Calculateur de Dimensionnement des Liaisons Frigorifiques
Dimensionnez les diamètres de tuyauterie cuivre pour vos liaisons frigorifiques (aspiration, liquide, refoulement).
Dimensionner les liaisons frigorifiques
Renseignez les caractéristiques de votre installation pour obtenir les diamètres de tuyauterie recommandés.
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Comment dimensionner les liaisons frigorifiques ?
Le dimensionnement des liaisons frigorifiques est une étape critique de la conception d'une installation de froid ou de climatisation. Un mauvais choix de diamètre de tuyauterie entraîne soit des pertes de charge excessives (sous-dimensionnement), soit un défaut de retour d'huile au compresseur (surdimensionnement). Les trois lignes à dimensionner sont la ligne d'aspiration (gaz basse pression), la ligne de refoulement (gaz haute pression) et la ligne liquide.
Méthode de calcul
Le dimensionnement suit ces étapes :
- Calcul du débit massique : puissance frigorifique divisée par l'enthalpie de vaporisation du fluide à la température d'évaporation
- Calcul du volume spécifique : à partir des propriétés du fluide aux conditions de température et pression de service
- Calcul du débit volumique : débit massique multiplié par le volume spécifique
- Sélection du diamètre : choix du tube cuivre normalisé dont la section donne une vitesse dans la plage recommandée
- Vérification des pertes de charge : la perte de charge totale (linéaire + singulière + gravitaire) ne doit pas dépasser l'équivalent de 1 K de chute de température de saturation
Formule de la vitesse
Avec :
Vitesses recommandées par type de ligne
Les vitesses de fluide dans les tuyauteries frigorifiques doivent respecter des plages précises pour garantir le bon fonctionnement de l'installation :
| Type de ligne | Vitesse min. | Vitesse max. | Contrainte principale |
|---|---|---|---|
| Aspiration (horizontale) | 4 m/s | 12 m/s | Retour d'huile |
| Aspiration (colonne montante) | 4 m/s | 12 m/s | Retour d'huile critique |
| Refoulement | 6 m/s | 12 m/s | Bruit / vibrations |
| Liquide | 0,5 m/s | 1,5 m/s | Coups de bélier / flash-gas |
Diamètres normalisés de tuyauterie cuivre frigorifique
Les tubes cuivre utilisés en réfrigération sont des tubes recuits ou écrouis conformes aux normes EN 12735-1 (tubes de réfrigération) avec des diamètres extérieurs normalisés en pouces :
| Diamètre (pouces) | Diamètre ext. (mm) | Diamètre int. (mm) | Section int. (mm²) | Usage typique |
|---|---|---|---|---|
| 1/4" | 6,35 | 4,83 | 18,3 | Ligne liquide petite puissance |
| 3/8" | 9,52 | 7,92 | 49,3 | Ligne liquide / aspiration petit split |
| 1/2" | 12,70 | 10,92 | 93,6 | Aspiration split résidentiel |
| 5/8" | 15,88 | 14,10 | 156,1 | Aspiration climatisation |
| 3/4" | 19,05 | 17,27 | 234,2 | Aspiration moyenne puissance |
| 7/8" | 22,22 | 20,22 | 321,1 | Aspiration / refoulement |
| 1-1/8" | 28,58 | 26,58 | 554,7 | Aspiration forte puissance |
| 1-3/8" | 34,93 | 32,79 | 844,5 | Aspiration / collecteur |
| 1-5/8" | 41,28 | 39,14 | 1 203 | Collecteur / ligne principale |
| 2-1/8" | 53,98 | 51,84 | 2 111 | Très forte puissance |
Retour d'huile et siphons (oil traps)
Le retour d'huile au compresseur est l'une des préoccupations majeures du dimensionnement. L'huile de lubrification circule avec le fluide frigorigène et doit pouvoir remonter les colonnes montantes de la ligne d'aspiration. Voici les règles à respecter :
- Vitesse minimale en aspiration : maintenir au moins 4 m/s dans les colonnes montantes pour entraîner l'huile
- Siphon en pied de colonne : installer un siphon à huile (coude en U) en bas de chaque colonne montante d'aspiration
- Siphon tous les 6 m : pour les dénivelés importants, ajouter un siphon intermédiaire tous les 6 mètres de dénivelé
- Double colonne montante : pour les installations à régulation de puissance (variation de charge > 50 %), envisager une double colonne montante
- Pente : la ligne d'aspiration horizontale doit avoir une pente descendante de 1 à 2 % vers le compresseur
Pertes de charge dans les liaisons
Les pertes de charge dans les tuyauteries frigorifiques se décomposent en trois composantes :
- Pertes linéaires : dues au frottement du fluide sur les parois du tube, calculées avec la formule de Darcy-Weisbach. Elles dépendent de la rugosité du cuivre (environ 0,0015 mm), de la vitesse et de la viscosité du fluide
- Pertes singulières : dues aux coudes, vannes, filtres et raccords. On les estime généralement à 30 % des pertes linéaires, ou on utilise la méthode des longueurs équivalentes
- Pertes gravitaires : dues au dénivelé entre les composants. En phase liquide, la perte est proportionnelle à la masse volumique et à la hauteur. En phase gazeuse, cette composante est faible mais non négligeable pour les grandes hauteurs
Le critère d'acceptabilité est exprimé en chute de température de saturation équivalente. Sur la ligne d'aspiration, la perte de charge ne doit pas dépasser l'équivalent de 1 K de chute de température de saturation. Cette limite garantit que le rendement du compresseur n'est pas significativement dégradé.
Bonnes pratiques de dimensionnement
- Majorer les longueurs : ajouter 30 % à la longueur mesurée pour tenir compte des raccords et singularités
- Considérer la charge partielle : vérifier le retour d'huile à charge minimale (vitesse plus faible)
- Calorifuge obligatoire : isoler la ligne d'aspiration pour éviter les gains de chaleur et la condensation
- Brasure sous azote : braser les tubes cuivre sous flux d'azote pour éviter la formation de calamine (particules d'oxyde de cuivre)
- Tirage au vide : après montage, effectuer un tirage au vide rigoureux (< 500 microns) pour éliminer l'humidité résiduelle
- Support et fixation : supporter les tuyauteries tous les 1,5 à 2 m en horizontal, avec des silent-blocs pour éviter la transmission des vibrations
Questions fréquentes
Le choix du diamètre dépend de trois critères principaux : la vitesse du fluide (qui doit rester dans les plages recommandées pour assurer le retour d'huile), la perte de charge acceptable (équivalente à moins de 1 K de chute de température de saturation sur la ligne d'aspiration), et le type de ligne (aspiration, liquide ou refoulement). Un sous-dimensionnement provoque des pertes de charge excessives, tandis qu'un surdimensionnement empêche le retour d'huile au compresseur.
Les vitesses recommandées varient selon le type de ligne. Pour la ligne d'aspiration : 4 à 12 m/s (minimum 4 m/s pour le retour d'huile dans les colonnes montantes). Pour la ligne de refoulement : 6 à 12 m/s. Pour la ligne liquide : 0,5 à 1,5 m/s. Des vitesses trop faibles en aspiration ne permettent pas d'entraîner l'huile, et des vitesses trop élevées génèrent du bruit et des pertes de charge excessives.
L'huile du compresseur circule avec le fluide frigorigène dans l'installation. Si la vitesse du gaz en aspiration est insuffisante (< 4 m/s), surtout dans les colonnes montantes, l'huile ne peut pas remonter et s'accumule en bas de la tuyauterie. Cela provoque un manque de lubrification du compresseur, pouvant entraîner sa destruction. C'est pourquoi on installe des siphons à huile (oil traps) tous les 6 mètres dans les colonnes montantes.
Un siphon à huile (ou piège à huile) est un coude en U placé en bas d'une colonne montante sur la ligne d'aspiration. Il permet d'accumuler temporairement l'huile et de la propulser vers le haut lorsque la vitesse du gaz est suffisante. Il est recommandé d'en installer un en bas de chaque colonne montante, puis tous les 6 mètres de dénivelé supplémentaire. Ils sont indispensables lorsque le groupe est placé au-dessus de l'évaporateur.
Le débit massique se calcule en divisant la puissance frigorifique (en kW) par l'enthalpie de vaporisation du fluide (en kJ/kg) à la température d'évaporation. L'enthalpie de vaporisation varie selon le fluide et la température. Par exemple, pour le R-410A à -10 °C, elle est d'environ 220 kJ/kg, ce qui donne pour une puissance de 10 kW un débit massique d'environ 0,045 kg/s.
La perte de charge maximale acceptable sur la ligne d'aspiration correspond à une chute de température de saturation de 1 K (1 degré). Cette limite est essentielle car toute perte de charge en aspiration réduit directement la pression d'aspiration du compresseur, ce qui diminue le rendement volumétrique et augmente la consommation énergétique. Pour les lignes liquide et refoulement, les pertes sont moins critiques mais doivent rester raisonnables.
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