Diagnostic et dépannage : Performances insuffisantes d'un système de refroidissement industriel

1. Description du problème et champ d'application

Ce manuel est conçu pour diagnostiquer et dépanner les systèmes de réfrigération industrielle qui sont sous-performants, c'est-à-dire incapables d'éliminer la chaleur de conception du processus ou de maintenir la température souhaitée du liquide de refroidissement. Une telle situation peut entraîner une diminution de l’efficacité de la production, des dommages aux équipements, une augmentation de la consommation d’énergie et, dans les cas critiques, l’arrêt complet du processus. Le problème couvre un large éventail d'équipements, notamment les refroidisseurs, les tours de refroidissement, les refroidisseurs à sec, les échangeurs de chaleur et les stations de pompage et systèmes de circulation de réfrigérant associés. Classification de la gravité du problème :

• Critique : Arrêt complet de la chaîne de production, risque d'endommagement des équipements principaux, non-conformité des produits aux normes de qualité. Nécessite un diagnostic et une intervention immédiate.
• Significatif : Réduction de la productivité de la chaîne de production, augmentation de la consommation d'énergie, dépassement des températures de processus de conception. Nécessite une attention urgente.
• Mineur : Petits écarts par rapport aux températures optimales, activation périodique des signaux d'urgence, réduction de l'efficacité énergétique. Nécessite des diagnostics planifiés.

2. Précautions

ATTENTION : Lorsque vous travaillez avec des systèmes de refroidissement industriels, il existe un risque de contact avec des tensions élevées, des pièces mobiles, des fluides sous pression, des températures extrêmes et des substances chimiquement agressives. Le non-respect des instructions de sécurité peut entraîner des blessures graves, voire la mort.

• Verrouillage/étiquetage : appliquez toujours les procédures de verrouillage et d'étiquetage (LOTO) conformément aux normes EN ISO 14118 et DSTU EN 1037:2003 avant d'effectuer tout travail nécessitant l'accès à des composants électriques ou mécaniques. Vérifiez l'absence de tension avec un multimètre ayant la classe de protection appropriée (CAT III/IV).
• Énergie résiduelle : Assurez-vous que tous les accumulateurs d'énergie (condensateurs, ressorts, accumulateurs de pression) sont déchargés ou verrouillés. Dans les systèmes équipés d'un réfrigérant, une pression élevée est possible même lorsque l'équipement est éteint.
• Équipement de protection individuelle (EPI) : Utilisez toujours un EPI approprié : lunettes ou écran de sécurité, gants (résistants à la chaleur, résistants aux produits chimiques), vêtements de protection, chaussures de protection. Lorsque vous travaillez avec des réfrigérants, utilisez des gants cryogéniques spéciaux et une protection du visage.
• Réfrigérants : Les travaux avec des réfrigérants doivent être effectués par du personnel qualifié conformément à la norme EN 378 et aux exigences relatives au travail avec des gaz sous pression. Assurer une ventilation adéquate.
• Surfaces chaudes : Certains composants (compresseurs, conduites de refoulement) peuvent être extrêmement chauds. Utilisez un thermomètre ou une caméra thermique pour évaluer la température avant le contact.
• Pièces rotatives : Évitez tout contact avec les ventilateurs, les courroies et les poulies lorsque l'équipement est en fonctionnement.

3. Outils de diagnostic nécessaires

Pour un diagnostic et un dépannage précis, vous devez disposer de l'ensemble d'outils suivant, conforme aux normes CE et UkrSEPRO :

4. Liste de contrôle pour l'évaluation initiale

Avant de commencer un diagnostic détaillé, il est essentiel de recueillir des informations préliminaires et de procéder à une inspection visuelle. Cela permettra de localiser le problème et d'éviter des mesures inutiles.

5. Algorithme de diagnostic systématique

Cet algorithme fournit une approche cohérente pour diagnostiquer le problème des performances insuffisantes du système de refroidissement.

1. Contrôle de la charge thermique :
   1. Déterminez la charge thermique réelle du processus.
      • SI la charge réelle dépasse considérablement la conception ALORS raison possible : dépassement des paramètres de conception du système.
      • SI la charge réelle est égale ou inférieure à la charge de conception ALORS passez au point 1b.
   2. Vérifiez les capteurs de température et de débit mesurant la charge thermique.
      • SI les capteurs sont défectueux ou affichent des données incorrectes ALORS raison : dysfonctionnement des appareils de mesure.
      • SI les capteurs fonctionnent ALORS passer au point 2.
2. Évaluation de la circulation des fluides (eau, saumure) :
   1. Mesurez la chute de pression et de température à travers l'évaporateur/condenseur.
      • SI la chute de pression est élevée et la chute de température est faible ALORS cause possible : faible débit de fluide ou contamination de l'échangeur de chaleur.
      • SI la pression et la température chutent normalement ALORS passer au point 2b.
   2. Vérifiez les pompes de circulation.
      • Mesurez la consommation de courant du moteur de la pompe.
      • Mesurez les pressions de refoulement et d'aspiration de la pompe.
      • SI le courant est inférieur à la normale et la pression est faible ALORS cause possible : cavitation, usure de la roue ou présence d’air dans le système.
      • SI le courant est supérieur à la normale et la pression est faible ALORS cause possible : blocage, dysfonctionnement du moteur.
      • SI la pompe fonctionne normalement ALORS passer à 2c.
   3. Vérifiez les filtres et la tuyauterie.
      • SI les filtres sont sales ou les vannes partiellement fermées ALORS cause : colmatage ou réglage incorrect.
      • SI le système de circulation des fluides est normal ALORS passer au point 3.
3. Analyse du réfrigérant et du cycle de réfrigération :
   1. Connectez la station manométrique.
      • Mesurez la pression d’aspiration et de refoulement.
      • Mesurer les températures d'aspiration du compresseur et de sortie de l'évaporateur (en cas de surchauffe).
      • Mesurer la température à la sortie du condenseur et à l'entrée du TRV (pour le sous-refroidissement).
   2. Diagnostic basé sur des indications :
      • SI pression d'aspiration faible, pression de refoulement faible, surchauffe élevée ALORS cause probable : charge de réfrigérant insuffisante.
      • SI pression d'aspiration élevée, pression de refoulement élevée, surchauffe faible ALORS cause probable : surcharge de réfrigérant ou présence de gaz non condensables.
      • SI pression de refoulement élevée, surchauffe élevée, sous-refroidissement faible ALORS cause probable : contamination du condenseur ou débit de liquide de refroidissement insuffisant à travers le condenseur.
      • SI pression d'aspiration faible, surchauffe élevée, sous-refroidissement faible ALORS cause probable : dysfonctionnement du TRV (bloqué, fermé) ou filtre déshydrateur partiellement obstrué.
      • SI le réfrigérant est normal ALORS passez au point 3c.
   3. Vérifiez l'état du compresseur.
      • Écoutez les bruits inhabituels.
      • Mesurez les vibrations.
      • Mesurez la consommation actuelle.
      • SI bruits inhabituels, vibrations élevées ou courant anormal ALORS raison : panne du compresseur.
      • SI le compresseur fonctionne ALORS passer au point 4.
4. Évaluation de l'efficacité des échanges thermiques (évaporateur, condenseur, tour de refroidissement) :
   1. Présentation des échangeurs thermiques.
      • SI signes évidents de contamination (poussière, tartre, dépôts biologiques) sur les ailettes du condenseur ou à l'intérieur des tubes de l'évaporateur ALORS raison : contamination des surfaces d'échange thermique.
      • Utiliser une caméra thermique pour détecter les zones froides/chaudes qui indiquent un colmatage.
      • SI aucune contamination évidente ALORS passez à 4b.
   2. Vérification des ventilateurs de la chambre froide/condenseur.
      • Mesurez la vitesse de rotation et la consommation de courant.
      • Vérifier l'état des pales du ventilateur, des courroies, du moteur.
        • SI vitesse de rotation réduite, pales endommagées, vibrations élevées ALORS raison : dysfonctionnement du groupe ventilateur, débit d'air insuffisant.
        • SI les ventilateurs fonctionnent normalement ALORS passez à 4c.
   3. Analyse de la qualité de l'eau dans la tour de refroidissement.
      • SI dureté élevée, conductivité élevée, présence de dépôts biologiques ALORS raison : traitement de l'eau inefficace, ce qui conduit à la formation de tartre et de biosalissure.
      • SI toutes les étapes précédentes n'ont pas révélé la cause ALORS un examen approfondi des données de conception et un éventuel audit du système.

6. Matrice des dysfonctionnements et des causes

Le tableau suivant présente les symptômes typiques, les causes probables (classées par probabilité), les tests de diagnostic nécessaires et les résultats attendus.

7. Analyse des causes profondes de chaque dysfonctionnement

7.1. Remplissage insuffisant de réfrigérant

Explication : il s'agit de l'une des raisons les plus courantes de diminution des performances du système. Les fuites de réfrigérant peuvent être causées par des dommages mécaniques aux canalisations, des connexions qui fuient, des joints usés ou des soudures poreuses. Même des fuites petites mais constantes entraînent une perte importante de réfrigérant au fil du temps. La réduction de la quantité de réfrigérant réduit le débit massique à travers le système, ce qui entraîne une baisse de la pression d'aspiration, une augmentation de la surchauffe et une réduction de la capacité de refroidissement.

Confirmation : La mesure des pressions et des températures du réfrigérant avec une station de jauge indiquera une pression d'aspiration anormalement basse (inférieure à 2 bars pour le R-134a à 0 °C d'évaporation) et une surchauffe généralement élevée (au-dessus de 10-12 °C). L'utilisation d'un détecteur de fuite électronique d'une sensibilité allant jusqu'à 3 g/an (selon la norme EN 14624) permettra de localiser l'emplacement de la fuite.

Conséquences : Si cela n'est pas corrigé, cela entraîne une surchauffe du compresseur (due à un refroidissement insuffisant du moteur par la vapeur du réfrigérant), une usure accrue des pièces mécaniques, des dommages à l'isolation du moteur et éventuellement une panne du compresseur.

7.2. Contamination des surfaces d'échange thermique (évaporateur, condenseur)

Explication : Réduction de l'efficacité de l'échange thermique due à l'accumulation d'impuretés. Dans les condenseurs refroidis par air, il peut s'agir de poussière, de peluches, d'insectes sur la surface extérieure des lamelles. Dans les condenseurs et évaporateurs de refroidissement à eau, il s'agit de tartre, de dépôts biologiques, de produits de corrosion sur les surfaces intérieures des tubes. La contamination crée une résistance thermique qui empêche le transfert efficace de chaleur entre le réfrigérant et le fluide refroidi.

Confirmation : Inspection visuelle des surfaces disponibles. Mesure de la différence de température entre le réfrigérant et le liquide de refroidissement : pour le condenseur de refroidissement à eau, ΔT peut dépasser 5-7 °C, pour l'évaporateur - 3-5 °C. La caméra thermique détectera les zones « froides » ou « chaudes », indiquant un colmatage local. Augmentation de la pression de refoulement (pour un condenseur sale) ou réduction de la pression d'aspiration (pour un évaporateur sale).

Conséquences : Augmentation de la consommation d'énergie (le compresseur fonctionne avec une charge accrue), capacité de refroidissement réduite, usure prématurée du compresseur en raison d'une pression de refoulement accrue ou d'une pression d'aspiration insuffisante. Dans les cas extrêmes, une protection haute/basse pression est déclenchée.

7.3. Débit insuffisant de liquide ou de fluide de refroidissement

Explication : Cela peut faire référence à la fois au débit d'eau/de saumure à travers l'évaporateur et au débit d'air/d'eau à travers le condenseur. Raisons : vannes d'arrêt ou de régulation partiellement fermées, filtres encrassés, dysfonctionnement des pompes de circulation (usure de la roue, cavitation, air dans le système) ou des ventilateurs (courroies cassées, dysfonctionnement du moteur, contamination des pales). Un débit insuffisant réduit l’efficacité du transfert de chaleur, limitant ainsi la quantité de chaleur pouvant être transférée.

Confirmation : Mesure du débit à l'aide d'un débitmètre à ultrasons (comparer avec la conception 1-3 m/s pour l'eau). Mesure de perte de charge évaporateur/condenseur (une augmentation significative de la chute indique un colmatage ou un faible débit). Vérification de la consommation de courant des pompes/ventilateurs (écart par rapport à la valeur nominale). Inspection visuelle des filtres et des vannes.

Conséquences : Diminution de la capacité de refroidissement, dépassement des températures admissibles du réfrigérant et du liquide refroidi, augmentation de la pression de refoulement (due à un refroidissement insuffisant du condenseur) ou faible pression d'aspiration (due au gel de l'évaporateur). Risque d'endommagement du compresseur, gel de l'évaporateur.

7.4. La présence de gaz non condensables dans le système

Explication : Des gaz non condensables (généralement de l'air ou de l'azote) peuvent pénétrer dans le système lors de l'installation, de la réparation, par des fuites du côté aspiration (lors du fonctionnement sous vide) ou en raison de la décomposition du réfrigérant. Ils s'accumulent dans le condenseur, occupant le volume destiné à la condensation du fluide frigorigène, ce qui entraîne une augmentation de la pression d'injection et de la température de condensation à une température donnée du fluide frigorigène.

Confirmation : Comparaison de la pression de refoulement réelle avec la pression de condensation correspondant à la température du fluide frigorigène en sortie du condenseur. Si la pression réelle est nettement plus élevée (de 1 à 2 bars), cela indique la présence de gaz non condensables. Cette pression ne correspond pas à la relation « pression-température » pour un fluide frigorigène pur. Utilisation d'un analyseur de réfrigérant (si disponible).

Conséquences : Augmentation importante de la consommation d'énergie, usure accrue du compresseur, surchauffe du compresseur, réduction de la puissance frigorifique. À long terme, cela peut entraîner des acides dans le système, de la corrosion et une panne du compresseur.

7.5. Dysfonctionnement de la vanne de thermorégulation (TRV)

Explication : Le TRV régule le débit de réfrigérant vers l'évaporateur, maintenant une surchauffe constante. Si le TRV est bloqué en position fermée, le débit de réfrigérant est réduit, ce qui entraîne une faible pression d'aspiration, une surchauffe élevée et un refroidissement insuffisant. S'il est verrouillé en position ouverte, trop de réfrigérant pénètre dans l'évaporateur, ce qui peut provoquer une « inondation » du compresseur avec du réfrigérant liquide.

Confirmation : Avec TRV fermé – pression d'aspiration très faible, surchauffe très élevée (au-dessus de 15 °C), givrage possible de la conduite de réfrigérant liquide vers le TRV. Avec le TRV ouvert - faible surchauffe (inférieure à 3 °C), possible givrage de la conduite d'aspiration du compresseur, chocs liquides dans le compresseur. Inspection visuelle des tubes TRV, écoute.

Conséquences : Selon le type de dysfonctionnement – ​​surchauffe du compresseur, destruction du groupe de soupapes du compresseur à cause de chocs hydrauliques, réduction des performances du système.

8. Procédures de dépannage étape par étape

8.1. Élimination des fuites de réfrigérant et ravitaillement en carburant

1. Détection des fuites : A l'aide d'un détecteur de fuite électronique (EN 14624), inspectez soigneusement toutes les connexions, vannes, points de soudure, soudures, joints, tubes capillaires. Portez une attention particulière aux connexions sujettes aux vibrations.
2. Élimination de la fuite : Selon la nature de la fuite : resserrer les raccords filetés (couple de serrage selon les préconisations du fabricant, par exemple 20-30 Nm pour les écrous standards), remplacer le joint, effectuer des réparations par soudure ou soudure.

   ATTENTION : Assurez-vous que le système est hors tension et verrouillé (LOTO) et que la pression du réfrigérant est réduite à la pression atmosphérique ou pompée vers le récepteur avant tout travail de maintenance nécessitant une dépressurisation du système.

3. Vider le système : Une fois la fuite réparée, connectez la pompe à vide aux ports de service. Évacuez l'air et l'humidité jusqu'à un vide poussé de 0,3 à 0,5 mbar (200 à 350 microns Hg) et maintenez-le pendant au moins 30 minutes pour tester l'étanchéité.
4. Chargement du réfrigérant : Chargez le système avec du nouveau réfrigérant conformément à la fiche technique de l'équipement à l'aide d'une balance électronique précise. Habituellement, le ravitaillement s'effectue en phase liquide dans la conduite liquide ou dans le réservoir (si le système fonctionne).
5. Contrôle opérationnel : Après le remplissage, démarrer le système et vérifier les pressions, la surchauffe (4-8 °C à l'aspiration du compresseur) et le sous-refroidissement (4-7 °C à la sortie du condenseur).

8.2. Nettoyage des surfaces d'échange thermique

1. Contamination du condenseur de refroidissement à air :

   1. ATTENTION : Avant de nettoyer le condenseur de refroidissement à air, assurez-vous que tous les ventilateurs sont éteints, hors tension et verrouillés (LOTO).

   2. Enlevez les grosses saletés (feuilles, peluches) à la main.
   3. Laver les lamelles avec un jet d'eau sous pression (max. 10-15 bars) ou de l'air comprimé de l'intérieur vers l'extérieur. Utilisez des détergents spéciaux pour nettoyer les lattes si la contamination est grave. Suivez les instructions du fabricant du détergent.
   4. Vérifiez l'état des lattes. Les lamelles froissées peuvent être soigneusement redressées avec un peigne spécial.
2. Contamination du condenseur de refroidissement par eau et de l'évaporateur :

   1. ATTENTION : Avant le nettoyage chimique ou le démontage, assurez-vous que le système est hors tension et verrouillé (LOTO) et que le liquide de refroidissement est vidangé.

   2. Vidangez le liquide de refroidissement du circuit.
   3. Lavez l'échangeur de chaleur avec une solution d'un agent chimique spécial pour éliminer le tartre ou les dépôts biologiques. La procédure doit être effectuée conformément aux instructions du fabricant de l'échangeur de chaleur et du détergent, en utilisant une pompe de circulation et en contrôlant le pH de la solution. Des solutions à base d'acide citrique ou sulfamique sont utilisées pour éliminer le tartre et des biocides sont utilisés pour l'encrassement biologique.
   4. Après le lavage, neutralisez la solution et rincez abondamment l'échangeur thermique à l'eau claire jusqu'à ce que le pH soit neutre.
   5. Vérifiez la qualité du lavage visuellement ou à l'aide d'un endoscope.

8.3. Restauration du flux de fluide

1. Vérifiez et réglez les vannes : Assurez-vous que toutes les vannes d'arrêt sont complètement ouvertes et que les vannes de contrôle fonctionnent correctement et sont réglées sur le débit prévu.
2. Nettoyage des filtres :

   ATTENTION : Avant d'ouvrir le filtre, assurez-vous que la pression dans le circuit est relâchée.

   Ouvrez et nettoyez les filtres grossiers et fins. Remplacez les éléments filtrants s'ils sont très sales ou endommagés.
3. Purge du système : Utilisez des bouches d'aération aux points les plus élevés du système. Démarrez la pompe et ouvrez progressivement les bouches d'aération jusqu'à ce que l'eau s'écoule sans bulles.
4. Diagnostic et réparation des pompes :
   1. Si les paramètres mesurés de la pompe (courant, pression, vibration) indiquent un dysfonctionnement, démontez-la (après LOTO et vidange du liquide).
   2. Inspectez la turbine pour déceler toute usure, tout dommage ou tout colmatage.
   3. Vérifier l'état des roulements et des joints.
   4. Réparer ou remplacer les composants défectueux. Assembler la pompe, vérifier l'alignement des arbres (tolérance de désalignement ne dépassant pas 0,05 mm).

8.4. Élimination des gaz non condensables

ATTENTION : Cette procédure nécessite une connaissance des techniques de réfrigération et peut libérer du réfrigérant dans l'atmosphère à moins qu'un équipement de récupération spécial ne soit utilisé.

1. Connectez la station service au point le plus haut du condensateur.
2. Refroidissez le condenseur (si possible) pour réduire la pression du réfrigérant.
3. Ouvrez lentement la vanne pour évacuer les gaz non condensables. Cette procédure est essentielle, car le réfrigérant sera également perdu lors d'une digestion rapide. Utilisez la méthode de contrôle de la température/pression pour déterminer le moment où le réfrigérant pur commence à s'écouler.
4. Il est recommandé d'utiliser des séparateurs automatiques de gaz non condensables ou de contacter une entreprise de services spécialisée pour un nettoyage professionnel.

8.5. Réparation ou remplacement du TRV

1. ATTENTION : Avant de remplacer le TRV, il est nécessaire de pomper le réfrigérant d'une partie du système ou complètement dans le récepteur, puis de bloquer l'équipement (LOTO).

2. Vidangez le réfrigérant du circuit de l'évaporateur.
3. Démontez le TRV défectueux. Faites attention à la bonne position du ballon thermique et à sa fixation.
4. Installez le nouveau TPR en vous assurant que le sens d'écoulement est correct et que la thermoball est solidement fixée (en position horizontale, sur le dessus de la conduite d'aspiration, de préférence après l'échangeur de chaleur, le cas échéant).
5. Passer l'aspirateur sur le circuit et faire le plein de fluide frigorigène (voir point 8.1).
6. Ajustez la surchauffe du TRV selon les recommandations du fabricant (généralement 4 à 8 °C).

9. Mesures préventives

La prévention est un élément clé du fonctionnement fiable du système de refroidissement.

10. Pièces de rechange et composants

La disponibilité des pièces de rechange critiques dans l'entrepôt est une garantie de rétablissement rapide du fonctionnement de l'équipement. Veuillez vous référer au catalogue électronique UNITEC-D pour commander.

11. Liens

• DSTU EN 1037:2003 Sécurité des machines. Prévention des démarrages inattendus (EN 1037:1995, IDT).
• EN ISO 14118:2018 Sécurité des machines — Prévention des démarrages inattendus.
• EN 378 (toutes les parties) Systèmes de réfrigération et pompes à chaleur — Exigences de sécurité et environnementales.
• EN 14624:2012 Performances des détecteurs de fuites et méthodes de test de fuites pour les réfrigérants.
• Manuels d'utilisation et d'entretien des fabricants de systèmes de réfrigération (par exemple Daikin, Carrier, Trane, Bitzer).
• Sections pertinentes des normes ISO 50001 (Systèmes de gestion de l'énergie) et ISO 14001 (Systèmes de gestion environnementale) sur l'efficacité énergétique et la gestion des réfrigérants.
• Recommandations UNITEC-D pour une sélection optimale de composants pour les systèmes de refroidissement.