Évaporateurs et condenseurs - Parcours Technicien

Document d’autoformation - version à relire techniquement avant mise en vente.

Bilans thermiques, diagnostic et réception

Document d’autoformation autonome. Toutes les données d’exercice et leurs corrigés sont inclus. Aucun cours présentiel n’est inclus ni obligatoire. Les cas et valeurs sont fictifs et ne constituent pas des réglages à appliquer sur une machine.

Prérequis : cycle frigorifique, lecture des unités et des schémas fonctionnels ; calculs de puissance, énergie et écarts.

01. Comprendre les deux échanges de chaleur

L’évaporateur et le condenseur sont des échangeurs. Dans le cycle étudié, l’évaporateur reçoit la chaleur du milieu à refroidir et la transmet au fluide frigorigène. Le condenseur reçoit la vapeur comprimée et rejette de la chaleur vers l’air ou un autre milieu. Leurs noms décrivent ce que fait le frigorigène : il s’évapore dans l’un et se condense dans l’autre, dans les régimes concernés.

Une chaleur traverse la paroi grâce à une différence de température. La paroi sépare normalement les fluides tout en permettant l’échange thermique. Un échangeur performant ne mélange donc pas nécessairement les deux fluides. Une fuite entre circuits constitue une défaillance, pas le principe de fonctionnement.

Le compresseur apporte de l’énergie au cycle. Dans un bilan simplifié en régime stable, la chaleur rejetée au condenseur dépasse celle absorbée à l’évaporateur de cet apport. Exemple fictif : 6 kW retirés au milieu froid et 2 kW transmis au cycle donnent environ 8 kW à rejeter. Les frontières et les pertes réelles doivent être précisées pour un bilan complet.

Exercice : une chambre atteint sa consigne mais le local du condenseur devient très chaud. Est-ce contradictoire ? Non. Le rejet thermique doit quitter ce local. Il faut documenter la ventilation et la température d’entrée du condenseur, sans conclure que le froid a disparu. Le service de la chambre et les conditions du rejet sont deux résultats à examiner ensemble.

02. Identifier la construction et les raccordements

Un échangeur à tubes et ailettes étend la surface d’échange du côté de l’air. Les ailettes facilitent le transfert mais leur espacement et leur état influencent aussi le passage d’air. Un ventilateur met l’air en mouvement lorsqu’une convection forcée est prévue. Des tubes écrasés, des ailettes obstruées ou un passage court-circuité peuvent modifier la fonction.

D’autres échangeurs emploient des plaques, des faisceaux tubulaires ou des géométries particulières. Ils peuvent échanger avec de l’eau ou un fluide caloporteur. Matériaux, joints, modes d’assemblage et circuits internes déterminent les compatibilités et les possibilités de maintenance. Une méthode acceptable sur un échangeur démontable ne s’applique pas automatiquement à un appareil brasé.

Relever la référence, le fluide de chaque côté, les températures et pressions admissibles, le schéma des raccordements et le sens de circulation indiqué. Identifier aussi ventilateurs, sondes, résistances, bac et évacuation lorsqu’ils existent. Une plaque sur le ventilateur ne décrit pas toutes les caractéristiques de l’échangeur.

Dossier fictif E-01 utilisé dans ce cours : évaporateur à air ventilé avec bac, évacuation et dégivrage électrique ; condenseur à air ventilé extérieur ; circuit à compression de vapeur. Aucune marque, charge de fluide ou consigne universelle n’est imposée. Les exercices donnent leurs valeurs. Un second dossier H-01 décrit un échangeur à eau sans changement d’état de l’eau, uniquement pour les calculs documentaires.

03. Lire les températures sans mélanger les écarts

Trois écarts peuvent coexister : différence entre l’air entrant et sortant, différence entre l’air et le frigorigène, et différence entre la température réelle d’une conduite et une température de saturation. Ils n’ont pas le même sens. Écrire chaque soustraction avec les noms des points évite de réduire tous ces écarts à une seule expression « delta T ».

Dossier E-02 : air entrant dans l’évaporateur +5 °C, air sortant +1 °C, température de saturation d’évaporation fictive −5 °C. La baisse d’air vaut 5 − 1 = 4 K. L’écart entre air entrant et saturation vaut 5 − (−5) = 10 K. Ce dernier n’est pas la surchauffe, qui nécessite une température de vapeur et la pression locale correspondante.

Dossier E-03 : air entrant au condenseur 30 °C, sortant 38 °C ; référence de saturation de condensation 43 °C. L’échauffement d’air vaut 8 K ; l’écart entre saturation et entrée d’air vaut 13 K. Ces observations ne déterminent pas seules la conformité ni la charge en fluide. Le régime et les conventions de sélection doivent correspondre.

Un frigorigène mélangé peut présenter un glissement de température pendant son changement d’état. Pour les calculs spécifiques, choisir la référence de saturation et la convention demandées. Une température mesurée sur un tube n’est pas automatiquement la température d’évaporation ou de condensation. Associer pression, fluide, conversion et point avant d’interpréter.

04. Calculer la puissance côté air ou côté eau

Pour un fluide sans changement d’état et avec une capacité thermique supposée constante, la puissance thermique peut s’écrire débit massique × capacité thermique × différence de température. Les unités kg/s, kJ/(kg·K) et K donnent des kJ/s, donc des kW. Il faut utiliser le débit massique qui traverse réellement l’échangeur, pas un débit nominal sans lien avec le régime.

Dossier H-01 : eau à 0,40 kg/s, capacité thermique fictive arrondie 4,18 kJ/(kg·K), entrée à 12 °C et sortie à 7 °C. Puissance retirée : 0,40 × 4,18 × 5 = 8,36 kW. L’eau ne gèle pas dans ce modèle de calcul. Les températures locales de paroi peuvent toutefois différer des températures moyennes ; une vérification antigel réelle demande davantage d’informations.

Côté air, le calcul avec la seule température décrit la part sensible sous les hypothèses retenues. Si de l’eau se condense ou du givre se forme, le transfert lié à l’humidité ajoute une part que cette formule simplifiée ne couvre pas. Confondre sensible et total peut conduire à une estimation insuffisante du besoin ou de la puissance.

Exercice : air supposé sec, débit massique 0,80 kg/s, capacité thermique 1,00 kJ/(kg·K), baisse de 4 K. Réponse : 3,2 kW sensibles. Si l’humidité n’est pas connue, le résultat ne doit pas être annoncé comme la puissance totale exacte de l’évaporateur.

05. Relier surface, encrassement et débit

Un modèle global d’échange écrit la puissance sous la forme U × A × écart de température moyen approprié. U représente les résistances au transfert, A la surface de référence et l’écart moyen dépend de la configuration. L’écart entre deux températures choisies au hasard ne remplace pas cet écart moyen. Les trois facteurs doivent être définis avant d’utiliser la formule.

Dossier théorique : U × A = 500 W/K et écart moyen donné de 8 K. La puissance vaut 4 000 W. Si l’encrassement fait passer U × A à 350 W/K, à écart moyen identique la puissance devient 2 800 W. Cette baisse de 30 % illustre le modèle ; ce n’est pas un pourcentage de perte garanti pour toute batterie sale.

Dans une machine réelle, les températures et débits peuvent changer quand l’échange se dégrade. Les ailettes encrassées peuvent réduire à la fois le transfert et le passage d’air. Le système réagit par sa régulation et son régime frigorifique. Une seule mesure avant/après ne sépare pas nécessairement ces effets.

Un grand écart d’air ne signifie pas toujours une grande puissance. Exemple : 1 kg/s refroidi de 4 K donne 4 kW sensibles avec c = 1 kJ/(kg·K). Un débit de 0,4 kg/s refroidi de 7 K ne donne que 2,8 kW. La sortie paraît plus froide, mais le débit réduit transporte moins de chaleur. C’est pourquoi on doit examiner débit et température ensemble.

06. Comprendre humidité, condensation et givre

L’air contient de la vapeur d’eau. Au contact d’une surface assez froide, de l’eau peut se déposer. Si les conditions permettent la formation de glace, un dépôt de givre peut apparaître. Une chambre à température positive peut donc posséder un évaporateur givré, car sa surface peut être sous 0 °C. La température de chambre et celle de la batterie ne sont pas identiques.

Le givre modifie la résistance thermique et le passage d’air. Sa répartition et son évolution apportent des indices, mais une photographie seule ne donne pas toujours la cause. Portes ouvertes, arrivée d’air humide, charge, dégivrage ou distribution du fluide peuvent intervenir. Relever la date, le temps depuis dégivrage et le régime évite de comparer deux états incomparables.

L’eau produite doit atteindre le bac puis s’évacuer. Le drainage est une fonction distincte de la fonte. Une batterie débarrassée de glace mais un bac plein peuvent conduire à un regel ultérieur. Les pentes, siphons et dispositifs contre le gel éventuels suivent le plan réel ; aucun montage universel n’est proposé ici.

Exercice : après dégivrage, les ailettes sont dégagées, mais le bac reste rempli et la glace revient autour de l’évacuation. Hypothèse prioritaire : problème d’évacuation ou de maintien des conditions prévues sur le chemin de l’eau. Ce constat ne prouve pas que la puissance de dégivrage doit être augmentée. Vérifier la fonction défaillante avant de modifier un paramètre.

07. Lire une séquence de dégivrage

Le dégivrage retire le dépôt qui gêne l’échange et la circulation. Il peut utiliser un arrêt avec apport de chaleur ambiante, de l’électricité ou d’autres procédés conçus pour l’installation. Les méthodes ne sont pas interchangeables. Un évaporateur dans une chambre négative ne bénéficie pas des mêmes conditions d’arrêt naturel qu’un appareil dans une ambiance plus chaude.

Distinguer initiation, apport de chaleur, fin de dégivrage, égouttage et reprise des ventilateurs. Les sondes et temporisations participent à cette séquence selon le régulateur. Une fin sur température, une durée maximale et un délai de ventilation ont des rôles différents. Recopier les paramètres d’un autre modèle peut modifier le sens du cycle.

Dossier E-04 : à 10 h 00, froid interrompu et dégivrage lancé ; à 10 h 12, chauffage arrêté selon l’état de commande ; à 10 h 15, reprise du froid ; à 10 h 18, ventilation reprise. L’exercice n’affirme pas que ces durées conviennent à une installation réelle. Il montre que toutes les fonctions ne redémarrent pas nécessairement au même instant.

Travail : repérer ce qu’il reste à observer. Réponse : état réel du dépôt, évacuation de l’eau, cohérence de la sonde, états prévus et obtenus, récupération après cycle. Un symbole de dégivrage sur l’écran ne démontre pas à lui seul que l’apport de chaleur a eu lieu. Les vérifications réelles sont réalisées uniquement selon les procédures et autorisations adaptées.

08. Examiner le condenseur et son environnement

Le condenseur à air doit recevoir l’air prévu et évacuer son rejet. Mesurer l’ambiance loin de l’appareil peut masquer un recyclage local d’air chaud. Observer les obstacles, les entrées et sorties, les changements récents et les interactions avec les autres unités. Une protection ajoutée autour du groupe peut devenir un obstacle au passage d’air.

Un ventilateur qui tourne n’est pas une preuve complète de débit. État des pales, commande, vitesse, sens et résistances du parcours interviennent selon la construction. Les surfaces doivent être examinées sans contact avec les éléments en mouvement. La maintenance exige une mise en sécurité qui empêche le redémarrage, et non un simple arrêt à la commande.

Dossier E-05 : extérieur 29 °C, air d’entrée 37 °C, sortie 45 °C. Un écran installé la veille dévie le rejet vers l’entrée. L’écart entrée/extérieur de 8 K soutient l’hypothèse de recyclage. Il faut confronter l’implantation à la notice et comparer après correction autorisée. Les données ne justifient pas de retirer du fluide ou de relever une protection.

Sur un condenseur à eau, d’autres observations deviennent importantes : débit, températures, qualité du fluide et perte de pression dans le circuit concerné. Une variation de débit et un dépôt interne peuvent modifier l’échange. L’eau ou le caloporteur doit rester compatible avec les matériaux et les conditions prescrites.

09. Prévenir les dommages et choisir l’entretien

Les risques comprennent électricité, pièces en mouvement, pression, températures et produits de nettoyage. Certains échangeurs présentent aussi un risque de gel ou de mélange entre circuits en cas de rupture interne. Identifier les fluides, les énergies et les limites avant de définir une intervention. Un échangeur froid à l’extérieur peut contenir un circuit sous pression.

Pour les échangeurs à eau, une baisse de débit ou des conditions thermiques inadaptées peuvent augmenter le risque de gel local. La concentration d’un caloporteur, lorsqu’il est utilisé, se choisit et se vérifie selon les spécifications ; elle modifie également les propriétés thermiques et hydrauliques. Ne pas recopier automatiquement les valeurs de capacité thermique de l’eau dans un calcul avec un mélange différent.

Le nettoyage dépend du matériau, de l’assemblage, des joints et du dépôt. Produits, concentrations, méthodes et rinçages doivent suivre les prescriptions applicables. Un produit agressif ou une méthode mécanique inadaptée peut créer un dommage supérieur à l’encrassement initial. Le cours ne fournit aucune recette chimique universelle.

Préparer une fiche : type d’échangeur ; dépôt observé ; méthode autorisée ; mise en sécurité ; protection de l’environnement et des produits ; contrôles après entretien. Les fréquences de contrôle se fixent selon l’usage, l’environnement et l’historique. Un local poussiéreux et un local propre n’imposent pas nécessairement le même rythme.

10. Construire le diagnostic et la réception

Pour une puissance insuffisante, séparer le besoin, la circulation côté air/eau et le fonctionnement côté frigorigène. Vérifier d’abord que les données décrivent bien le même état. Un appareil en dégivrage, un local en chargement et un régime stabilisé ne sont pas comparables sans prendre en compte leur contexte.

Organiser le raisonnement : symptôme chiffré, hypothèses, donnée discriminante, critère documentaire, conclusion. Exemple : chambre hétérogène et reprise d’air obstruée. L’hypothèse de mauvaise distribution est plausible. Vérifier le rangement et le parcours prévu, puis comparer plusieurs points après correction autorisée. Baisser la consigne avant de comprendre peut refroidir excessivement une zone sans corriger l’autre.

Après entretien, constater l’état physique ne suffit pas. Relever les températures avec leurs points, la circulation, la séquence de dégivrage concernée et le résultat d’exploitation. Si l’ambiance ou la charge change, l’annoncer. Une amélioration observée ne démontre pas forcément une économie annuelle ni la disparition de tous les défauts.

La réception distingue les éléments validés, les réserves et le suivi. Toute valeur inconnue reste identifiée. Le responsable des produits décide de leur acceptabilité selon le protocole qualité : le retour d’une température d’air correcte ne permet pas d’effacer un historique thermique défavorable. Les exercices suivants se réalisent uniquement sur les dossiers fournis, sans manipulation réelle.

11. Atelier technicien : fermer un bilan hydraulique

Dossier T-01 : échangeur H-01 à eau, débit massique 0,50 kg/s, entrée 12 °C, sortie 8 °C, capacité thermique imposée 4,18 kJ/(kg·K). Une mesure indépendante du côté frigorifique donne 8,0 kW, avec conditions stabilisées déclarées. Les incertitudes des deux méthodes ne sont pas fournies. Calculer le bilan côté eau et l’écart brut.

Corrigé : puissance eau = 0,50 × 4,18 × 4 = 8,36 kW. Écart brut = 0,36 kW, soit 4,5 % de 8,0 kW. Ce résultat ne permet pas de conclure que l’un des instruments est faux : incertitudes, synchronisation, frontières et pertes éventuelles restent à analyser. Un pourcentage calculé n’est pas un seuil de réception universel.

Rédiger les demandes : méthode de débit, instruments et étalonnages, points de température, régime, propriétés du fluide et frontière du bilan frigorifique. Si le fluide devient un mélange glycolé, reprendre les propriétés appropriées. Une hypothèse de calcul doit être remplacée par une donnée vérifiée pour un dossier de réception réel.

12. Atelier technicien : distinguer échange et commande

Dossier T-02 : dégivrage commandé de 6 h 00 à 6 h 10 ; température de fin affichée atteinte à 6 h 04 ; fin du cycle sur durée maximale selon le journal ; batterie encore partiellement givrée ; emplacement de sonde récemment modifié. Les valeurs des réglages et la logique exacte ne sont pas fournies. Peut-on décider d’allonger la durée ?

Réponse : pas sur ce dossier seul. Il faut comprendre la logique de fin, l’affectation réelle de la sonde et l’état des organes. Une sonde placée dans une zone peu représentative peut produire un signal qui ne décrit pas toute la batterie. L’affichage et le journal appellent une vérification de configuration, pas une modification immédiate au hasard.

Hypothèses à distinguer : mauvaise représentativité de la sonde, apport de chaleur incomplet, charge de givre supérieure, ou interprétation incorrecte du journal. Pour chacune, demander une donnée discriminante compatible avec la notice. La conclusion doit préserver les limites de température et les protections. Le cours n’autorise pas un essai réel sans mise en sécurité et compétence adaptées.

13. Atelier technicien : comparer avant et après entretien

Dossier T-03 : avant entretien, puissance sensible calculée 4,0 kW, consommation du groupe 2,0 kW ; après entretien, puissance sensible 4,4 kW, consommation 1,9 kW. Les mesures proviennent d’instants différents : air extérieur 35 °C avant et 28 °C après ; taux d’humidité inconnu. Calculer les rapports bruts et préciser la limite.

Corrigé : rapports sensibles/électriques de 2,00 et environ 2,32. Le second est environ 15,8 % plus élevé, mais les conditions extérieures diffèrent et la puissance totale n’est pas connue. Il est incorrect de publier ce résultat comme un gain annuel ou comme l’effet isolé du nettoyage. On peut seulement rapporter les observations à ces deux instants.

Préparer un protocole de suivi documentaire : mêmes frontières, relevés synchronisés, conditions d’usage, températures, débit, humidité si nécessaire et période suffisante. Conserver l’état de propreté et la méthode d’entretien. La réception doit d’abord montrer le service atteint et l’absence de réserves bloquantes, puis discuter l’énergie sur des données comparables.

14. Évaluation finale sans le corrigé

Répondre aux 16 questions. Barème : deux points par question, un pour le résultat ou l’idée principale, un pour la justification ou la limite. Repère de révision : 24/32, avec reprise de toute erreur de sécurité. Il s’agit d’une autoévaluation documentaire, sans habilitation délivrée.

1. Quel échangeur absorbe la chaleur du milieu froid ?

2. Pourquoi le condenseur rejette-t-il plus que la seule charge frigorifique ?

3. Le transfert exige-t-il un mélange des deux fluides ?

4. Air à 7 °C entrant et 2 °C sortant : quelle baisse ?

5. Saturation −6 °C et air entrant +4 °C : quel écart ?

6. Calculer avec 0,6 kg/s, c = 1 kJ/(kg·K), baisse 5 K.

7. Calculer avec eau 0,2 kg/s, c = 4,18 kJ/(kg·K), baisse 6 K.

8. Pourquoi une sortie plus froide peut-elle accompagner une puissance plus faible ?

9. Une chambre positive peut-elle avoir un évaporateur givré ?

10. Distinguer fonte et drainage.

11. Un symbole de dégivrage prouve-t-il l’apport de chaleur ?

12. Pourquoi mesurer l’air entrant au condenseur ?

13. Peut-on utiliser les propriétés de l’eau pour tout caloporteur ?

14. Comment choisir un produit de nettoyage ?

15. Deux relevés à ambiances différentes prouvent-ils une économie d’entretien ?

16. Quels éléments concluent une réception ?

15. Corrigé et reprise des erreurs

Comparer après avoir terminé. Une formulation différente est recevable si le raisonnement reste exact et les limites explicites.

1. L’évaporateur ; le frigorigène y reçoit cette chaleur dans le cycle étudié.

2. Le travail apporté au cycle par le compresseur s’ajoute dans le bilan simplifié.

3. Non. La paroi les sépare normalement ; une fuite entre circuits est une défaillance.

4. 5 K. Cet écart ne représente ni la surchauffe ni la puissance sans débit.

5. 10 K entre ces points, distinct de l’écart air entrée/sortie.

6. 3 kW sensibles dans les hypothèses d’air données.

7. 5,016 kW sous ces hypothèses sans changement d’état.

8. Le débit peut avoir diminué suffisamment pour réduire le produit débit × capacité thermique × écart.

9. Oui. La surface de batterie peut être sous 0 °C même si l’air de la chambre est positif.

10. La fonte transforme le dépôt ; le drainage évacue l’eau. Réussir la première fonction ne garantit pas la seconde.

11. Non. Il décrit un état de commande à confronter aux fonctions réelles et à la séquence prévue.

12. Il peut être plus chaud que l’ambiance éloignée en raison d’un recyclage local du rejet.

13. Non. La composition et la température modifient les propriétés ; utiliser les valeurs adaptées.

14. Selon matériaux, assemblage, dépôt et prescriptions ; pas de produit ou concentration universels.

15. Non. Il faut comparer des frontières et conditions pertinentes sur une période adaptée.

16. Résultats, critères, contexte, limites, réserves et suivi ; distinguer service thermique et acceptabilité des produits.

16. Dossier de synthèse autonome

Sur le dossier E-01, produire un schéma des quatre fonctions, une fiche d’identification distinguant les inconnues, un calcul énergétique et un rapport sur un des cas. Utiliser seulement les données présentes. Joindre une hypothèse et le moyen documentaire de la vérifier. Aucun chantier ni matériel réel n’est nécessaire pour terminer le travail.

Critères de relecture : les frontières sont nommées ; les unités sont correctes ; les sources des valeurs sont repérables ; les faits ne se confondent pas avec les hypothèses ; la conclusion ne prétend pas démontrer plus que les données. Corriger toute proposition de réglage universel ou de neutralisation de protection.

Le PDF transmet des connaissances. La réussite de ces exercices ne démontre pas la maîtrise des gestes ni l’autorisation d’intervenir. Les opérations réelles restent soumises à la compétence, aux procédures et aux exigences applicables au site.

Documentation de référence

Consultée le 26 septembre 2026. Documents constructeur propres à des familles précises ; aucune approbation du cours par les fabricants n’est revendiquée.

• Danfoss - Bases de la réfrigération : Repères sur les fonctions d’évaporation et de condensation ; les calculs numériques du présent cours sont originaux et fictifs.
• Danfoss - Adaptive defrost : Repère sur le lien entre givre, passage d’air et commande de dégivrage ; aucune logique particulière n’est imposée à tous les régulateurs.
• Alfa Laval - Troubleshooting for plate heat exchangers : Repère de maintenance des échangeurs à plaques et de compatibilité des méthodes de nettoyage. Utiliser la notice de l’appareil réel.

Fiches de travail

Le PDF comprend une fiche d’identification, un relevé de mesures et une fiche de diagnostic à compléter sur les dossiers fictifs.