Guide de 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 systématiquement les systèmes de réfrigération industrielle sous-performants. Des performances insuffisantes du système de refroidissement peuvent se manifester par une température constamment élevée du liquide de refroidissement malgré la charge nominale, une consommation excessive d'énergie électrique par les compresseurs et les pompes, ainsi que par des déclenchements fréquents de dispositifs de protection en raison d'une surcharge ou de paramètres de fonctionnement anormaux. Les équipements typiques à diagnostiquer comprennent les refroidisseurs (refroidis par air et par eau), les tours de refroidissement, les échangeurs de chaleur à fluide (à plaques, calandre et tubes), les systèmes de refroidissement de processus industriels et les chambres froides.

Classification de la gravité du problème :

• Critique : La température du liquide refroidi dépasse les limites admissibles, ce qui entraîne l'arrêt du processus technologique ou un risque d'endommagement de l'équipement. Nécessite un diagnostic et une élimination immédiats.
• Basique : le système fonctionne, mais avec des températures élevées, une efficacité réduite et une surconsommation d'énergie importante. Affecte la qualité du produit ou la durée de vie de l'équipement. Nécessite une intervention rapide.
• Mineur : Petits écarts par rapport aux paramètres nominaux, qui ne sont pas critiques pour le processus, mais indiquent le début d'une dégradation du système. Nécessite des diagnostics planifiés.

2. Précautions

ATTENTION : Avant de commencer tout travail de diagnostic ou de réparation sur les systèmes de refroidissement industriels, TOUJOURS suivez les procédures standard de verrouillage/étiquetage pour isoler toutes les sources d'énergie (électriques, pneumatiques, hydrauliques). Assurez-vous que toute l'énergie stockée (pression, charge électrique des condensateurs) est déchargée à un niveau sûr. Utiliser un équipement de protection individuelle (EPI) approprié : lunettes de sécurité (DSTU EN 166:2017), gants résistant aux produits chimiques (DSTU EN 374-1:2003), chaussures de protection (DSTU EN ISO 20345:2019) et combinaison. Les travaux avec des réfrigérants ne doivent être effectués que par du personnel certifié (selon EN 13313:2018) dans des zones bien ventilées ou à l'aide de systèmes de ventilation et d'analyseurs de gaz. Les réfrigérants peuvent provoquer des engelures au contact et une asphyxie à des concentrations élevées. Suivez les exigences du DSTU ISO 45001:2019 concernant les systèmes de gestion de la santé et de la sécurité au travail.

3. Outils de diagnostic nécessaires

Il est essentiel d’utiliser des outils calibrés pour un diagnostic et un dépannage précis.

4. Liste de contrôle pour l'évaluation initiale

Avant de commencer un diagnostic détaillé, effectuez une inspection visuelle et collectez des données de base. Cela vous permettra de localiser d’éventuels problèmes.

5. Schéma de diagnostic systématique

Le diagramme suivant fournit une approche structurée pour identifier la cause profonde de la sous-performance.

1. Symptôme : La température du liquide refroidi est constamment supérieure à la valeur définie.
   1. Étape 1 : Estimez la charge thermique.
      • Diagnostic : Comparez la charge thermique réelle du processus avec la valeur calculée. Mesurez le débit de fluide (m³/h) et la chute de température (°C) sur les consommateurs de chaleur. Calculez la charge thermique réelle (kW) à l'aide de la formule Q = m * C * ΔT, où Q est la puissance thermique, m est le débit massique, C est la capacité thermique spécifique du liquide et ΔT est la différence de température.
      • Si la charge réelle > capacité nominale du refroidisseur :
        • Cause probable : Surcharge du système.
        • Allez à la section 7.1.
      • Si la charge réelle est < capacité nominale du refroidisseur :
        • Passez à l'étape 2.
   2. Étape 2 : Vérification du débit de réfrigérant à travers l'évaporateur.
      • Diagnostic : Mesurez le débit de liquide (l/min) à travers l'évaporateur à l'aide d'un débitmètre à ultrasons. Comparez avec les données du passeport du fabricant du refroidisseur. Vérifiez la chute de pression à travers l’évaporateur et les filtres.
      • Si le débit est < minimum recommandé ou chute de pression > nominal :
        • Cause probable : Débit de fluide insuffisant (filtres bouchés, dysfonctionnement de la pompe, vannes fermées).
        • Allez à la section 7.2.
      • Si le débit est normal :
        • Passez à l'étape 3.
   3. Étape 3 : Évaluer l'efficacité du transfert de chaleur.
      • Diagnostic : Mesurez les températures du réfrigérant et du réfrigérant à l'entrée et à la sortie de l'évaporateur, ainsi que les températures du réfrigérant et de l'eau/de l'air de refroidissement à l'entrée et à la sortie du condenseur. Calculez les différences de température.
      • Si différence de température liquide/réfrigérant dans l'évaporateur < nominale ou différence de température réfrigérant/eau/air dans le condenseur < nominale :
        • Cause probable : Contamination des échangeurs de chaleur (évaporateur ou condenseur) ou panne des ventilateurs/pompes du circuit de refroidissement.
        • Allez à la section 7.3.
      • Si l'efficacité de l'échange thermique est normale :
        • Passez à l'étape 4.
   4. Étape 4 : Vérification de la charge de réfrigérant et du fonctionnement du cycle de réfrigération.
      • Diagnostic : Connectez les manomètres du réfrigérant. Mesurer la pression d'aspiration et de refoulement. Mesurer la température de la conduite d'aspiration (gaz) et de la conduite liquide après le condenseur. Calculez la surchauffe (soustraction du point d'ébullition par la pression d'aspiration de la température réelle du gaz à l'aspiration) et le sous-refroidissement (soustraction de la température réelle du liquide par la température de condensation par la pression de refoulement).
      • Si la pression d'aspiration est faible, la surchauffe est élevée, le sous-refroidissement est faible :
        • Cause probable : Charge de réfrigérant insuffisante (fuite).
        • Allez à la section 7.4.
      • Si pression de refoulement élevée, surchauffe faible, sous-refroidissement élevé :
        • Cause probable : Surcharge de réfrigérant ou gaz non condensables.
        • Allez à la section 7.4.
      • Si les pressions et les températures s'écartent d'une autre manière :
        • Cause probable : Dysfonctionnement du compresseur, de la TRV (vanne de thermorégulation) ou d'autres composants du cycle de réfrigération.
        • Allez à la section 7.5.

6. Matrice des causes de dysfonctionnement

Cette matrice systématise les symptômes typiques, les causes probables et les méthodes pour les confirmer.

7. Analyse des causes profondes de chaque dysfonctionnement

7.1. Surcharge du système

Explication : Une surcharge se produit lorsque la charge thermique réelle appliquée au système de refroidissement dépasse sa capacité de refroidissement nominale. Cela peut être dû à une expansion de la production, à un changement dans le processus technologique sans mise à niveau du système de refroidissement ou à un calcul initial incorrect de la puissance. Une surcharge à long terme entraîne un fonctionnement constant des compresseurs à capacité maximale, une usure accrue, une augmentation des températures et des pressions, ce qui raccourcit la durée de vie de l'équipement.

Comment confirmer : Comparez la charge thermique calculée (kW) provenant de toutes les sources (processus technologiques, équipements, apports de chaleur à travers l'isolation) avec la puissance nominale du passeport du refroidisseur. Mesurez la puissance électrique réelle (kW) consommée par les compresseurs et comparez-la avec la puissance nominale. Si le rapport entre la charge thermique réelle et la capacité nominale du refroidisseur dépasse 0,95, le système fonctionne à la limite.

Conséquences : Surchauffe constante du liquide de refroidissement, augmentation des températures et pressions de fonctionnement du cycle frigorifique, consommation d'énergie excessive, panne prématurée des compresseurs due à l'usure, déclenchement fréquent des dispositifs de protection.

7.2. Débit de fluide/air insuffisant

Explication : Un débit adéquat de fluide de travail (eau/glycol) ou d'air est essentiel pour un échange thermique efficace dans l'évaporateur et le condenseur. Un débit insuffisant peut être causé par un colmatage des filtres, un dysfonctionnement des pompes ou des ventilateurs, un mauvais réglage des vannes d'équilibrage ou une accumulation de dépôts (boues, corrosion) dans les canalisations et canaux des échangeurs de chaleur.

Comment confirmer :

• Pour le circuit de liquide : Mesurez le débit de liquide avec un débitmètre à ultrasons (écart admissible par rapport à la valeur nominale < ±5 %). Mesurer la chute de pression à travers les filtres et l'évaporateur ; une augmentation significative de la chute de pression (> 0,5 bar par rapport à la normale) indique un colmatage. Vérifiez le courant des pompes ; un courant réduit peut indiquer une cavitation et un courant accru peut indiquer un dysfonctionnement mécanique.
• Pour le circuit d'air (condenseur) : Vérifier le courant des moteurs de ventilateur ; des valeurs anormales indiquent un dysfonctionnement. Inspectez les pales du ventilateur pour déceler tout dommage ou contamination. Mesurer la vitesse de l'air avec un anémomètre à l'entrée/sortie du condenseur.

Conséquences : Diminution du coefficient de transfert thermique, surchauffe locale, augmentation de la pression de refoulement (pour le condenseur) ou diminution de la pression d'aspiration (pour l'évaporateur), ce qui entraîne une diminution de la puissance frigorifique et une augmentation de la consommation d'énergie.

7.3. Encrassement des échangeurs de chaleur

Explication : La contamination des surfaces d'échange thermique (évaporateur, condenseur) réduit considérablement leur efficacité. Dans l'évaporateur, il peut s'agir d'encrassements biologiques, de boues, de produits de corrosion ; dans le condenseur - poussières, peluches, dépôts gras (air) ou minéraux (calcaire), encrassement biologique (eau). La couche de contamination crée une résistance thermique supplémentaire, empêchant un échange thermique efficace entre le réfrigérant et le fluide refroidi/de refroidissement.

Comment confirmer :

• Inspection visuelle : Inspectez les surfaces des échangeurs de chaleur. Pour les refroidisseurs à air – radiateurs à condenseur, pour ceux à eau – surfaces intérieures des tuyaux/plaques (après démontage).
• Mesure des températures : utilisez une caméra thermique pour détecter les zones froides ou chaudes sur l'échangeur thermique, indiquant un transfert de chaleur inefficace.
• Différence de température : Pour l'évaporateur : une augmentation de la différence entre la température d'ébullition du réfrigérant et la température du liquide refroidi en sortie (plus de 5-7 °C). Pour le condenseur : augmentation de la différence entre la température de condensation du fluide frigorigène et la température du fluide frigorigène à la sortie (plus de 5-7 °C).
• Chute de pression : une augmentation significative de la chute de pression dans l'échangeur thermique (plus de 0,3 à 0,5 bar par rapport à l'état propre) indique une contamination interne.

Effets : Augmentation de la pression de condensation (pour le condenseur) et réduction de la pression d'évaporation (pour l'évaporateur), entraînant une augmentation de la charge du compresseur, une réduction de la capacité de refroidissement, une consommation d'énergie excessive et une usure accrue.

7.4. Charge de réfrigérant insuffisante/excédentaire

Explication : La quantité exacte de réfrigérant est essentielle pour un fonctionnement optimal du cycle de réfrigération. Une charge insuffisante (généralement due à une fuite) entraîne un remplissage insuffisant de l'évaporateur et une diminution de son efficacité. Une surcharge entraîne une augmentation de la pression de condensation, une surcharge du compresseur et un risque de coup de bélier. Les gaz non condensables (air, azote) entrant dans le système agissent également comme une charge excessive, augmentant la pression.

Comment confirmer :

• Sous-charge : Surchauffe élevée (plus de 10 °C pour la plupart des systèmes) et sous-refroidissement faible ou nul. Faible pression d'aspiration. Bulles dans la conduite de liquide (s'il y a un voyant). Réduction du courant du compresseur (due à une diminution de la densité du réfrigérant).
• Surcharge/gaz non condensables : Pression de refoulement élevée, faible surchauffe, sous-refroidissement élevé (au-dessus de 10 °C). Si la pression de refoulement avec le compresseur éteint est nettement supérieure à la pression de saturation à température ambiante, cela indique des gaz non condensables.

Conséquences : Diminution de la capacité de refroidissement, augmentation de la consommation d'énergie, surchauffe du compresseur, risque de panne du compresseur (par manque de lubrification à faible charge ou coup de bélier à charge excessive).

7.5. Dysfonctionnement des composants du cycle frigorifique

Explication : Les dysfonctionnements de composants tels que le compresseur, la TRV (vanne de thermorégulation), le récepteur, les électrovannes ou les clapets anti-retour peuvent affecter considérablement l'efficacité du cycle. Un dysfonctionnement du compresseur (compression réduite, usure mécanique) entraînera l'incapacité de créer la perte de charge requise. Un fonctionnement incorrect du TRV (trop ouvert/fermé, blocage) perturbera l'alimentation en réfrigérant de l'évaporateur, ce qui affectera la surchauffe.

Comment confirmer :

• Compresseur : Mesurez le courant de l'enroulement du moteur (phase-phase) avec un multimètre. Comparez avec le courant nominal. Un courant réduit à une pression d'admission élevée indique une compression insuffisante. Écoutez le compresseur pour déceler les bruits parasites (cognements, grincements).
• TRV : Mesurez la température à l'entrée et à la sortie du TRV. Une baisse de température importante (givrage) sur le TRV lorsque l'évaporateur n'est pas complètement rempli indique un TRV fermé. L'absence de chute appréciable de pression ou de température à travers le TRV peut indiquer qu'il est bloqué en position ouverte. Calculez la surchauffe.
• Électrovanne/clapets anti-retour : Vérifiez le signal électrique au niveau de l'électrovanne. Vérifiez la chute de pression à travers la vanne ; une chute de pression significative à travers une vanne ouverte indique un blocage ou un dysfonctionnement interne.

Conséquences : Diminution de la capacité de refroidissement, augmentation des températures de fonctionnement, usure accrue, arrêt complet du système.

8. Procédures de dépannage étape par étape

ATTENTION : Suivez toutes les précautions énumérées dans la section 2.

8.1. Élimination de la surcharge du système

1. Étape 1 : Calculez la charge thermique réelle. Collectez des données sur toutes les sources de chaleur desservies par le système.
2. Étape 2 : Comparez avec la fiche technique du refroidisseur. Si la charge réelle est > 95 % de la charge nominale, envisagez d'optimiser le processus ou de mettre à niveau/ajouter un équipement de refroidissement.
3. Étape 3 : Optimisation du processus technologique. Si possible, réduisez la température des sources de chaleur avant d'entrer dans le refroidisseur ou réduisez le nombre d'équipements fonctionnant simultanément.
4. Vérification : après l'optimisation ou la mise à niveau, mesurez à nouveau la température du liquide de refroidissement et la consommation électrique du système. Les paramètres doivent correspondre aux valeurs calculées.

8.2. Restauration du débit normal de fluide/d’air

1. Étape 1 : **Isolement et LOTO.** Isolez la pompe/le ventilateur et les circuits associés. ATTENTION : Avant de travailler avec des pompes ou des ventilateurs, assurez-vous qu'il n'y a pas d'alimentation électrique et que les pièces mobiles sont fixées.
2. Étape 2 : Vérifiez et nettoyez les filtres. Remplacez les filtres obstrués selon les recommandations du fabricant. La chute de pression à travers un filtre propre ne doit pas dépasser 0,1 bar.
3. Étape 3 : Vérifiez les pompes. Diagnostiquer la pompe selon le manuel du fabricant : vérifier la roue pour le colmatage/endommagement, l'état des roulements, les joints. Mesurez le courant du moteur de la pompe et comparez-le avec le courant nominal. Pour détecter les défauts mécaniques, utilisez un analyseur de vibrations (ISO 10816-1:2018) ; Le niveau de vibration admissible pour les pompes industrielles peut atteindre 4,5 mm/s (valeur quadratique moyenne).
4. Étape 4 : Vérifiez les ventilateurs (pour les condenseurs de refroidissement à air). Nettoyez les lames de la poussière et de la saleté. Vérifiez le moteur, les roulements. Mesurer la vitesse de l'air à l'aide d'un anémomètre à la sortie du ventilateur ; elle doit correspondre aux données du passeport (écart tolérable < ±10%).
5. Étape 5 : Vérifiez l'équilibrage des threads. Utilisez un débitmètre à ultrasons pour mesurer le débit de fluide dans chaque circuit et ajustez les vannes d'équilibrage pour atteindre les débits calculés.
6. Vérification : Une fois les flux rétablis, vérifiez la chute de pression dans les échangeurs de chaleur, le débit fluide/air et les températures de fonctionnement.

8.3. Nettoyage des échangeurs de chaleur

1. Étape 1 : **Isolement et LOTO.** Isolez les circuits et équipements concernés. ATTENTION : Lors d'un nettoyage chimique, utilisez des EPI (combinaison de protection, gants, masque) et assurez une ventilation adéquate.
2. Étape 2 : Nettoyage mécanique. Pour les condenseurs à air - laver à l'eau sous haute pression (jusqu'à 150 bars) dans le sens opposé au flux d'air. Pour les échangeurs à calandre – nettoyage mécanique avec des brosses ou une centrale hydrojet.
3. Étape 3 : Nettoyage chimique. Pour éliminer le tartre ou les dépôts biologiques, utilisez des solutions chimiques spécialisées (telles que des solutions de tartre d'acide phosphorique ou des biocides pour l'encrassement) en suivant les instructions du fabricant de la solution et de l'échangeur thermique. Après le nettoyage, assurez-vous de rincer le système avec beaucoup d'eau propre et de neutraliser tous les produits chimiques restants.
4. Vérification : Après le nettoyage, vérifier la perte de charge aux bornes de l'échangeur thermique (elle doit revenir à la valeur nominale) et l'efficacité de l'échange thermique (T_sortie liquide de refroidissement/air).

8.4. Ajustement de la charge de réfrigérant

1. Étape 1 : **Détection et réparation des fuites.** Utilisez un détecteur de fuite électronique (sensibilité jusqu'à 3 g/an selon la norme EN 14624) ou un colorant UV. Éliminez toutes les fuites détectées.
2. Étape 2 : **Évacuez le système.** Après avoir réparé les fuites, évacuez le réfrigérant et évacuez le système jusqu'à un vide de 0,1 Torr (13,3 Pa) pendant au moins 30 minutes. Vérifiez la stabilité du vide.
3. Étape 3 : **Remplissage.** Utilisez une balance de réfrigérant pour faire l'appoint avec précision conformément aux spécifications du fabricant du refroidisseur (± 5 % de la charge nominale).
4. Étape 4 : **Élimination des gaz non condensables.** Si des gaz non condensables sont suspectés, effectuez une purge à travers la soupape de décharge tout en surveillant la pression et la température.
5. Vérification : Après avoir fait le plein et démarré le système, mesurez la surchauffe et le sous-refroidissement. Pour la plupart des systèmes, la surchauffe doit être comprise entre 5 et 8 °C et l'hypothermie entre 5 et 8 °C. Vérifiez les pressions et les températures, elles doivent répondre aux paramètres réglementaires pour le réfrigérant et les conditions de fonctionnement données.

8.5. Réparation/remplacement des composants défectueux du cycle de réfrigération

1. Étape 1 : **Isolement et LOTTO.** Isolez le compresseur ou le circuit associé. ATTENTION : Lorsque vous travaillez avec des compresseurs ou des TRV, il est nécessaire de relâcher complètement la pression du réfrigérant du circuit correspondant.
2. Étape 2 : Compresseur. Si un dysfonctionnement est détecté (compression réduite, bruits mécaniques), le compresseur doit être remplacé ou révisé. Après le remplacement, effectuez l'aspiration et la recharge du réfrigérant conformément à la procédure 8.4.
3. Étape 3 : TRV. En cas de dysfonctionnement du TRV (bourrage, perte de sensibilité du ballon thermique), il faut le remplacer. Assurez-vous que le nouvel échangeur de chaleur correspond au type de réfrigérant et à la capacité de l'évaporateur. Après le remplacement, passez l'aspirateur et faites le plein.
4. Étape 4 : Autres vannes. Remplacez le solénoïde ou les clapets anti-retour défectueux. Vérifiez leur fonctionnement après remplacement.
5. Vérification : Après avoir remplacé les composants et fait le plein du système, démarrer l'équipement et vérifier tous les paramètres de fonctionnement (pressions, températures, courants des compresseurs), s'assurer de la stabilité du cycle frigorifique et de l'atteinte de la capacité frigorifique requise.

9. Mesures préventives

Un entretien régulier est essentiel pour éviter les sous-performances et prolonger la durée de vie des équipements.

10. Pièces de rechange et composants

La disponibilité en temps opportun de pièces de rechange de qualité est essentielle pour un dépannage rapide. UNITEC-D propose une large gamme de composants certifiés CE et UkrSEPRO qui répondent aux normes ISO.

Trouvez les pièces et composants dont vous avez besoin dans le catalogue électronique UNITEC : www.unitecd.com/e-catalog/

11. Liens

• DSTU EN 378:2018 Systèmes de réfrigération et pompes à chaleur. Exigences de sécurité et environnementales.
• ISO 5149:2020 Systèmes de réfrigération et pompes à chaleur. Exigences de sécurité et environnementales.
• EN 13313:2018 Systèmes de réfrigération et pompes à chaleur. Compétence du personnel.
• EN 16407:2013 Systèmes de refroidissement industriels. Exigences de nettoyage.
• DSTU EN 166:2017 Protection individuelle des yeux. Exigences
• DSTU EN 374-1:2003 Gants de protection contre les produits chimiques et les micro-organismes.
• DSTU EN ISO 20345:2019 Équipement de protection individuelle. Chaussures de protection.
• DSTU ISO 45001 : 2019 Systèmes de gestion de la santé et de la sécurité au travail. Exigences
• ISO 10816-1:2018 Vibrations mécaniques. Évaluation des vibrations des machines par mesures sur pièces fixes.
• Manuels d'utilisation et d'entretien des fabricants d'équipements de réfrigération.