températures ambiantes.

Installations Ayant Déjà Fonctionné

• L'huile de froid dans le circuit contient du réfrigérant qui s'expulse lentement.
• Le vacuum ultime est plus long à atteindre.
• Toujours remplacer le filtre déshydrateur après intervention.

8.10 Appareils de Mesure de Pression

Pour vérifier le vacuum ultime, des instruments de mesure précis sont nécessaires.

• Les fabricants de compresseurs exigent $0,25 \text{ mbar}$ pour les systèmes neufs et propres.
• Exemples d'appareils:
  • Manomètre analogique (pouvant indiquer une pression absolue).
  • Capteur Thermistor (Plage $18'000 \text{ à } 0 \text{ Micron}$, Précision $\pm 10 \text{ \%}$ à $0\text{-}100 \text{ Microns}$).
  • Capteur Pirani (Plage $20'000 \text{ à } 0 \text{ Micron}$, Précision $\pm 10 \text{ \%}$).
  • Capteur piézorésistif et Pirani (Plage Atmosphérique à $0,0005 \text{ mbar}$, Précision $\pm 0,4 \text{ \%}$ à $1200\text{-}10 \text{ mbar}$).

8.11 Remplir ou Compléter le Fluide Frigorigène

Toujours utiliser la différence de pression entre la bouteille de fluide frigorigène et le système.

• Après vacuumisation: Remplir côté HP pour introduire du liquide dans le condenseur. Le liquide passe par la vanne de détente, augmentant la pression côté GPL. Le réfrigérant vaporisé atteint le point d'aspiration du compresseur.
• La pression dans la bouteille diminue par auto-refroidissement, celle dans l'installation augmente, menant à une égalisation.
• Ne jamais chauffer les bouteilles avec des flammes nues.
• Démarrer le circuit abaisse la basse pression, permettant le remplissage.

Précautions Importantes

• Casser le vide soigneusement avec un réfrigérant gazeux, car le liquide peut bouillir à $-90 \text{ °C}$ et causer des fissures.
• Les compresseurs ne doivent jamais fonctionner sous vacuum (danger d'arc électrique, refroidissement insuffisant).
• Attention aux composants gorgés d'eau: la température ne doit jamais descendre en dessous de $0 \text{ °C}$.
• Remplissage côté aspiration: une dépression trop élevée peut surcharger le compresseur.
• Vérifier et noter les quantités de remplissage sur une balance.
• Toujours laisser une surpression dans le cylindre de réfrigérant.
• Les réfrigérants zéotropiques (R407C, R452B, R449A, R410A) doivent toujours être transférés sous forme liquide pour maintenir les proportions du mélange.

Méthodes de Remplissage

1. Méthode standard (avec vanne de remplissage après le collecteur):
   • Casser le vacuum avec précaution.
   • Ouvrir la vanne de sortie du collecteur légèrement.
   • Enclencher le compresseur.
   • Remplir progressivement jusqu'à disparition des bulles dans le regard, en contrôlant avec une balance.
   • Le réfrigérant peut être rempli sous forme liquide.
2. Remplissage côté aspiration:
   • Uniquement pour de petits volumes.
   • Les compresseurs sont conçus pour aspirer des gaz.
   • Contrôler avec une balance.
   • Le réfrigérant doit être introduit sous forme gazeuse, sauf pour la série 400 (R449A, R410A, etc.) qui doit être en liquide.

Remplissage Spécifique aux Pompes à Chaleur et Climatisation Split

• Pompes à chaleur: Mettre la pompe de circulation primaire et secondaire en marche avant le remplissage (risque de gel).
• Climatisation split: Généralement remplie en usine, seul un complément est nécessaire selon la longueur de la tuyauterie.