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PARTIE – II Chapitre 3 Les évaporateurs frigorifiques Technologie Ver.1.2 / 201

PARTIE – II Chapitre 3 Les évaporateurs frigorifiques Technologie Ver.1.2 / 2010 Page 43 Chapitre - 3 L LE ES S E EV VA AP PO OR RA AT TE EU UR RS S F FR RI IG GO OR RI IF FI IQ QU UE ES S PARTIE – II Chapitre 3 Les évaporateurs frigorifiques Technologie Ver.1.2 / 2010 Page 44 1. GENERALITES Les évaporateurs sont des échangeurs thermiques au même titre que les condenseurs; ils assurent la production de « froid» sur l'installation frigorifique par passage du flux thermique du milieu à réfrigérer vers le fluide frigorigène, ce qui a pour conséquence la vaporisation du fluide frigorigène. L’évaporateur est la source de production de froid dans un circuit frigorifique; c'est le but principal et final de l'installation. Il est logique d'apporter, à son étude et à son installation, tout soin possible afin qu'il remplisse parfaitement son rôle. Trop souvent, une erreur de calcul de l'évaporateur peut provoquer un fonctionnement défectueux dont on attribue à tort la cause au compresseur. 2. ROLE DE L'EVAPORATEUR Nous avons vu que le condenseur pouvait être découpé en trois zones fonctionnelles: — zone de désurchauffe des gaz, — zone de condensation, — zone de sous refroidissement du liquide. Dans l'évaporateur, nous ne rencontrerons pas ces trois zones fonctionnelles puisque l'évaporateur est alimenté en fluide détendu et a une température égale à la température d'évaporation. Nous ne rencontrerons donc qu'une seule zone fonctionnelle correspondant à la vaporisation du fluide frigorigène (avec une zone de surchauffe dans le cas des évaporateurs alimentés en injection directe). Le titre de vapeur à l'injection est fonction de la nature du fluide frigorigène, de la température du fluide à l'amont du détendeur, et de sa température à l'aval du détendeur; le titre de vapeur (de l'ordre de 10 %à 20 % à l'entrée de l'évaporateur) augmente constamment tout le long de l'évaporateur pour atteindre 100 % à la sortie. L'efficacité frigorifique du mélange liquide-vapeur étant liée au titre en vapeur à l'entrée de l'évaporateur, il convient que la teneur en vapeur du mélange admis sur l'évaporateur soit aussi faible que possible. Dans le cas de l'alimentation de l'évaporateur par un détendeur, il est impossible d'avoir du liquide pur à l'injection. Si donc nous voulons absolument alimenter l'évaporateur en liquide pur, il nous faudra placer sur le circuit frigorifique un séparateur de liquide. L'évaporateur sera alors alimenté par gravité, le séparateur étant placé en charge sur l'évaporateur. PARTIE – II Chapitre 3 Les évaporateurs frigorifiques Technologie Ver.1.2 / 2010 Page 45 3. CLASSIFICATION ET PERFORMANCE DES EVAPORATEURS 3.1. Classification Suivant le but qui leur est assigné (nature du milieu à réfrigérer, température à obtenir), les évaporateurs seront du type: — évaporateurs refroidisseurs de liquide ; — évaporateurs refroidisseurs de gaz ; — évaporateurs congélateurs ; — évaporateurs spéciaux. Suivant les différents cas, la conception des évaporateurs sera la suivante : Evaporateurs refroidisseurs de liquide A immersion — A serpentin — A grilles — Intensifs A double tube et contre- courant — A ruissellement — Multitubulaire à calandres — Horizontaux — Verticaux Spéciaux — A enveloppe — A tambour Evaporateurs refroidisseurs de gaz Circulation naturelle — Tubes lisses — Tubes ailettés Circulation forcée — Tubes lisses — Tubes ailettés Evaporateurs congélateurs Fabrique de glace — Accumulateurs de froid — Plaques eutectiques — Tableau 14 : Classification des évaporateurs 3.2. Qualités principales de l’évaporateur Un évaporateur pour être efficace, doit avoir les qualités suivantes : — Grande surface de contact entre le liquide frigorigène et le milieu à refroidir (saumure, air, liquide ou gaz quelconques) de manière à réduire autant que possible l’écart de température entre l’évaporation et le milieu à refroidir ; — Evacuation facile des vapeurs formées sans pertes de charge sensibles, ni entraînement de liquide dans les canalisations d’aspiration ; — Facilité de remplissage et de répartition du liquide, de façon à ce que la surface d’évaporation soit bien baignée ; — Possibilité de purge d’huile. PARTIE – II Chapitre 3 Les évaporateurs frigorifiques Technologie Ver.1.2 / 2010 Page 46 3.3. Performances Comme tout échangeur thermique, l'évaporateur doit posséder un bon coefficient K de transmission de la chaleur, ceci pour limiter la surface d'échange (donc la taille de l'évaporateur) et la différence de température entre fluide frigorigène et milieu à refroidir. Nous donnons dans le tableau ci-après les valeurs du coefficient global de transmission de chaleur K pour différents types d'évaporateurs. Nature des évaporateurs Type K (W/m2.K) Refroidisseurs de liquide A immersion — à serpentin 70 à 95 (1) 230 à 290 (2) — à grilles — intensifs 400 à 470 (2) 580 (2) Double tube et courant 580 à 820 A ruissellement 930 à 1400 Multitubulaires à calandres — Horizontaux — Verticaux 460 à 700 930 à 1200 820 à 1400 Plaques eutectiques — Eau ou saumure 35 (1) 95 (2) Refroidisseurs de gaz Circulation d’air naturelle — Tubes lisses — Tubes ailettés — Plaques eutectiques 19 à 24 7 à 9 6 à 8 Circulation d’air forcée — Tubes lisses — Tubes ailettés 35 à 47 16 à 24 (1) liquide non agité (2) liquide agité mécaniquement Tableau 15 : Coefficient global de transmission de chaleur K pour différents types d'évaporateurs PARTIE – II Chapitre 3 Les évaporateurs frigorifiques Technologie Ver.1.2 / 2010 Page 47 4. DESCRIPTION DES EVAPORATEURS 4.1. Evaporateurs refroidisseurs de liquide Ces évaporateurs peuvent se subdiviser en évaporateurs à immersion ou immergés (placés au sein même du liquide à refroidir) et un certain nombre d'autres types pour lesquels le liquide à refroidir traverse de part en part l'évaporateur lui-même, le fluide frigorigène se trouvant séparé du liquide par une paroi métallique; ces évaporateurs sont dits à circulation interne. Selon le cas, le liquide à refroidir circule à l’extérieur des tubes ou, au contraire, dans les tubes. Dans la première catégorie, on rencontre notamment les évaporateurs immergés et les évaporateurs multitubulaires dits à détente sèche et certains évaporateurs multitubulaires verticaux, alors que la seconde catégorie regroupe essentiellement les évaporateurs à double tube et le reste des évaporateurs multitubulaires horizontaux ou verticaux. Spécifications Schémas A IMMERSION Ce sont les plus anciens évaporateurs utilisés dans l'industrie frigorifique. ils sont surtout utilisés lorsque le refroidissement du liquide ne s'accompagne pas d'un gradient de température important ou, autrement dit, que le débit de produit est très important. Ils sont entièrement immergés dans le liquide à refroidir et affectent, suivant leur destination d'une part et suivant la nature du fluide frigorigène d’autre part, des formes différentes matérialisées par l'exécution de «serpentins» et de «grilles». Types Serpentins : Ce type d'évaporateur est uniquement utilisé pour les fluides miscibles avec l’huile et ou une vitesse de circulation minimale du mélange liquide-vapeur de fluide frigorigène est indispensable pour permettre un retour au compresseur de l’huile entraînée par le fluide frigorigène (3). Les puissances frigorifiques mises en jeu sont inférieures ou égales à 20 kW et les fluides frigorigènes utilisés sont les fluides frigorigènes chlorofluorés tels que le R22. Types Grilles : Ils sont utilisés pour des machines industrielles, et notamment pour l'ammoniac et le R 22. Ils sont constitués par des collecteurs réalisées en tubes étirés sous soudure, réunis entre eux par une série de tubes de plus faibles diamètres. Ils sont alors alimentés par liquide détendu par pompe ou par gravité à partir d'un séparateur de liquide placé à la partie haute de l'installation. PARTIE – II Chapitre 3 Les évaporateurs frigorifiques Technologie Ver.1.2 / 2010 Page 48 Description des évaporateurs refroidisseurs de liquide (suite) MULTITUBULAIRES La technologie générale de ces évaporateurs est la même que celle des condenseurs multitubulaires. Dans cette catégorie, on distingue : — Les évaporateurs multitubulaires horizontaux noyés (dans lesquels le liquide à refroidir circule dans les tubes et le refroidissement se fait par ébullition en masse du fluide frigorigène qui noie les tubes contenus dans la calandre) et à détente sèche (dans lesquels le fluide frigorigène liquide est admis dans les tubes au moyen d'un détenteur thermostatique dont le bulbe contrôle l'état à la sortie, la vapeur est non seulement exempte de gouttes entraînées, mais encore il règne une certaine surchauffe réglable par le détendeur). Dans le premier cas (évaporateurs noyés), ils sont très utilisés pour le refroidissement de l'eau glacée en conjonction avec les compresseurs centrifuges en utilisant les fluides halogénés tels que : R11, R114, R12 et R22. Ils ont l'avantage de libérer des volumes importants de vapeurs. Ils sont toutefois sensibles aux risques dus au primage (entraînement de liquide par les vapeurs dégagées), ce qui peut entraîner des coups de liquide au compresseur. Dans le second cas (évaporateurs à détente sèche), ils sont moins sensibles aux risques dus à la congélation accidentelle du liquide refroidi. ils peuvent être employés pour tous les fluides frigorigènes mais ils le sont surtout avec les fluides halogénés. Dans tous les cas, ces évaporateurs sont de conceptions différentes suivant qu'ils sont destinés à des machines à ammoniac ou à fluides chlorofluorés. Cette différence est uniquement due aux conditions de miscibilité de ces fluides avec les huiles de lubrification. — uploads/Geographie/ part-2-ch3.pdf