Ce guide se concentre sur les systèmes qui utilisent le réfrigérant-22 (R-22). Bien que les exigences générales soient les mêmes pour les systèmes qui utilisent d'autres réfrigérants, les vitesses et les chutes de pression seront différentes.
L'examen des changements physiques subis par le réfrigérant au cours du cycle de réfrigération aidera à démontrer certaines exigences auxquelles la conception de la tuyauterie doit répondre.
Réfrigération à compression de vapeur
La figure ci-dessous illustre un cycle de réfrigération à compression de vapeur de base. Le réfrigérant entre dans l'évaporateur sous la forme d'un mélange froid et basse pression de liquide et de vapeur (A). La chaleur est transférée au réfrigérant à partir de l'air relativement chaud qui est refroidi, provoquant l'ébullition du réfrigérant liquide. La vapeur de réfrigérant résultante (B) est ensuite pompée de l'évaporateur par le compresseur, ce qui augmente la pression et la température de la vapeur.
La vapeur de réfrigérant chaude à haute pression (C) qui en résulte entre dans le condenseur où la chaleur est transférée à l'air ambiant, qui est à une température inférieure à celle du réfrigérant. À l'intérieur du condenseur, la vapeur de réfrigérant se condense en un liquide et est sous-refroidie. Ce réfrigérant liquide (D) s'écoule ensuite du condenseur vers le dispositif de détente. Ce dispositif crée une perte de charge qui ramène la pression du fluide frigorigène à celle de l'évaporateur. À cette basse pression, une petite partie du réfrigérant bout (ou clignote), refroidissant le réfrigérant liquide restant à la température d'évaporateur souhaitée. Le mélange froid de réfrigérant liquide et vapeur (A) entre dans l'évaporateur pour répéter le cycle.
Tuyauterie de réfrigérant interconnectée
Ces composants individuels sont reliés par une tuyauterie de réfrigérant. La conduite d'aspiration relie l'évaporateur au compresseur, la conduite de refoulement relie le compresseur au condenseur et la conduite de liquide relie le condenseur au dispositif de détente. Le dispositif de détente est typiquement situé en bout de ligne liquide, à l'entrée de l'évaporateur.
La conception de la tuyauterie de réfrigérant ne se limite pas au déplacement du réfrigérant d'un composant à un autre. Indépendamment du soin apporté à la sélection et à l'application des composants du système de réfrigération, des problèmes de fonctionnement peuvent survenir si la tuyauterie d'interconnexion est mal conçue ou installée.
Exigences de tuyauterie de réfrigérant
- Retourner l'huile au compresseur
- Assurez-vous que seul le réfrigérant liquide pénètre dans le dispositif d'expansion
- Minimiser la perte de capacité du système
- Minimiser la charge de réfrigérant
Lorsqu'un système de réfrigération comprend une tuyauterie de réfrigérant assemblée sur site pour connecter deux composants ou plus, les principaux objectifs de conception sont généralement de maximiser la fiabilité du système et de minimiser les coûts d'installation. Pour atteindre ces deux objectifs, la conception de la tuyauterie de réfrigérant interconnectée doit répondre aux exigences suivantes :
- Renvoyez l'huile au compresseur au taux approprié, dans toutes les conditions de fonctionnement
- Assurez-vous que seul le réfrigérant liquide (pas de vapeur) pénètre dans le dispositif d'expansion
- Minimiser la perte de capacité du système causée par la chute de pression dans la tuyauterie et les accessoires
- Minimiser la charge totale de réfrigérant dans le système pour améliorer la fiabilité et minimiser les coûts d'installation
La première exigence est de s'assurer que l'huile est renvoyée au compresseur dans toutes les conditions de fonctionnement. L'huile est utilisée pour lubrifier et sceller les pièces mobiles d'un compresseur. Par exemple, le compresseur à volutes illustré dans la figure ci-dessus utilise deux configurations de volutes, accouplées face à face, pour comprimer la vapeur de réfrigérant. Les pointes de ces volutes sont équipées de joints qui, associés à une fine couche d'huile, empêchent la vapeur de réfrigérant comprimé de s'échapper par les surfaces de contact. De même, d'autres types de compresseurs dépendent également de l'huile pour la lubrification et pour fournir une étanchéité lors de la compression de la vapeur de réfrigérant.
De manière caractéristique, une partie de cette huile de lubrification est pompée avec le réfrigérant dans le reste du système. Bien que cette huile n'ait aucune fonction ailleurs dans le système, la tuyauterie de réfrigérant doit être conçue et installée de manière à ce que cette huile retourne au compresseur au bon débit, dans toutes les conditions de fonctionnement.
Renvoyez l'huile aux compresseurs
Pour en revenir au schéma du système, des gouttelettes d'huile sont pompées hors du compresseur avec la vapeur de réfrigérant chaude à haute pression. La vitesse du réfrigérant à l'intérieur de la conduite de refoulement doit être suffisamment élevée pour transporter les petites gouttelettes d'huile à travers la conduite jusqu'au condenseur.
À l'intérieur du condenseur, la vapeur de réfrigérant se condense en un liquide. Le réfrigérant liquide et l'huile ont une affinité l'un pour l'autre, de sorte que l'huile se déplace facilement avec le réfrigérant liquide. Depuis le condenseur, ce mélange de réfrigérant liquide et d'huile s'écoule à travers la conduite de liquide vers le dispositif de détente.
Ensuite, le mélange réfrigérant-huile est dosé à travers le dispositif de détente dans l'évaporateur, où le réfrigérant liquide absorbe la chaleur et se vaporise. Encore une fois, la vitesse de la vapeur de réfrigérant à l'intérieur de la conduite d'aspiration doit être suffisamment élevée pour transporter les gouttelettes d'huile à travers la conduite vers le compresseur.
Sans une vitesse adéquate et une installation correcte des tuyaux, l'huile peut être piégée dans le système. Si cette condition est suffisamment grave, le niveau d'huile réduit dans le compresseur peut entraîner des problèmes de lubrification et, éventuellement, une défaillance mécanique.
Détendeur thermostatique (TXV)
La deuxième exigence de la conception de la tuyauterie de réfrigérant est de s'assurer que seul le réfrigérant liquide pénètre dans le dispositif de détente. Il existe plusieurs types de dispositifs de détente, notamment les détendeurs (thermostatiques ou électroniques), les tubes capillaires et les orifices.
En plus de maintenir la différence de pression entre les côtés haute pression (condenseur) et basse pression (évaporateur) du système, un détendeur thermostatique (TXV) contrôle également la quantité de réfrigérant liquide qui entre dans l'évaporateur. Cela garantit que le réfrigérant sera complètement vaporisé dans l'évaporateur et maintient la bonne quantité de surchauffe dans le système.
Sous-refroidissement
À l'intérieur du condenseur, une fois que toute la vapeur de réfrigérant s'est condensée en liquide, le réfrigérant est sous-refroidi pour abaisser davantage sa température. Ce réfrigérant liquide sous-refroidi quitte le condenseur (A) et subit une chute de pression lorsqu'il circule dans la conduite de liquide et les accessoires, tels qu'un filtre déshydrateur et une électrovanne, installés en amont du TXV. Sur le graphique pression-enthalpie, figure ci-dessous à la page 5, cela déplace l'état du réfrigérant vers la courbe de liquide saturé (B). Si cette chute de pression est suffisamment élevée, ou si le réfrigérant n'a pas été suffisamment sous-refroidi par le condenseur, une petite partie du réfrigérant peut bouillir (ou flasher), entraînant un mélange de liquide et de vapeur (C) entrant dans le dispositif de détente.
La présence de vapeur de fluide frigorigène en amont du dispositif de détente est très indésirable. Des bulles de vapeur déplacent le liquide dans l'orifice du TXV, réduisant le débit de liquide à travers la vanne, réduisant ainsi considérablement la capacité de l'évaporateur. Il en résulte un fonctionnement erratique de la vanne.
La conception du système de tuyauterie doit garantir que seul le réfrigérant liquide (pas de vapeur) pénètre dans le dispositif de détente. Cela nécessite que le condenseur fournisse un sous-refroidissement adéquat dans toutes les conditions de fonctionnement du système et que la chute de pression dans la conduite de liquide et les accessoires ne soit pas suffisamment élevée pour provoquer un flashing. Le sous-refroidissement permet au réfrigérant liquide de subir une certaine chute de pression lorsqu'il circule dans la conduite de liquide, sans risque de clignotement.
Chute de pression dans une conduite d'aspiration
La troisième exigence de la conception de la tuyauterie de réfrigérant est de minimiser la perte de capacité du système. Pour atteindre la capacité maximale du système, le réfrigérant doit circuler dans le système aussi efficacement que possible. Cela implique de minimiser toute chute de pression à travers la tuyauterie et les autres composants du système.
Chaque fois qu'un fluide s'écoule à l'intérieur d'un tuyau, une chute de pression caractéristique se produit. La chute de pression est causée par le frottement entre le liquide (ou la vapeur) en mouvement et les parois internes du tuyau. La chute de pression totale dépend du diamètre et de la longueur du tuyau, du nombre et du type de raccords et d'accessoires installés dans la conduite, ainsi que du débit massique, de la densité et de la viscosité du réfrigérant.
À titre d'exemple, le graphique de la figure ci-dessus montre l'impact de la chute de pression, à travers la conduite d'aspiration, sur la capacité et l'efficacité du système. Pour cet exemple de système fonctionnant avec le réfrigérant 22, l'augmentation de la chute de pression totale dans la conduite d'aspiration de 3 psi (20,7 kPa) à 6 psi (41,4 kPa) diminue la capacité du système d'environ 2,5 % et diminue l'efficacité du système d'environ 2 %.
Cela révèle un compromis auquel le concepteur du système doit faire face. Le diamètre de la conduite d'aspiration doit être suffisamment petit pour que la vitesse du réfrigérant résultante soit suffisamment élevée pour transporter les gouttelettes d'huile à travers la conduite. Cependant, le diamètre du tuyau ne doit pas être si petit qu'il crée une chute de pression excessive, réduisant trop la capacité du système.
Minimiser la charge de réfrigérant
Les trois premières exigences sont restées inchangées pendant de nombreuses années. Cependant, des années d'observation et de dépannage ont révélé que plus la charge de réfrigérant du système est faible, plus le système fonctionne de manière fiable. Par conséquent, une quatrième exigence a été ajoutée pour la conception de la tuyauterie de réfrigérant : minimiser la quantité totale de réfrigérant dans le système. Pour commencer, cela implique de tracer le cheminement de tuyau le plus court, le plus simple et le plus direct. Cela implique également d'utiliser le plus petit diamètre de tuyau possible, en particulier pour la ligne de liquide car, des trois lignes, c'est celle qui impacte le plus la charge de réfrigérant. Le tableau de la figure ci-dessous montre que la conduite de liquide est juste derrière le condenseur en ce qui concerne la quantité de réfrigérant qu'elle contient.
Cela révèle un autre compromis pour le concepteur du système. Le diamètre de la conduite de liquide doit être aussi petit que possible pour minimiser la charge totale de réfrigérant. Cependant, le diamètre du tuyau ne peut pas être suffisamment petit pour créer une chute de pression excessive qui se traduit par un flash avant que le réfrigérant liquide n'atteigne le dispositif de détente.
Impliquer le fabricant
Si fourni, utilisez les tailles de conduite de réfrigérant recommandées par le fabricant
Ce guide traite des processus de dimensionnement de la tuyauterie d'interconnexion dans un système de climatisation. Certaines des informations requises pour sélectionner les tailles de ligne optimales sont mieux connues du fabricant. Par conséquent, si le fabricant de l'équipement de réfrigération fournit des tailles de ligne recommandées ou des outils pour sélectionner les tailles de ligne optimales, nous vous recommandons d'utiliser ces tailles de ligne.
Si, toutefois, les tailles de ligne ne sont pas fournies par le fabricant, les processus décrits dans ce guide peuvent être utilisés pour sélectionner les tailles.
Exigences générales de tuyauterie
- Utilisez des tubes en cuivre de type L propres
- Joints cuivre-cuivre : BCuP-6 sans flux
- Joints cuivre-acier (ou laiton) : BAg-28, flux non acide
- Soutenir correctement la tuyauterie pour tenir compte de la dilatation, des vibrations et du poids
- Éviter d'installer des canalisations souterraines
- Testez l'ensemble du circuit de réfrigérant pour détecter les fuites
Avant de discuter de la conception et de l'installation des conduites d'aspiration, de refoulement et de liquide, certaines exigences générales s'appliquent à toutes ces conduites.
Premièrement, les tubes en cuivre sont généralement utilisés pour la tuyauterie de réfrigérant dans les systèmes de climatisation. Ce tube est disponible en différents diamètres et épaisseurs de paroi standard. Le diamètre nominal du tube est exprimé en fonction de son diamètre extérieur. Ce tube doit être complètement exempt de saleté, de tartre et d'oxyde. De nouveaux tubes de type L ou de type ACR qui ont été nettoyés par le fabricant et bouchés aux deux extrémités sont recommandés pour les applications de climatisation.
Le système de tuyauterie est construit en brasant ensemble des tubes et des raccords en cuivre. Lors du brasage de joints cuivre-cuivre, utilisez BCuP-6* sans flux. Pour les joints cuivre-acier ou cuivre-laiton, utilisez BAg-28* avec un flux non acide.
Basé sur la spécification de l'American Welding Society (AWS) pour les métaux d'apport pour le brasage et le brasage, publication A5.8–1992
La tuyauterie de réfrigérant doit être correctement supportée pour tenir compte de la dilatation, des vibrations et du poids total de la tuyauterie. Lorsqu'un tuyau subit un changement de température, il est soumis à une certaine quantité de dilatation et de contraction. Étant donné que la tuyauterie de réfrigérant est connectée au compresseur, les forces de vibration sont transmises à la tuyauterie elle-même. Enfin, le poids du tuyau et des raccords remplis de réfrigérant doit être supporté pour empêcher les tuyaux de s'affaisser, de se plier ou de se casser.
Évitez d'installer la tuyauterie de réfrigérant sous terre. Il est très difficile de maintenir la propreté lors de l'installation ou de tester les fuites. Si l'installation souterraine est inévitable, chaque ligne doit être isolée séparément, puis les lignes doivent être imperméabilisées et protégées par une enveloppe rigide (type PVC).
Une fois la tuyauterie installée, l'ensemble du circuit de réfrigération doit être testé pour détecter les fuites avant de pouvoir être chargé de réfrigérant. Ce processus implique généralement la mise sous pression de l'ensemble du système de tuyauterie avec de l'azote sec pour examiner chaque joint brasé à la recherche de fuites.
Chacune de ces questions est examinée plus en détail dans le Manuel de réfrigération à piston Trane.
