Échangeurs de chaleur
Production du froid : technologie des machines industrielles

Compte tenu des différences fondamentales qui existent sur les plans économique, technologique et de la production industrielle, il paraît souhaitable de traiter séparément ce qu’il est communément convenu d’appeler le froid domestique et le froid commercial et industriel, c’est pourquoi on ne traitera ici que des deux derniers aspects et non des réfrigérateurs et congélateurs ménagers, des climatiseurs réversibles ou non, des meubles de vente et des groupes embarqués (camions, semi-remorques et wagons).

La définition complète d’une installation frigorifique ne peut être envisagée que d’une seule manière à partir du moment où l’on a fixé les points clés ci‐après dont l’enchaînement logique permet de définir sa constitution physique (figure 1).

La figure 2 donne le schéma général d’une installation frigorifique permettant de situer les différents éléments entrant en jeu.

Type d’application et choix de la température d’évaporation  : selon qu’il s’agit de refroidir de l’air, un liquide ou un solide, dénommés généralement sources froides, le niveau de température à réaliser θ _f détermine le niveau de la température d’évaporation θ_o à partir du moment où l’on choisit l’écart minimal : pincement θ _f – θ_o de 5 à 7 K.

Par exemple :

• refroidissement d’eau glacée à + 5 ^oC, d’où θ_o = 0 ^oC ;

• refroidissement d’une chambre à – 25 ^oC, d’où θ_o = – 30 ^oC.

Puissance frigorifique  : elle conditionne l’importance de l’installation et permet un premier classement dont les bornes sont fixées à titre indicatif :

• faible de 10 à 50 kW ;

• moyenne de 50 à 500 kW ;

• forte au‐dessus de 500 kW.

Ces grandeurs ne peuvent cependant pas être dissociées de la valeur θ_o car le coût d’une installation, à puissance égale, est inversement proportionnel à cette valeur.

Niveau de température de rejet de la chaleur et puits chaud  : il est déterminé par le milieu disponible, eau ou air, et son coût.

La température de condensation θ _k est liée directement à la valeur du puits chaud θ_c par l’écart de température choisi : pincement θ _k – θ_c de 10 à 15 K.

Par exemple :

• air à + 25 ^oC, d’où θ _k = 35 à 40 ^oC ;

• eau de mer à + 32 ^oC, d’où θ _k = 42 à 45 ^oC.

Choix du fluide frigorigène : l’ensemble des données ci‐dessus permet de sélectionner le fluide le mieux adapté, s’il n’est pas imposé.

Type de compresseur et nombre d’étages : compte tenu du régime thermique (θ _k , θ_o), de la puissance frigorifique et du fluide frigorigène, on décide du type de compresseur possible (piston, vis, spirale ou centrifuge), du nombre d’étages à prévoir, en tenant compte de ses limites d’utilisation fixées par son constructeur.

Exemples :

• moyenne puissance (100 kW), θ_o = 0 ^oC et θ _k = + 40 ^oC, pour la climatisation, on choisit le HCFC-22 et un compresseur à piston à un seul étage ;

• dans les mêmes conditions mais avec une forte puissance de 1 000 kW, on peut choisir entre un compresseur à vis et du HCFC-22 ou un compresseur centrifuge et du HCFC-123 (s’il s’agit d’eau glacée) ;

• forte puissance (1 000 kW), θ_o = – 40 ^oC et θ _k = + 35 ^oC, pour un tunnel de congélation, on peut choisir du HCFC-22 ou du R717 avec un compresseur à vis suralimenté.

Type d’évaporateur : sa technologie dépend essentiellement de l’application recherchée et de la nature de la source froide.

Type de condenseur : sa technologie dépend essentiellement de la nature de la source chaude.

Type de circuit de distribution : il dépend des choix précédents mais aussi de la répartition géographique des différents postes de froid dans le bâtiment ; deux solutions sont possibles :

• la détente directe du fluide frigorigène dans les postes utilisateurs, par exemple pour un entrepôt frigorifique avec de nombreuses chambres ayant des affectations et des températures différentes ;

• la circulation d’un frigoporteur dans les postes utilisateurs, par exemple par une distribution d’eau glacée refroidie dans un groupe frigorifique préfabriqué et testé en usine.