Dimensionnement et sélection de l'évaporateur de réfrigération

L'évaporateur est un composant critique dans tout système de réfrigération, servant de cœur du processus de refroidissement. Le dimensionnement et la sélection des évaporateurs appropriés ont un impact direct sur l'efficacité du système, les coûts d'exploitation et les performances de refroidissement. Ce rapport examine l'approche méthodique du dimensionnement et de la sélection des évaporateurs, combinant les principes d'ingénierie avec des considérations pratiques pour la conception optimale du système.

Fondamentaux des évaporateurs dans les systèmes de réfrigération

L'évaporateur sert de composant où l'effet de refroidissement réel a lieu dans les systèmes de réfrigération. Il fonctionne en permettant au réfrigérant de s'évaporer et de se développer dans un environnement contrôlé. Alors que le réfrigérant liquide entre dans l'évaporateur, il rencontre une basse pression, ce qui le fait vaporiser et absorber la chaleur de l'air environnant ou du milieu qui nécessite un refroidissement. Cette absorption de chaleur élimine efficacement la chaleur de l'espace réfrigéré, abaissant sa température.

Dans le cycle de réfrigération plus large, l'évaporateur fonctionne de concert avec le compresseur, le condenseur et la vanne d'expansion. Chaque composant joue un rôle spécifique dans le processus thermodynamique:

1. Le compresseur pompe la vapeur de réfrigérant de l'évaporateur et le comprime, augmentant sa pression et sa température
2. Le condenseur rejette la chaleur indésirable du système vers l'environnement extérieur
3. La soupape d'expansion étend le réfrigérant, abaissant sa pression et sa température
4. L'évaporateur absorbe la chaleur de l'espace refroidi

La compréhension de ce cycle est cruciale pour un bon dimensionnement de l'évaporateur, car l'évaporateur doit être correctement adapté aux autres composants pour les performances optimales du système.

Le processus thermodynamique

Du point de vue thermodynamique, le fonctionnement de l'évaporateur implique quatre points clés dans le cycle de réfrigération:

1. Entre l'évaporateur et le compresseur (basse température, basse pression)
2. Comme le réfrigérant quitte le compresseur (haute température, haute pression)
3. Lorsque le réfrigérant quitte le condenseur (température moyenne, haute pression)
4. Après la soupape d'expansion, avant d'entrer dans l'évaporateur (basse température, basse pression)

Pour chaque point, les propriétés comprenant la température, la pression, l'entropie et l'enthalpie doivent être considérées pour concevoir correctement le système et sélectionner les composants appropriés.

Méthodologie de dimensionnement de l'évaporateur

Le processus de dimensionnement des évaporateurs suit des calculs d'ingénierie systématiques en fonction des exigences de charge de refroidissement et des paramètres du système.

Calcul de la charge de chaleur

La première étape dans le dimensionnement d'un évaporateur consiste à déterminer la charge thermique qui doit être retirée de l'espace ou du produit. Cela implique de calculer:

1. Charge de transmission: Le gain de chaleur à travers les murs, le sol, le plafond et les fenêtres en raison de la différence de température entre l'environnement intérieur et extérieur.
2. Charge de produit: L'élimination de la chaleur du produit refroidie, qui peut inclure la chaleur générée par le produit lui-même, ainsi que toute chaleur transférée au produit depuis l'environnement.
3. Charge interne: La chaleur générée par des sources internes telles que:
   • Lumières
   • Personnes (chaleur métabolique)
   • Équipement (machines, ordinateurs, etc.)
4. Charge d'infiltration: Le gain de chaleur dû à l'échange d'air lorsque les portes sont ouvertes, ce qui permet à l'air extérieur d'entrer dans l'espace et à l'intérieur de l'air pour s'échapper.

Ces calculs fournissent la charge thermique totale dans BTU / HR (unités thermiques britanniques par heure) ou kW, qui sert de base à la taille de l'évaporateur.

Formule de calcul de la charge de chaleur

La charge thermique totale peut être calculée en utilisant la formule suivante:

Composant	Formule
Charge de transmission	Q_trans = u * a * Δt
Charge de produit	Q_prod = m * c_p * Δt
Charge interne	Q_int = q_lights + q_people + q_equipment
Charge d'infiltration	Q_inf = ρ * v * c_p * Δt

où:

• Q = charge de chaleur (BTU / HR ou KW)
• U = coefficient de transfert de chaleur global (BTU / HR · FT² · ° F ou w / m² · k)
• A = surface (ft² ou m²)
• Δt = différence de température (° F ou K)
• M = masse de produit (LB ou kg)
• C_P = capacité thermique spécifique du produit (BTU / LB · ° F ou J / kg · k)
• ρ = densité d'air (lb / ft³ ou kg / m³)
• V = taux d'échange d'air (ft³ / min ou m³ / s)

En calculant la charge thermique totale, vous pouvez déterminer la taille de l'évaporateur requise pour éliminer efficacement la chaleur de l'espace ou du produit.

Approche de dimensionnement quantitative

Pour les applications de refroidissement par eau, la taille de l'évaporateur peut être calculée à l'aide de la méthode suivante:

1. Déterminez le différentiel de température: soustrayez la température sortante de l'évaporateur de sa température de l'eau entrante
2. Multiplier par le débit volumétrique en gallons par minute
3. Multipliez par 500 pour convertir en BTU par heure
4. Divisez par 12 000 pour convertir en tonnes de réfrigération

Par exemple, si l'eau entre à 60 ° F et part à 46 ° F, avec un débit de 400 gallons par minute:

• Différentiel de température: 60 - 46 = 14 ° F
• Calcul BTU / HR: 14 × 400 × 500 = 2 800 000 Btu / HR
• Tonnage: 2 800 000 ÷ 12 000 = 233,33 tonnes

Considérations de l'équilibre du système

Lors du dimensionnement d'un évaporateur, il doit être correctement adapté au compresseur et à la capacité du condenseur. Le rejet de chaleur total pour le système est déterminé en ajoutant la charge de l'évaporateur (en KW) et la puissance absorbée du moteur du compresseur. Cette relation garantit que les composants du système fonctionnent harmonieusement.

De nombreux professionnels recommandent de dimensionner les évaporateurs avec une marge de sécurité. Par exemple, certains ingénieurs ont régulièrement surdimensionné les évaporateurs d'environ 20% pour fournir une capacité de refroidissement supplémentaire et améliorer les performances du système.

Critères de sélection pour les évaporateurs de réfrigération

La sélection du bon évaporateur implique plusieurs considérations critiques au-delà des conditions de capacité de correspondance.

Facteurs spécifiques à l'application

Le processus de sélection doit tenir compte de divers facteurs pour garantir que la solution de refroidissement choisie répond aux besoins spécifiques de l'application. Les facteurs suivants doivent être pris en compte:

1. Type d'application: Cela comprend le stockage à froid, le refroidissement des processus, la préservation des aliments et d'autres applications spécialisées telles que:
   • Conservation des poissons
   • Stockage pharmaceutique
   • Refroidissement du centre de données
   • Refroidissement du processus industriel
2. Capacité de refroidissement souhaitée: Cela fait référence à la quantité de chaleur qui doit être retirée de l'application, généralement mesurée en unités d'énergie telles que les kilowatts (KW) ou des tonnes de réfrigération.
3. Contraintes d'espace: Cela comprend l'espace disponible pour l'équipement de refroidissement, ainsi que toutes les limites de taille, de poids ou de forme.
4. Conditions environnementales: Cela englobe la température ambiante, l'humidité et d'autres facteurs environnementaux qui peuvent avoir un impact sur les performances du système de refroidissement, telles que:
   • Gammes de température
   • Niveaux d'humidité
   • Qualité de l'air
   • Exposition aux conditions météorologiques
5. Caractéristiques du produit: Si l'application consiste à refroidir un produit spécifique, comme la nourriture ou les produits pharmaceutiques, les caractéristiques du produit suivantes doivent être prises en compte:
   • Exigences de température
   • Sensibilité aux fluctuations de la température
   • Teneur en humidité
   • Exigences d'emballage

Pour des applications spécialisées comme la conservation des poissons, des facteurs supplémentaires peuvent inclure:

• Exigences de température spécifiques pour la conservation des produits, comme le maintien d'une température réfrigérée cohérente pour éviter la détérioration
• Conditions climatiques locales, comme une humidité élevée ou des températures extrêmes, ce qui peut avoir un impact sur les performances du système de refroidissement et nécessiter des considérations de conception spécialisées

Le tableau suivant résume les principaux facteurs spécifiques à l'application à considérer:

Facteur	Description	Exemples
Type d'application	Type d'application, comme le stockage à froid ou le refroidissement des processus	Conservation des poissons, stockage pharmaceutique, refroidissement du centre de données
Capacité de refroidissement souhaitée	Quantité de chaleur à retirer de l'application	10 kW, 5 tonnes de réfrigération
Contraintes d'espace	Espace disponible pour l'équipement de refroidissement	Espace au sol limité, hauteur de plafond restreinte
Conditions environnementales	Température ambiante, humidité et autres facteurs environnementaux	Plage de température: -20 ° C à 30 ° C, niveau d'humidité: 50%
Caractéristiques du produit	Exigences de température, sensibilité aux fluctuations de la température, teneur en humidité	Besoin de température: 2 ° C à 8 ° C, teneur en humidité: 10%

Différentiel de température (TD)

Le différentiel de température entre le réfrigérant de l'évaporateur et le milieu refroidi (air ou liquide) est un facteur de sélection critique. Un TD plus grand offre plus de capacité de refroidissement mais peut provoquer une humidité relative plus élevée dans l'espace refroidi. Inversement, un TD plus petit maintient une humidité plus élevée mais nécessite une surface d'évaporatrice plus grande.

Pour de nombreuses applications de stockage des aliments, le maintien de niveaux d'humidité appropriés est aussi important que le contrôle de la température, faisant de la TD une considération essentielle dans la sélection des évaporateurs.

Compatibilité réfrigérant

Le choix du réfrigérant a un impact significatif sur la sélection et le dimensionnement de l'évaporateur. Différents réfrigérants ont des propriétés thermodynamiques variables, affectant les performances du système et la sélection des composants. Par exemple:

• R-134A est couramment utilisé dans les applications automobiles et commerciales
• Le R-22 (étant en cours de suppression) a historiquement été utilisé dans de nombreuses applications industrielles
• Des réfrigérants alternatifs comme R-152A, R-1234YF et R-290 (propane) ont des caractéristiques de performance différentes nécessitant des conceptions d'évaporateurs spécifiques

Le coefficient de refroidissement des performances (COP) varie en fonction de la sélection du réfrigérant, avec certaines alternatives mieux que les options traditionnelles.

Types d'évaporateurs et leurs applications

Différents types d'évaporateurs servent diverses applications, chacune avec des avantages et des considérations distincts.

Évaporateurs refroidis par air

Les évaporateurs refroidis par air utilisent des ventilateurs pour faire circuler l'air sur les bobines d'évaporateur où le réfrigérant absorbe la chaleur. Ce sont le type le plus courant utilisé dans la réfrigération industrielle et sont disponibles dans diverses configurations:

• Unités montées sur le plafond
• Unités montées au sol
• Unités murales

Les évaporateurs refroidis par air sont polyvalents et adaptés à une large gamme d'applications, du stockage du froid au refroidissement des processus. Leur sélection dépend des exigences du débit d'air, des contraintes d'espace et de la capacité de refroidissement nécessaire.

Évaporateurs refroidis par eau

Les évaporateurs refroidis par eau utilisent l'eau comme moyen pour absorber la chaleur du réfrigérant. Ceux-ci sont généralement utilisés dans:

• Applications de refroidissement de processus
• Grands systèmes industriels
• Applications où un contrôle de température précis est requis

Les systèmes refroidis par eau atteignent souvent une efficacité plus élevée mais nécessitent une infrastructure et une gestion supplémentaires.

Échangeurs de chaleur coaxiaux

Pour les applications nécessitant le refroidissement d'un autre liquide, les échangeurs de chaleur coaxiaux servent d'évaporateurs efficaces. Ceux-ci se composent d'un tube à l'intérieur d'un tube, avec un réfrigérant circulant à travers un passage et le liquide à refroidir s'écoulant à travers l'autre.

Cette conception permet un transfert de chaleur efficace entre les deux fluides, ce qui le rend idéal pour des applications spécialisées telles que l'équipement de laboratoire, le refroidissement médical ou le contrôle de la température du fluide.

Intégration du système et correspondance des composants

La fonction appropriée de l'évaporateur dépend de son intégration avec d'autres composants système et de la conception globale du système.

Correspondance de compresseur-évaporateur

Le compresseur et l'évaporateur doivent être correctement appariés pour assurer l'efficacité du système. Si l'évaporateur est surdimensionné par rapport au compresseur:

• Le différentiel de température sera inférieur aux spécifications d'usine
• Les niveaux d'humidité peuvent augmenter légèrement
• La pression d'aspiration augmentera, améliorant potentiellement l'efficacité énergétique

À l'inverse, un évaporateur sous-dimensionné aura du mal à répondre aux demandes de refroidissement, forçant le compresseur à travailler plus dur et à réduire l'efficacité du système.

Considérations de condenseur

Le condenseur doit être dimensionné pour gérer le rejet de chaleur total, qui comprend à la fois la charge de l'évaporateur et la chaleur générée par le compresseur. Par exemple, si un évaporateur gère 4 kW de refroidissement et que le compresseur ajoute 1 kW de chaleur, le condenseur doit gérer un total de 5 kW.

Cette relation entre les composants souligne l'importance de la conception à l'échelle du système plutôt que de se concentrer sur des composants individuels isolément.

Sélection du dispositif d'extension

Le dispositif d'extension (valve ou orifice) doit être dimensionné de manière appropriée pour livrer la quantité appropriée de réfrigérant à l'évaporateur. Dans les systèmes avec des dispositifs de mesure à orifice variable comme les TXV (vannes d'expansion thermostatique) et les EEV (vannes de dilatation électronique), une colonne solide de réfrigérant liquide doit être livrée pour garantir une mesure appropriée.

Le dispositif d'extension contrôle le débit de réfrigérant et la chute de pression, affectant directement les performances de l'évaporateur et l'efficacité du système.

Considérations d'optimisation des performances et d'efficacité

L'optimisation des performances de l'évaporateur s'étend au-delà du dimensionnement initial et de la sélection pour inclure les paramètres opérationnels et la gestion du système.

Contrôle de surchauffe et de sous-refroidissement

Une surchauffe appropriée (chauffage supplémentaire du réfrigérant vapeur après évaporation) est essentielle pour les performances du système. Bien que théoriquement inefficace, une surchauffe est nécessaire pour protéger le compresseur des dommages au réfrigérant liquide. L'équilibre optimal sur la surchauffe garantit:

• Réfrigérant liquide adéquat dans l'évaporateur pour un transfert de chaleur efficace
• Protection du compresseur contre les frappes liquides
• Utilisation maximisée de la surface de l'évaporateur

De même, le sous-refroidissement (refroidissement du réfrigérant liquide en dessous de sa température de condensation) dans le condenseur assure une bonne livraison de liquide au dispositif d'extension.

Considérations d'efficacité énergétique

Un évaporateur bien conçu maximise le transfert de chaleur tout en minimisant l'apport d'énergie, en réduisant les coûts opérationnels et en améliorant la durabilité du système. Plusieurs éléments de conception peuvent améliorer l'efficacité énergétique:

1. Espacement et conception d'ailettes optimales
2. Distribution de réfrigérant appropriée
3. Sélection de ventilateur ou de pompe efficace
4. Systèmes de dégivrage efficaces (le cas échéant)
5. Modèles d'écoulement d'air ou de fluide appropriés

Des conceptions de systèmes alternatives, telles que les configurations à double évaporateur, peuvent également améliorer l'efficacité. Dans de tels systèmes, un évaporateur dans le compartiment du réfrigérateur fonctionne juste assez frais pour la réfrigération, tandis qu'un évaporateur séparé gère les températures du congélateur. Cette disposition nécessite moins d'énergie par unité de chaleur enlevée par rapport aux conceptions conventionnelles.

Conclusion

Le dimensionnement et la sélection des évaporateurs représentent des éléments critiques dans la conception du système de réfrigération. Le processus nécessite une approche méthodique qui considère non seulement la charge de refroidissement mais également l'intégration du système, les propriétés de réfrigérant, les exigences d'application et les objectifs d'efficacité énergétique.

Les ingénieurs et les concepteurs doivent équilibrer les calculs théoriques avec des considérations pratiques, y compris les marges de sécurité, les besoins de capacité future et la flexibilité opérationnelle. La sélection optimale de l'évaporateur résulte de cette approche équilibrée, compte tenu des exigences immédiates et des performances du système à long terme.

Alors que la technologie de réfrigération continue d'évoluer, en particulier avec la transition vers des réfrigérants à faible GWP (potentiel de réchauffement climatique) et l'accent mis sur l'efficacité énergétique, la conception et les méthodologies de sélection de l'évaporateur doivent s'adapter en conséquence. Les principes fondamentaux décrits dans ce rapport fournissent une base pour naviguer dans ces changements tout en obtenant des performances et une fiabilité optimales du système.