Évaporateurs dans les systèmes de réfrigération, Exercises of Law

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Chapitre 2

Machine frigorifique monoétagée

(Partie 3)

2.1.3 L'évaporateur

2.1.3.1 Généralités

L'évaporateur est, en fait, le composant de l'installation qui transmet le froid (ou plutôt absorbe de la chaleur) ou circuit à refroidir. L'évaporateur est, en général, à eau ou à air. Dans un évaporateur à surchauffe, tout le liquide admis est vaporisé : le gaz frigorigène sortant de l'évaporateur est à une température légèrement supérieure à la température d'évaporation. Il set donc surchauffé. La figure 2.23 illustre les variations de température du fluide frigorigène est de fluide extérieur le long de la surface d'échange balayée.

L'échangeur de chaleur s'effectue en deux phases:

• ébullition du liquide
• surchauffe des vapeurs

Dans le cas des évaporateurs à air, la chaleur est prélevée à air sous forme de chaleur sensible, mais également sous forme de chaleur latente lorsqu'il se produit le phénomène de condensation ou celui de givrage de l'humidité de l'air sous la surface d'échange. L'eau condensée peut être facilement évacuée, par contre le givre formé sur les ailettes de l'évaporateur nécessitera un dégivrage pour son élimination. La condensation et le givrage ont une incidence directe sur les échanges thermiques.

Figure 2.23: Evolution des températures dans un évaporateur à surchauffe

Pour déterminer la puissance frigorifique d'un évaporateur à air, il est très utile de disposer d'un diagramme de l'air humide, de type Mollier pour les basses températures ou de type CARRIER pour la climatisation (voir figure **).

La puissance frigorifique en Watt d'un évaporateur est égale à :

𝑄 0 = 𝑚𝐴(ℎ 3 − ℎ 1 ) 𝑝𝑜𝑢𝑟 𝑙𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑒 𝑓𝑟𝑖𝑔𝑜𝑟𝑖𝑔è𝑛𝑒

ou

𝑄 0 = 𝑚𝐵(ℎ𝐼 − ℎ𝐼𝐼𝐼)^ 𝑝𝑜𝑢𝑟 𝑙′𝑎𝑖𝑟 𝑜𝑢 𝑙′𝑒𝑎𝑢

avec:

𝑚𝐴: débit masse de fluide frigorigène en kg/s

ℎ 1 et ℎ 3 : enthalpies massique du fluide frigorigène à l'entrée et à la sortie en J/kg

𝑚𝐵: débit masse d'air ou d'eau en kg/s

ℎ𝐼 et ℎ𝐼𝐼𝐼: enthalpies massique de l'air ou de l'eau à l'entrée et à la sortie en J/kg

La figure 2.24 représente l'évolution de l'air dans un évaporateur à air:

Figure 2.24: Chaleur sensible et chaleur latente dans un évaporateur

Selon le trajet I ------> III on note un refroidissement avec condensation ou givrage. La puissance frigorifique se répartie ainsi:

𝑄 0 = 𝑚𝐵(ℎ𝐼 − ℎ𝐼𝑉) + 𝑚𝐵(ℎ𝐼𝑉 − ℎ𝐼𝐼𝐼) 𝐶ℎ𝑎𝑙𝑒𝑢𝑟 𝐿𝑎𝑡𝑒𝑛𝑡𝑒 + 𝐶ℎ𝑎𝑙𝑒𝑢𝑟 𝑠𝑒𝑛𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒

Le débit d'eau condensée ou de givre déposé est :

𝑑 0 = 𝑚𝐵(𝑥𝐼 − 𝑥𝐼𝐼𝐼)

On note que la formule suivante:

𝑄 0 = 0,35 × 𝑉 × ∆𝑇

pour les calculs de refroidissement de l'air, en raison de la présence de chaleur latente. Par contre pour les évaporateurs à eau glacée, on peut utiliser la formule simplifiée exprimant 𝑄 0 en Watt:

𝑄 0 = 1163 𝑉𝐵(𝑇𝐼 − 𝑇𝐼𝐼𝐼 )

𝑉𝐵 étant le débit d'air en m^3 /h

𝑇𝐼 et 𝑇𝐼𝑉: température d'entrée et de sortie de l'air en °C.

2.1.3.2 La Surchauffe

La surchauffe représente la différence entre la température de palier de vaporisation lue au manomètre BP et la température des gaz mesurée à la sortie de l'évaporateur.

Dans le cas de l'exemple donné sur la figure 2.25, la température d'évapoartion est égale à 4 °C. En effet le fluide frigorigène sort du détendeur (point A) sous forme de mélange de 20% vapeur et 80 % liquide. Au fur et à mesure de sa progression dans l'évaporateur le liquide à 4 °C se vaporise à température constante en absorbant de mla chaleur brassé par l'évaporateur. La dernière goutellete de liquide se vaporise à 4 °C à la sortrie de l'évaporateur au point B.

Les vapeurs contenuent ensuite à se recchauffer jusqu'au point C. La surchauffe est la différence de température entre C et B. Dans notre cas elle est égale à 10 - 4 = 6 °C.

Figure 2.25: Surchauffe normal dans un évaporateur

a- Interprétation d'une surchauffe trop élevée (> 8 °C) Dans l'exemple de la figure 2.26, on note que la dernière goutellette de liquide se vaporise au point B, bien plutôt qu'n fonctionnement normal, c'est pourquoi on mesure alors 20 °C. La surchauffe est donc égale à 20 - 4 = 16 °C, ce qui est anormalement élevé.

Figure 2.26: Surchauffe trop élevé dans un évaporateur Une surchauffe trop élevée signifie toujours que la dernière goutellette se vaporise beaucoup trop tôt dans l'évaporateur et don que celui ci ne contient pas suffisament de liquide.

b- Interprétation d'une surchauffe trop faible (< 5 °C) Sur la figure suivante, toujours avec une BP de 4 °C, on mesure 4 °C à la sortie de l'évaporateur, soit une surchauffe anormalement faible 4 - 4 = 0 °C.

Figure 2.27: Surchauffe trop faible dans un évaporateur

Il y a donc liquide à la sortie de l'évaporateur. Cela est extrêmement dangereux pour le compresseur qui risque alors se subir des coups de liquides meurtriers.

Une faible surchauffe signifie toujours que l'évaporateur contient beaucoup plus de liquide qu 'il n'est pas capable d'envaporiser.

Remarques:

La notion de surchauffe expliqués dans le paragraphe précédent ne concerne que les fluides dont le glissement est voisin de 0 °C comme le R22, le R410 A, le R134a, ou le R404A.

Etudions dans le paragraphe suivant ce qui se passe dans l'évaporateur alimenté avec un fluide présentant un glissement de température non négligeable comme le R407C.

- Mesure de la surchauffe avec le R407C (figure 2.28)

Dans l'exemple de la figure suivante, avec une BP de 4,8 bar, la température de fluide R407C à la sortie du détendeur capillaire est du 1,5 °C (point A).

Au fur et à mesure qu'il avance dans l'évaporateur, le fluide se vaporise mais la température du mélange liquide/vapeur augmente progressivement à cause du phénomène de glissement.

Au moment où la dernière molécule de liquide se vaporise (point B), le fluide est à 7 °C et la pression est toujours à 4,8 bar.

Ensuite les vapeurs continuent à se réchauffer pour atteindre 13 °C à la sortie de l'évaporateur (point C).

Ainsi, la vaporisation du R407C sous 4,8 bar commence à 1,5 °C (point A) et se termine à 7 °C (point B). Le glissement de R407C est dans ces conditions 7 - 1,5 = 5,5 °C.

Ensuite, ces vapeurs continuent à se réchauffer jusqu'à 13 °C à la sortie de l'évaporateur.

La surchauffe set donc égal à 13 - 7 = 6 °C, ce qui est parfaitement normal et indique un remplissage en liquide de l'évaporateur tout à fait correcte.

La surchauffe du vapeur s'apprécie par rapport à la température de rosée.

Figure 2.28: Mesure de surchauffe pour le R407C

2.1.3.3 Les différents types d'évaporateurs

On distingue deux familles d’évaporateurs suivant le fluide à refroidir :  les évaporateurs à eau  les évaporateurs double tube (évaporateurs coaxiaux)  les évaporateurs du type serpentin  les évaporateurs multitubulaires  les évaporateurs du type échangeur à plaques  les évaporateurs à air  les évaporateurs à air à convection naturelle  les évaporateurs à air à convection forcée

Suivant le mode de fonctionnement de l’évaporateur, on distingue :

 les évaporateurs à détente sèche  les évaporateurs noyés

a- Evaporateurs à détente sèche

Dans un évaporateur à détente sèche (figure 2.29), la vaporisation du fluide frigorigène s'effectue de telle façon que la quantité de fluide frigorigène liquide admise dans cet évaporateur corres ponde juste à ce qui va pouvoir s'y vaporiser. Et c'est la surchauffe des vapeurs à leur sortie de l'évaporateur qui constitue la grandeur réglée finale que le détecteur du détendeur thermostatique va mesurer puis transformer en impulsions de commande. Lorsque la conception, le dimensionnement et la régulation d'un tel évaporateur sont correctement réalisés, la surchauffe est suffisamment importante pour protéger le compresseur des coups de liquide au moyen d'un séparateur de liquide ou d'un surchauffeur et le retour correct de l'huile au compresseur. b- Evaporateurs en régime noyé Qans un évaporateur en régime noyé (figure 2.30), il y a autant de fluide frigorigène que nécessaire pour que les surfaces d'échanges soient toujours en contact ave du fluide fri gorigène liquide. Par rapport au système à détente sèche, le principal avantage de ce type d'évaporateur provient de ce que les coefficients d'échanges thermiques sont bien plus élevés d'où un meilleur rendement.

Figure 2.29: Installation frigorifique à évaporateur à détente sèche

Figure 2.30: Installation frigorifique à évaporateur fonctionnant en régime noyé

c- Les évaporateurs à eau

 Les évaporateurs double tube

Ils sont également appelés évaporateurs coaxiaux (voir figure 2.31). Ils sont constitués de deux tubes coaxiaux, le plus souvent enroulés en hélice. Dans le tube central circule le fluide frigorigène qui se vaporise en refroidissant le fluide circulant dans l’espace annulaire compris entre les deux tubes, la circulation s’effectuant de préférence à contre-courant. Cet évaporateur convient pour les petites et moyennes puissances et le coefficient global d’échange est compris entre 500 et 800 W/m.°C.

Figure 2.31: Evaporateurs double tube

 Les évaporateurs du type serpentin

Ils sont constitués de tubes (la plus souvent en cuivre) enroulé dans un bac ou dans un réservoir contenant le fluide à refroidir (figure 2.32). Ils sont enroulés en hélice ou suivant la forme du bac et dans certains cas ils sont disposées en nappes parallèles avec des collecteurs d’entrée et de sortie du fluide frigorigène. Ils sont également appelés évaporateurs immergés.

Figure 2.32: évaporateurs en serpentin

 Les évaporateurs multitubulaires

Ils sont constitués d’un grand nombre de tubes qui sont proches entre eux et qui sont disposés en parallèle dans un corps cylindrique. Ces tubes sont associés pour former des passes (passages). Deux types d’évaporateurs sont disponibles suivant que le fluide frigorigène circule dans les tubes ou à l’extérieur des tubes. Les évaporateurs multitubulaires noyés Les évaporateurs multitubulaires noyés sont constitués d’un faisceau de tubes métallique soudé sur des plaques à l’intérieur d’un corps cylindrique en acier (figure 2.33). L’eau de la source froide circule dans les tubes intérieurs et le fluide frigorigène s’évapore dans le corps principal à l’extérieur des

tubes. Il y a un séparateur de gouttelettes dans l’évaporateur pour éviter les entraînements de liquide vers le compresseur. Malgré cela, il faut en plus prévoir une bouteille anti -coups de liquide pour protéger le compresseur. Ces évaporateurs présentent un autre problème : celui de piéger l’huile de lubrification (si elle est présente dans l’instal lation).

Figure 2.33: Evaporateurs multitubulaires noyés

Les évaporateurs multitubulaires à détente sèche Les évaporateurs multitubulaires à surchauffe sont aussi appelés évaporateurs à épingles (à cause de la forme du faisceau tubulaire) ou évaporateur Dry-Ex. Ici le fluide frigorigène circule dans les tubes, à l’inverse de l’évaporateur multitubulaire noyé. Les tubes sont en général munis d’ailettes intérieures afin d’augmenter la surface d’échange. L’évaporateur est alimenté par un détendeur thermostatique, qui permet d’adapter le débit de fluide frigorigène entrant dans l’évaporateur et donc de contrôler la surchauffe des vapeurs. Cet évaporateur ne montre pas de problème de piégeage d’huile, car elle se dirige vers le carter du compresseur si elle est entraînée par le fluide frigorigène.

Figure 2.34: Evaporateurs multitubulaires à détente sèche

 Les évaporateurs du type échangeur à plaques

On distingue trois types d’échangeurs à plaques : Les échangeurs à plaques à joints démontables. Les échangeurs à plaques à joints démontables sont formés par des plaques munies d’un joint d’étanchéité serrées entre deux plateaux aux moyens de tirants de serrage (figure 2.35-a). Pendant le processus d'évaporation, le liquide est pompé entre les minces plaques avec l'agent de refroidissement sur les surfaces de contact. Les échangeurs à plaques brasées. Les échangeurs à plaques brasées ont un fonctionnement identique à l’échangeur à plaques démontables, ils sont constitués d’une série de plaques métalliques embouties mais sans joints, et sans tirants (figure 2.35-b). Ils ne sont donc pas démontables et se composent de plaques intermédiaires assemblées par brasure généralement en acier inoxydable et de deux plaques extérieures. Les échangeurs à plaques spirales brasée. Les échangeurs à plaques spiralées brasées sont plus tenaces aux différences de pression, les plaques sont simplement embobinées et brasées.

(a)

(b)

Figure 2.35: Evaporateur de type échangeur à plaque (a) Echangeurs à plaques à joints démontables (b) Les échangeurs à plaques brasées

d- Les évaporateurs à air

 Les évaporateurs à convection naturelle

Ce type d’évaporateur utilise un passage d’air naturel pour l’échange calorifique. Sur ces évaporateurs, l’air circule par convection (figure 2.36). Ils sont constitués d’un tube en cuivre et entouré d’un faisceau aileté en aluminium.

Utilisé principalement dans les vitrines ou meubles réfrigéré ou le déplacement de l’air doit être très lent. Le procédé est appeler une circulation d’air rationnel.

Figure 2.36: Evaporateurs à convection naturelle

 Les évaporateurs à convection forcée

Dans le cas ou les denrées à refroidir n’implique pas de circulation d’air naturel, il est intéressant de poser un évaporateur ventilé. Les tubes comportent des ailettes de forme rectangulaire, ils sont disposés en série formant une nappe et les différentes nappes sont associées en parallèle. De type plafonnier ou mural (figure 2.37), ils sont également constituer d’un tube cuivre aileté, cet évaporateur permet un faible encombrement dans l’enceinte à refroidir. Équipé d’un ou plusieurs ventilateurs, il est communément appeler « évaporateur à circulation d’air forcée ».

Figure 2.37: Evaporateurs à convection forcée

2.1.3.4 Dégivrage des évaporateurs à air

Lorsque la température superficielle de la section d’échange (tubes à ailettes) des évaporateurs est inférieure ou égale à 0°C, il y’a formation de givre qui va entraîner une diminution importantes des échanges thermiques d’où la nécessité des opérations de dégivrage.

Il existe plusieurs techniques de dégivrage :

 dégivrage par circulation d’air ambiant  dégivrage à l’eau  dégivrage à la saumure  dégivrage par résistances électriques  dégivrage par gaz chauds