Dépannage : performances à froid insuffisantes des systèmes de refroidissement industriels

1. Description du problème et champ d'application

Ce manuel est destiné au diagnostic systématique et à l'élimination des causes profondes d'une capacité de refroidissement insuffisante dans les systèmes de refroidissement industriels. Ce problème se produit lorsque le système est incapable d'évacuer efficacement la chaleur du processus ou de l'équipement, ce qui entraîne une augmentation des températures de fonctionnement, des interruptions de production et une augmentation des coûts d'exploitation.

Symptômes typiques :

• Augmentation de la température du procédé refroidi (eau, glycol, air).
• Arrêts d'urgence fréquents d'équipements (par exemple, un refroidisseur) en raison d'une pression ou d'une température élevée.
• Efficacité réduite des lignes de production dépendantes du refroidissement.
• Augmentation de la consommation d'énergie du système de refroidissement pour maintenir les paramètres définis.
• Temps prolongé pour atteindre la température requise.

Équipement applicable :

• Refroidisseurs (refroidisseurs de liquide) de type compression et absorption.
• Tours de refroidissement (ouvertes et fermées).
• Échangeurs de chaleur à plaques et à calandre.
• Stations de pompage du circuit de refroidissement.
• Condenseurs de refroidissement à air et à eau.
• Systèmes d'automatisation et de contrôle.

Classification de gravité :

• Critique : Arrêt complet du processus technologique, risque élevé de dommages aux équipements (par exemple, surchauffe des moules, des compresseurs). Action immédiate.
• Important : Diminution de la productivité, augmentation de la consommation d'énergie, mais le processus continue. Nécessite un diagnostic et une élimination rapides.
• Mineur : Léger écart par rapport à la norme, signaux d'avertissement. Une surveillance et des diagnostics de routine sont nécessaires pour éviter une nouvelle escalade.

2. Précautions

⚠️ LA SÉCURITÉ AVANT TOUT !

Avant de commencer tout travail de diagnostic ou de réparation sur les systèmes de refroidissement industriels, il est nécessaire de respecter strictement les règles de sécurité. Le non-respect de ces instructions peut entraîner des blessures graves, voire la mort.

• Verrouillage et étiquetage (LOTO) : Effectuez toujours un verrouillage/étiquetage complet de toutes les sources d'alimentation (électriques, mécaniques, hydrauliques) avant d'ouvrir les panneaux, de travailler sur des pièces mobiles ou de modifier le circuit de réfrigération. Vérifiez l'absence de tension avec un multimètre.
• Stockage d'énergie : N'oubliez pas l'énergie stockée : pression élevée du réfrigérant, eau sous pression, ventilateurs en marche, condensateurs d'alimentation. Suivez les procédures sûres de décompression et de décompression.
• Équipement de protection individuelle (EPI) : Utilisez un EPI approprié : lunettes et écrans de sécurité, gants résistant aux produits chimiques, protection auditive, vêtements de protection. Lorsque vous travaillez avec des réfrigérants et des réactifs chimiques, assurez-vous qu'ils sont compatibles avec les EPI.
• Réfrigérants : Les réfrigérants peuvent provoquer des engelures par contact avec la peau et les yeux, ainsi qu'une suffocation dans des espaces clos. Assurer une ventilation adéquate. Suivez les exigences du DSTU EN 378 pour une manipulation sûre des réfrigérants.
• Surfaces chaudes : Les compresseurs, les condenseurs et la tuyauterie peuvent être extrêmement chauds pendant leur fonctionnement. Laissez l’équipement refroidir avant de l’entretenir.
• Pièces mobiles : Les ventilateurs et les pompes comportent des pièces mobiles qui peuvent attraper les vêtements ou les membres. Coupez toujours l’alimentation électrique et attendez un arrêt complet avant de vous approcher.
• Travaux en hauteur : Lorsque vous travaillez sur des tours de refroidissement ou des équipements en hauteur, utilisez un équipement de sécurité et suivez les règles de sécurité pour les travaux en hauteur.

3. Outils de diagnostic nécessaires

L’utilisation d’instruments calibrés et utilisables est essentielle pour un diagnostic précis.

4. Liste de contrôle pour l'évaluation initiale

Avant de commencer un diagnostic détaillé, effectuez un premier examen et une collecte de données. Cela permettra de gagner du temps et de réduire le cercle des dysfonctionnements potentiels.

5. Flux systématique de diagnostics

Suivez cet algorithme étape par étape pour identifier systématiquement la cause première du problème.

1. Confirmation du symptôme :
   • Vérifiez les lectures du capteur de procédé : température de procédé > point de consigne.
   • Enregistrez les paramètres de fonctionnement actuels du refroidisseur : pression d'aspiration/refoulement, températures du réfrigérant, courants du compresseur.
   • SI la température du processus est normale, ALORS le problème ne vient pas du système de refroidissement ou il est intermittent. Répétez la surveillance.
   • SINON (la température est élevée), ALORS passez à l'étape 2.
2. Estimation de la charge thermique :
   • La charge de production a-t-elle changé (le nombre de produits a augmenté, la recette a changé) ?
   • Tous les équipements consommant du froid fonctionnent-ils ?
   • SI les charges thermiques ont augmenté de manière significative sans changement correspondant dans la configuration du système de refroidissement, QUE la cause première peut être un dépassement de la capacité nominale du système. Pensez à optimiser un processus ou à augmenter la capacité.
   • SINON (le chargement est normal), ALORS passez à l'étape 3.
3. Vérification du circuit de liquide de refroidissement (eau/glycol) :
   • Mesurez la chute de pression à travers l'évaporateur du refroidisseur ou l'échangeur de chaleur du procédé.
   • Utilisez un débitmètre à ultrasons pour vérifier le débit de liquide à travers l'évaporateur.
   • Mesurez la température du liquide à l’entrée et à la sortie de l’évaporateur du refroidisseur (ΔT).
   • SI la chute de pression à travers l'évaporateur est supérieure à la normale (par exemple, >0,5 bar pour un échangeur de chaleur à plaques), OU le débit est inférieur à celui de conception (par exemple, < 90%), PUIS :
     1. Vérifier la propreté du filtre (maille, boue) du circuit de refroidissement.
     2. Vérifiez la position des vannes d'arrêt et de régulation.
     3. Inspecter la pompe du circuit : pression d'aspiration, refoulement, vibrations, bruit. SI la pompe fonctionne mal, ALORS diagnostiquez la pompe.
     4. SI les filtres sont propres, les vannes sont ouvertes, la pompe fonctionne correctement, ALORS probablement contamination de l'évaporateur du refroidisseur (tartre, dépôts). Allez à la section 7.1.
   • SI la chute de pression et le débit sont normaux, MAIS ΔT à l'évaporateur est inférieur à la normale (par exemple < 3-4°C), ALORS passez à l'étape 4 (problème de réfrigérant).
   • SINON (tout va bien), ALORS passez à l'étape 4.
4. Contrôle du circuit réfrigérant :
   • Connectez la station de jauge aux ports de service du compresseur (aspiration et refoulement).
   • Mesurer la température du fluide frigorigène à l'entrée et à la sortie de l'évaporateur, sortie du compresseur.
   • Calculez la surchauffe d'aspiration et le sous-refroidissement du liquide.
   • IF :
     • Faible pression d'aspiration (inférieure à la normale pour une température d'évaporateur donnée, par exemple < 4.5 бар pour le R134a à un point d'ébullition de 0°C).
     • Surchauffe d'aspiration élevée (par exemple > 8-10 °C).
     • Sous-refroidissement liquide faible ou inexistant.
     TO probablement charge de réfrigérant insuffisante ou dysfonctionnement de la vanne de thermorégulation (TRV). Accédez à la section 7.2.
   • IF :
     • Pression de refoulement élevée (supérieure à la normale, par exemple > 16 bars pour le R134a à +40°C de condensation).
     • Surchauffe d'aspiration faible ou négative (parfois).
     • Surfusion élevée du liquide (parfois en cas de surcharge).
     SO probablement charge excessive de réfrigérant, présence de gaz non condensables ou un problème avec le condenseur (contamination, ventilation). Passez à l'étape 5.
   • SI les pressions et températures du réfrigérant sont normales, mais le refroidissement est insuffisant, ALORS vérifiez le compresseur (courants, vibrations, bruit). SI les courants sont nettement inférieurs à la valeur nominale à une pression de refoulement élevée, ALORS possibles fuite interne du compresseur (par exemple, entre les étages). Allez à la section 7.3.
5. Contrôle du circuit eau/air de refroidissement (condenseur) :
   • Pour la tour de refroidissement : mesurer la température de l'eau à l'entrée et à la sortie du condenseur, et la température de l'air à l'entrée/sortie de la tour de refroidissement.
   • Pour un condenseur à air : mesurer la température de l'air à l'entrée et à la sortie.
   • IF :
     1. La température de l'eau à l'entrée de la tour de refroidissement est élevée.
     2. La chute de température de l'eau à travers le condenseur est faible (par exemple < 3-4°C pour le débit de conception).
     3. OU la température de l'air après le condenseur à air est très élevée.
     SO probablement contamination du condenseur (par l'eau ou l'air) ou problèmes de ventilation.
   • Vérifiez la propreté du remplissage de la tour de refroidissement, des buses et des lamelles du condenseur à air.
   • Vérifier le fonctionnement des ventilateurs de la tour de refroidissement/du condenseur (révolutions, vibrations, courants). SI les ventilateurs ne fonctionnent pas correctement, ALORS diagnostiquez le ventilateur.
   • SI la contamination est confirmée visuellement, ALORS passez à la section 7.1.
   • SINON (condenseur propre, ventilation OK), PUIS passez à l'étape 6 (vérification des contrôles).
6. Vérification du système de contrôle :
   • Vérifiez les lectures de tous les capteurs (pression, température, débit) sur le contrôleur et comparez-les avec les mesures réelles. SI il y a des écarts (par exemple > 0,5 bar pour la pression, > 1°C pour la température), ALORS il y a un possible défaut de capteur ou d'étalonnage.
   • Vérifiez la logique du contrôleur, les préréglages, la séquence de démarrage des composants.
   • SI des défauts sont détectés, ALORS calibrez les capteurs ou vérifiez le programme du contrôleur.
   • SINON (le contrôle est normal), PUIS revenez à l'étape 1 pour une nouvelle analyse ou contactez un spécialiste du diagnostic approfondi.

6. Matrice dysfonctionnement-cause

7. Analyse des causes profondes de chaque dysfonctionnement

7.1. Contamination des échangeurs de chaleur (évaporateur/condenseur)

Explication : La contamination des échangeurs de chaleur est l'une des causes les plus courantes de réduction de l'efficacité du refroidissement. Dans les systèmes d'eau (tours de refroidissement, condenseurs à eau, évaporateurs), il peut s'agir de tartre (carbonate de calcium), de dépôts biologiques (algues, boues) ou d'impuretés mécaniques (sable, rouille). Dans les condenseurs à air, il s'agit de poussière, de saleté, de feuilles, de peluches. Les dépôts créent une résistance thermique supplémentaire, réduisant le coefficient de transfert thermique.

Comment confirmer :

• Contrôle visuel : Démontage des échangeurs de chaleur à plaques, inspection des tubes des échangeurs de chaleur à calandre (endoscope), inspection du remplissage de la tour de refroidissement, des lamelles du condenseur à air.
• Chute de pression : Augmentation significative de la chute de pression (>0,5 bar pour les évaporateurs, >0,3 bar pour les condenseurs) sur l'échangeur thermique au débit de liquide de conception.
• Approche de la température : Pour les condenseurs, la différence entre la température de condensation du réfrigérant et la température de l'eau/de l'air de refroidissement à la sortie sera beaucoup plus élevée que la normale (par exemple > 5 °C).
• Analyse de l'eau : Augmentation de la dureté, teneur en particules solides, micro-organismes dans l'eau en circulation.

Conséquences, si elles ne sont pas éliminées :

• Diminution de l'efficacité du système, augmentation de la consommation d'énergie.
• Surchauffe des compresseurs, activation fréquente de la protection haute pression.
• Raccourcissement de la durée de vie de l'équipement, risque de panne d'urgence.
• Corrosion sous dépôts.

7.2. Problèmes de réfrigérant (insuffisance/surcharge, gaz non condensables)

Explication : Une charge de réfrigérant correcte est essentielle au fonctionnement efficace du cycle de réfrigération. Une charge insuffisante entraîne une diminution de la capacité de refroidissement et une surchauffe du compresseur. Une surcharge augmente la pression de condensation, sollicite le compresseur et peut entraîner des coups de bélier. Les gaz non condensables (air, azote) entrant dans le système occupent le volume du condenseur, augmentant la pression de refoulement et réduisant la surface d'échange thermique.

Comment confirmer :

• Pression/Température :
• Sous-charge : faible pression d'aspiration, surchauffe élevée (> 8 ° C), faible sous-refroidissement (< 2°C ou absent).
• Surcharge : Pression de refoulement élevée (> 16 bars pour le R134a), surfusion élevée (> 8 °C).
• Gaz non condensables : Pression de refoulement élevée, mais sous-refroidissement normal. La température de condensation est nettement (+5-10°C) supérieure à la température de saturation correspondant à la pression.
• Fuite : Utilisation d'un détecteur de fuite électronique. Inspection de toutes les connexions, ports de service, lieux de dommages possibles au pipeline.
• Pesage : Lorsque le réfrigérant est complètement pompé et rempli de carburant conformément à l'étiquette de l'équipement.

Conséquences, si elles ne sont pas éliminées :

• Diminution de la capacité de refroidissement, surchauffe du compresseur.
• Augmentation de la consommation d'énergie.
• Dommages au compresseur dus à une surchauffe, à l'usure des pièces mobiles.
• Activation des protections d'urgence.

7.3. Dysfonctionnements du compresseur, des pompes ou des ventilateurs

Explication : Les problèmes mécaniques ou électriques de ces composants affectent directement la circulation du réfrigérant et des liquides de refroidissement, et donc la capacité de refroidissement.

• Compresseur : Segments de piston usés, soupapes endommagées, défaillance de la spirale, problèmes d'enroulement électrique. Une perte partielle des performances du compresseur entraîne une diminution de la perte de charge du réfrigérant.
• Pompe : Usure de la turbine, défaillance des roulements, défaillance de la garniture mécanique, colmatage, problèmes électriques du moteur (déphasage, rupture d'enroulement), cavitation. Tout cela réduit le débit du liquide de refroidissement.
• Ventilateur : Usure des roulements du moteur, dommages aux pales, problèmes électriques du moteur, desserrage des courroies d'entraînement. Réduit le débit d'air à travers le condenseur ou la tour de refroidissement.

Comment confirmer :

• Compresseur :
• Courants : Comparaison des courants réels avec les courants nominaux. Un courant faible à forte intensité peut indiquer une fuite interne.
• Pressions : Chute de pression d'aspiration/refoulement insuffisante.
• Vibration/bruit : Utilisation d'un analyseur de vibrations (ISO 10816-3) et d'un stéthoscope.
• Température : Surchauffe du corps.
• Pompe/Ventilateur :
• Inspection visuelle : Fuites, dommages, colmatage.
• Courants : Comparaison des courants du moteur avec les courants nominaux.
• Pressions/Consommation : Pression de refoulement de la pompe ou débit de fluide réduit.
• Vibration/Bruit : Analyse des vibrations.

Conséquences, si elles ne sont pas éliminées :

• Diminution des performances du système jusqu'à une panne complète.
• Dommages importants au compresseur, au moteur, aux roulements.
• Réparations coûteuses et longs temps d'arrêt.

8. Procédures de dépannage étape par étape

8.1. Élimination de la contamination des échangeurs de chaleur

1. SÉCURITÉ : Effectuez la procédure LOTO pour le refroidisseur et les pompes associées. Fermez les vannes d'arrêt pour isoler l'échangeur de chaleur.
2. Vidange du fluide : Vidangez l'eau/le glycol de l'échangeur thermique.
3. Démontage :
   • Échangeur thermique à plaques : Démontez le jeu de plaques conformément aux instructions du fabricant.
   • Échangeur de chaleur à calandre : Retirez les embouts.
   • Tour de refroidissement/condenseur d'air : Retirez les panneaux d'accès, inspectez le remplissage/les lattes.
4. Nettoyage mécanique :
   • Plaques : Utilisez des brosses à poils doux et des détergents (acides pour le tartre, alcalins pour les biodépôts) recommandés par le fabricant.
   • Tuyaux : Utilisez des éponges spéciales, des jets d'eau à haute pression ou des brosses mécaniques pour nettoyer la surface intérieure des tuyaux.
   • Tour de refroidissement/condenseur : éliminez manuellement les gros contaminants. Utilisez un nettoyeur haute pression pour nettoyer le remplissage et les lattes.
5. Nettoyage chimique (si nécessaire) : Effectuer un lavage par circulation avec des solutions spéciales (acides pour le tartre, biocides pour les algues) selon les instructions du fournisseur de produits chimiques et du fabricant de l'échangeur thermique.
6. Lavage : Rincez soigneusement l'échangeur de chaleur avec de l'eau propre jusqu'à ce que tous les produits chimiques et contaminants soient éliminés.
7. Assemblage : Assemblez l'échangeur de chaleur en remplaçant tous les joints endommagés. Serrez les goujons de l'échangeur thermique à plaques au couple et dans l'ordre spécifiés par le fabricant.
8. Remplissage et vérification : Remplissez le circuit de liquide, vérifiez les fuites. Démarrez le système et vérifiez le ΔT et la chute de pression à travers l'échangeur de chaleur - ils doivent correspondre aux valeurs de la fiche technique (par exemple, chute de pression < 0.2 бар pour le nettoyage).

8.2. Ajustement de la charge de réfrigérant et réparation des fuites

1. SÉCURITÉ : Effectuez LOTO. Porter des EPI : lunettes de sécurité, gants résistants aux produits chimiques.
2. Recherche de fuites (en cas de charge insuffisante) : Utilisez un détecteur de fuite électronique, de la mousse de savon. Inspectez soigneusement toutes les soudures, joints brasés, brides, tiges de vanne, ports de service et emplacements de montage des capteurs.
3. Réparation des fuites : Réparez les fuites constatées (soudure, serrage, remplacement des joints/vannes).
4. Pompe et vide : Connectez la station de pompage et la pompe à vide. Pompez le réfrigérant restant dans un cylindre agréé pour élimination/régénération. Passez l'aspirateur sur le système en profondeur (< 0.5 мм рт. ст. або < 67 Па) pendant au moins 30 minutes. Vérifiez l'étanchéité du système dans l'heure qui suit (le vide ne doit pas augmenter).
5. Chargement de réfrigérant :
   • Utilisez une balance de réfrigérant. Remplissez le système de réfrigérant liquide dans le circuit de sortie (vers le TRV) ou dans le récepteur, selon le poids indiqué sur la plaque signalétique de l'équipement.
   • Surveillez la pression d'aspiration/refoulement et la surchauffe/sous-refroidissement pendant le ravitaillement.
6. Élimination de la charge excessive : Si une surcharge est installée, vidangez soigneusement le réfrigérant dans le cylindre de régénération, en contrôlant la pression de décharge et le sous-refroidissement jusqu'à ce que les valeurs optimales soient atteintes.
7. Élimination des gaz non condensables : Cette opération ne doit être effectuée qu'après avoir confirmé leur présence et de préférence à l'aide d'appareils spécialisés pour le nettoyage du réfrigérant.
8. Vérification : Faites fonctionner le système, vérifiez les pressions, les températures, la surchauffe d'aspiration (3 à 7 °C) et le sous-refroidissement du fluide (4 à 8 °C pour la plupart des systèmes).

8.3. Réparation/Remplacement des composants défectueux

1. SÉCURITÉ : Effectuez LOTO sur tous les équipements éligibles. Assurez-vous qu'il n'y a pas de tension. Soulager la pression du réfrigérant.
2. Compresseur (en cas de perte de performances) :
   • Diagnostic : Si une fuite interne est confirmée (courant faible, perte de charge insuffisante), la réparation sur site du compresseur est souvent inefficace.
   • Remplacement : Remplacez le compresseur par un compresseur neuf ou remis à neuf, en suivant les instructions du fabricant. Remplacez le filtre déshydrateur et vérifiez le TRV. Après le remplacement, effectuez l'aspiration et le ravitaillement conformément à 8.2.
3. Pompe :
   • Diagnostic : Démontez la pompe, inspectez l'usure de la roue, vérifiez les roulements et la garniture mécanique.
   • Réparation/Remplacement : Remplacez les pièces usées (roue, joints, roulements) ou l'ensemble de pompe.
   • Vérification : Après réparation/remplacement, démarrez la pompe, vérifiez le débit (débitmètre à ultrasons) et la pression de refoulement : ils doivent correspondre aux données du passeport. La vibration doit être < 4.5 мм/с (correspondant à ISO 10816-3 pour le groupe 2).
4. Ventilateur :
   • Diagnostics : Vérifiez l'état des pales, l'usure des roulements du moteur et la tension des courroies d'entraînement.
   • Réparation/Remplacement : Remplacez les pales, les roulements, les courroies ou le moteur du ventilateur endommagés.
   • Vérification : Faites fonctionner le ventilateur, vérifiez le débit d'air (mesure de la vitesse de l'air), pas de vibrations excessives (< 4.5 мм/с).

9. Précautions

La mise en œuvre de programmes de maintenance efficaces peut prévenir la plupart des dysfonctionnements mentionnés et optimiser le fonctionnement du système.

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.

Pour commander toutes les pièces de rechange et composants nécessaires, visitez le catalogue électronique d'UNITEC-D.

11. Liens

• DSTU EN 378 (série de normes) : Systèmes de réfrigération et pompes à chaleur. Exigences en matière de sécurité et de protection de l'environnement.
• ISO 50001 : Systèmes de gestion de l'énergie. Exigences et instructions d'utilisation.
• ISO 10816-3 : La vibration est mécanique. Évaluation des vibrations des machines à partir des résultats de mesures sur des pièces non rotatives. Partie 3 : Machines industrielles d'une puissance nominale supérieure à 15 kW et d'une vitesse nominale comprise entre 120 tr/min et 15 000 tr/min.
• Manuels d'utilisation et d'entretien des fabricants d'équipements (manuels OEM).
• Guides de maintenance UNITEC-D : www.unitecd.com/maintenance-guides/ (pour les manuels associés).