Échangeur de chaleur à compresseur en CVC — Conception, sélection et maintenance

Rôle de l'échangeur de chaleur à compresseur dans les systèmes CVC

Le échangeur de chaleur à compresseur (souvent le refroidisseur d'huile ou le refroidisseur intermédiaire/de gaz selon le type de système) élimine la chaleur générée pendant la compression et conditionne le réfrigérant et l'huile lubrifiante à des températures de fonctionnement sûres. Ses principaux objectifs sont de protéger la durée de vie du compresseur, de maintenir les performances de lubrification, de stabiliser la thermodynamique des réfrigérants et de maintenir les températures de décharge du système dans les limites de conception.

Tapezs courants d’échangeurs de chaleur à compresseur et où ils sont utilisés

Le choix du bon type dépend de la capacité du système, des services publics disponibles, de l'empreinte au sol et des conditions environnementales. Vous trouverez ci-dessous les types courants utilisés dans les compresseurs CVC :

• Échangeurs à tubes à ailettes refroidis par air : Option simple, à faible consommation d'eau, utilisée sur de nombreuses unités de toit ou de petites et moyennes unités où un flux d'air ambiant est disponible.
• Échangeurs calandre refroidis à l'eau : Transfert de chaleur plus élevé par empreinte ; utilisé là où de l'eau réfrigérée ou de tour de refroidissement est disponible et dans les compresseurs de plus grande salle mécanique.
• Échangeurs à plaques (brasées ou à joints) : Compact, efficace et utilisé là où l'espace est limité ou où un transfert de chaleur rapide entre l'huile et le réfrigérant est requis.
• Refroidisseurs d'huile intégrés : Des échangeurs plus petits et étroitement couplés à l’intérieur du groupe compresseur utilisés pour le contrôle de la température de l’huile lubrifiante.

Paramètres de conception clés à spécifier

Lorsque vous spécifiez un échangeur thermique à compresseur, vous devez documenter les conditions de fonctionnement réelles, et pas seulement la capacité nominale. Les paramètres critiques sont les débits de réfrigérant/huile, les températures d'entrée/sortie, la chute de pression admissible, les pressions de service maximales, la chimie du fluide (compatibilité), les facteurs d'encrassement et la température ambiante ou de l'eau de refroidissement.

Lermal variables and required information

Fournir : la charge thermique attendue (kW ou BTU/h) du compresseur, les propriétés du fluide source et puits, les températures d'approche autorisées (ΔTmin) et tout fonctionnement transitoire ou intermittent qui affectera les températures moyennes et le dimensionnement.

Exigences mécaniques et de facilité d'entretien

Indiquez les matériaux requis (acier inoxydable, cuivre, acier au carbone), les normes de brides, l'accès pour le nettoyage et si l'échangeur doit être remplaçable ou nettoyable sur place. Ceux-ci affectent le coût du cycle de vie et les temps d’arrêt.

Exemple de dimensionnement pratique (débit d'eau de refroidissement nécessaire)

Cet exemple montre comment calculer le débit d'eau de refroidissement nécessaire pour absorber la chaleur du compresseur. Utilisez le bilan énergétique Q = ṁ · c · ΔT, où Q est la consommation thermique (W), ṁ est le débit massique (kg/s), c est la chaleur spécifique (J/kg·K) et ΔT est l'augmentation de température admissible (°C).

Exemples de chiffres : supposons que la puissance calorifique du compresseur Q = 50 000 W (50 kW), que le fluide de refroidissement est de l'eau avec c = 4 184 J/kg·K et que ΔT admissible = 10 °C.

Étapes de calcul :

• Commencez par Q = ṁ · c · ΔT.
• Réorganiser : ṁ = Q / (c · ΔT).
• Calculer le dénominateur : c · ΔT = 4 184 × 10 = 41 840 (J/kg).
• Calculer le débit massique : ṁ = 50 000 / 41 840 ≈ 1,195 kg/s.
• Convertir en débit volumétrique (pour l'eau, 1 kg ≈ 1 L) : 1,195 kg/s ≈ 1,195 L/s = 1,195 × 60 = 71,70 L/min.
• Résultat : environ 1,20 kg/s (ou ~71,7 L/min) d'eau de refroidissement sont nécessaires pour une charge thermique de 50 kW avec une augmentation de 10 °C.

Mesures de performance de l'échangeur de chaleur à évaluer

Lorsque vous comparez les options, évaluez le coefficient de transfert de chaleur global (U), la surface requise (A) via Q = U·A·LMTD, la chute de pression des deux côtés, la température d'approche (à quelle distance le fluide froid peut se rapprocher du fluide chaud) et la résistance à l'encrassement. Une température d'approche plus basse signifie généralement un A plus grand ou un U plus élevé.

Liste de contrôle de sélection pour les ingénieurs et les entrepreneurs

• Confirmez la courbe réelle de rejet de chaleur du compresseur aux points de fonctionnement prévus plutôt que sur la plaque signalétique uniquement.
• Spécifiez les limites de température de refoulement maximale autorisée et de température d'huile définies par le fabricant du compresseur.
• Faites correspondre le type d’échangeur aux services publics disponibles (air ou eau), à l’empreinte au sol et au régime de maintenance.
• Spécifiez les limites de chute de pression pour éviter de priver le compresseur ou de surcharger les pompes/ventilateurs.
• Incluez la tolérance à la corrosion et la compatibilité des matériaux pour la chimie des réfrigérants, de l’huile et de l’eau.
• Concevoir pour un facteur d'encrassement réaliste et permettre un accès pour le nettoyage mécanique ou chimique.

Bonnes pratiques d’installation et de tuyauterie

Monter l'échangeur pour un bon drainage (les refroidisseurs d'huile ne doivent pas emprisonner l'huile). Prévoir des vannes d'isolement et des dérivations pour le nettoyage et l'entretien. Incluez des instruments de température et de pression en amont et en aval pour les deux circuits afin de surveiller les performances. Pour les échangeurs à plaques, incluez dans la documentation une méthode permettant de remplacer en toute sécurité les joints ou les procédures de remplacement des plaques brasées.

Exploitation, surveillance et maintenance

Des inspections régulières prolongent la durée de vie et préservent les performances. Les pratiques recommandées comprennent une inspection visuelle trimestrielle, une surveillance mensuelle des différences de température, un nettoyage périodique des ailettes côté air ou un nettoyage mécanique/chimique des surfaces côté eau, ainsi qu'une analyse de l'huile pour détecter des températures élevées ou des contaminants susceptibles d'accélérer l'encrassement.

Points de surveillance de routine

• Enregistrez les températures de décharge et d’huile du compresseur et comparez-les aux performances de référence.
• Suivez la température d’approche et notez toute dérive constante indiquant un encrassement ou une dégradation de la pompe/du ventilateur.
• Surveillez les chutes de pression dans l’échangeur pour détecter les blocages ou le tartre.
• Pour les systèmes refroidis à l'eau, surveillez la qualité de l'eau (dureté, pH, présence de biocide) pour éviter un encrassement rapide.

Dépannage des problèmes courants

Symptômes, causes probables et premières mesures à prendre :

• Température de décharge élevée : Vérifier le débit de refroidissement, l'encrassement, le fonctionnement du ventilateur et le niveau d'huile. Rétablissez le flux et nettoyez les surfaces.
• Augmentation rapide de la chute de pression : Inspectez la présence de débris, de tartre ou de tubes effondrés ; effectuer le nettoyage ou le remplacement du tube si nécessaire.
• Contamination par l'huile ou contamination croisée : Tester les fluides ; en cas de mélange réfrigérant-huile, suivez les procédures du fabricant et envisagez le remplacement de l'échangeur si une fuite interne est suspectée.
• Vibration ou bruit : Vérifiez le montage sécurisé, vérifiez les vibrations induites par l'écoulement et assurez-vous que les joints de dilatation appropriés sont en place.

Considérations relatives à la rénovation et à la mise à niveau

Lors de la modernisation de compresseurs plus anciens, envisagez de remplacer les petits échangeurs refroidis par air inefficaces par des unités à plaques ou à calandre et tubes si l'espace et les services publics le permettent. Les mises à niveau qui réduisent les températures d'approche ou la consommation d'énergie des ventilateurs/pompes peuvent être rapidement rentables sur les grands systèmes. Vérifiez toujours la compatibilité mécanique et la compatibilité réfrigérant/huile lors du changement de matériaux ou de configuration de l'échangeur.

Tableau comparatif : guide de décision rapide

Résumé – étapes pratiques pour de meilleurs résultats

Pour des performances fiables de l'échangeur thermique du compresseur : collectez des données de fonctionnement précises, choisissez le type d'échangeur en fonction des services publics et de l'espace, la taille en fonction de la puissance thermique et du ΔT autorisé, spécifiez les matériaux et les facteurs d'encrassement, assurez le nettoyage et la surveillance, et suivez un programme de maintenance discipliné. Ces étapes réduisent les temps d'arrêt, préservent la durée de vie du compresseur et optimisent l'efficacité globale de l'installation CVC.