Les évaporateurs en régime noyé : principe, dimensionnement et limites !

En froid industriel, la façon dont on alimente un évaporateur en fluide frigorigène détermine une grande partie du rendement de l'installation. Deux familles s'opposent : la détente directe, où le débit injecté correspond exactement à ce qui s'évapore, et le régime noyé, où l'on envoie volontairement plus de liquide que l'échangeur ne peut en vaporiser. Cette seconde approche domine les grandes installations à l'ammoniac et, plus récemment, les boucles de CO₂ pompé. Encore faut-il comprendre ce qui se joue réellement à l'intérieur du tube.

Exemple cascade avec évaporateurs (moyenne température) en régime noyés :

Evaporateur en régime noyé, c'est quoi exactement !

Dans un évaporateur à détente directe, le frigorigène arrive après le détendeur sous forme d'un mélange contenant déjà une proportion notable de vapeur, généralement entre 15 et 20 % en masse selon le taux de compression. Il doit ensuite être totalement vaporisé, puis surchauffé, pour qu'aucune goutte de liquide n'atteigne l'aspiration du compresseur. Cette surchauffe est une sécurité indispensable, mais elle a un coût : la dernière portion de l'échangeur ne travaille plus qu'avec de la vapeur, dont le coefficient d'échange est médiocre.

Le régime noyé supprime cette contrainte. Le liquide entre à l'état saturé et ressort encore partiellement liquide : il n'y a pas de surchauffe en sortie d'évaporateur, donc toute la surface participe à l'ébullition. Le gain est double. D'une part le coefficient d'échange est optimal, ce qui permet de réduire la surface d'échange à puissance égale. D'autre part, puisqu'il n'est plus nécessaire de créer un écart de température suffisant pour surchauffer la vapeur, la température d'évaporation peut être remontée et rapprochée de celle du produit à refroidir, ce qui améliore directement le COP de l'installation.

Le mécanisme physique mérite d'être précisé. L'ammoniac possède une chaleur latente très élevée : la quantité de liquide qui entre dans un tube d'évaporateur est en réalité très faible et occupe souvent moins de 2 % de la section du tube. Sans excès de liquide, une grande partie de la paroi interne s'assécherait et l'échange s'effondrerait. Le liquide surabondant, brassé par la vapeur, vient au contraire tapisser toute la périphérie interne d'un film qui absorbe la chaleur. C'est ce film, et non le remplissage du tube, qui fait le rendement d'un évaporateur noyé.

Trois façons d'alimenter un évaporateur noyé

Le vocabulaire francophone distingue deux configurations de l'échangeur dit « noyé » : le regorgement et la recirculation.

• Le regorgement gravitaire (thermosiphon) : l'évaporateur est placé sous une bouteille séparatrice qui l'alimente par simple différence de densité entre la colonne de liquide descendante et le mélange diphasique remontant. Aucune pompe n'est nécessaire. C'est la solution classique des refroidisseurs de liquide multitubulaires et des tanks à lait, mais elle impose de faibles pertes de charge et une implantation contrainte.
• La recirculation par pompe : une ou plusieurs pompes prélèvent le liquide en partie basse de la bouteille séparatrice et l'envoient vers un ou plusieurs évaporateurs, parfois très éloignés. Le mélange liquide-vapeur revient à la bouteille par la ligne d'aspiration humide. C'est la configuration dominante des entrepôts frigorifiques et des tunnels de surgélation.
• La recirculation par pression de gaz : le liquide est déplacé par un gaz sous pression au moyen d'un pot de transfert, sans machine tournante dans la partie froide. Solution robuste, mais plus complexe à réguler.

Dans les trois cas, la bouteille séparatrice joue le même rôle central : elle sépare les phases, n'envoie que de la vapeur sèche au compresseur et protège donc celui-ci des coups de liquide.

Le taux de recirculation : la grandeur clé

Le taux de recirculation est défini comme le débit massique total entrant dans le circuit rapporté au débit massique réellement évaporé. Un taux de 4:1 signifie que sur 4 kg de liquide admis dans l'évaporateur, 1 kg se vaporise ; 3 kg de liquide et 1 kg de vapeur repartent vers la bouteille basse pression. Attention à ne pas confondre avec le taux de regorgement, qui rapporte la masse de liquide à la masse de vapeur en sortie : dans cet exemple il vaut 3. Un taux de recirculation de 1 correspond au cas limite où tout le liquide admis est vaporisé.

Le choix de ce taux résulte d'un arbitrage. Augmenter le débit accroît la vitesse et la turbulence, donc le mouillage de la paroi, mais la perte de charge évolue approximativement comme le carré de la vitesse — et toute perte de charge interne se paie en température d'évaporation. Un ordre de grandeur parlant : sur un circuit dont la sortie est à −32 °C, une chute de pression interne de 1 psi (environ 0,07 bar) fait démarrer l'évaporation à −31 °C à l'entrée, ce qui représente déjà une perte d'environ 11 % de l'écart moyen logarithmique face à un air repris à −26 °C. Le concepteur cherche donc la turbulence minimale suffisante, pas la vitesse maximale.

La tendance de fond est à la baisse de ces taux. Les tubes inox à surface interne rainurée permettent au liquide de migrer le long de rainures hélicoïdales à des vitesses bien plus faibles qu'en tube lisse. Les essais en laboratoire situent l'optimum à 1,2:1 pour un tube de 5/8" et 1,8:1 pour un tube de 1". La conséquence économique est directe : moins de débit pompé, des lignes liquides plus petites, une perte de charge réduite sur l'aspiration humide et donc moins de puissance au compresseur. Sur un entrepôt de référence comprenant un quai, une chambre négative et six cellules de surgélation, l'économie annuelle chiffrée dépasse 240 000 kWh sur la seule consommation des compresseurs.

Alimentation par le bas ou par le haut ?

Alors pourquoi choisir l'une ou l'autre ? L'alimentation par le bas favorise le mouillage : la vapeur pousse le liquide vers le haut de façon très turbulente et la séparation de phases est improbable. Mais le circuit accumule du liquide en partie basse tant que la vitesse de vapeur est insuffisante pour l'entraîner. Ce « lest » de liquide gonfle la charge en fonctionnement, particulièrement à charge partielle.

L'alimentation par le haut, à l'inverse, laisse la gravité drainer l'excédent : la charge en service est nettement plus faible. Le rapport entre la charge d'un serpentin alimenté par le haut et celle d'un serpentin alimenté par le bas est d'environ 1,0 à −4 °C, mais tombe à 0,70 à −18 °C et à 0,63 à −29 °C. Historiquement, l'alimentation par le haut souffrait d'un mouillage inférieur ; avec les tubes rainurés, l'écart de performance se réduit fortement, ce qui en fait l'option privilégiée dès que la réduction de charge en ammoniac devient un objectif de sécurité.

Dimensionner la bouteille : le volume tampon

C'est le point que l'on néglige le plus souvent. La charge présente dans les évaporateurs n'est pas constante : à charge partielle, sous faible écart de température, le volume de vapeur diminue, la vitesse chute et le liquide s'accumule dans les circuits. Lorsque les évaporateurs remontent en charge, ce liquide est chassé d'un coup vers la bouteille. Celle-ci doit donc disposer d'un volume tampon capable d'absorber cette variation, tout en conservant assez de volume libre pour la séparation des phases et éviter tout entraînement vers les compresseurs. Réduire le taux de recirculation réduit aussi ce volume tampon, et donc le diamètre ou la longueur de la bouteille.

La question de l'huile

Avec une fluide comme l'ammoniac, l'huile plus dense est moins miscible: elle se dépose en partie basse du séparateur basse pression, d'où elle est soutirée encore mélangée à de l'ammoniac, puis distillée au rectifieur. La gestion du retour d'huile est plus facile en détente directe, où le flux entraîne l'huile en continu ; c'est un des rares avantages nets de ce mode d'alimentation, avec un coût d'installation et une charge de fluide plus faibles.

En CO₂, l'huile est également difficilement miscible et son effet sur l'échange est mesurable : un film de seulement 0,05 mm sur la paroi interne réduit la puissance d'un évaporateur d'environ 13 %. Un séparateur d'huile à haut rendement n'est donc pas une option.

Le cas particulier du CO₂ pompé

Le CO₂ se prête mal au regorgement gravitaire : sa masse volumique liquide élevée provoque une remontée de la température d'évaporation par effet de colonne, la bouteille doit être timbrée à une pression bien supérieure, et la faible perte de charge disponible limite le flux massique donc le coefficient d'ébullition. La recirculation par pompe s'impose. En contrepartie, la pente de la courbe de saturation du CO₂ est bien plus raide que celle de l'ammoniac, ce qui autorise des pertes de charge plus élevées sans pénalité thermique et permet des circuits plus longs. Le point de vigilance est le régime d'écoulement : sous un flux massique d'environ 200 kg/m²·s dans des tubes de 5/8", l'écoulement devient stratifié et la puissance chute brutalement.

Infos à ne pas manquer !

Le régime noyé n'est pas un synonyme de « plus de liquide, donc mieux ». Au-delà de l'optimum, l'excès de débit ne fait plus qu'ajouter de la perte de charge, donc dégrader la température d'évaporation. La performance vient du mouillage de la paroi, pas de la quantité de fluide.

La charge de fluide est le vrai prix à payer. Un système noyé contient structurellement beaucoup plus de frigorigène qu'un système à détente directe : liquide dans les évaporateurs, dans les lignes d'alimentation et de retour humide, et dans la bouteille séparatrice. En ammoniac, cette charge conditionne le régime ICPE applicable et l'ensemble des contraintes de sécurité qui en découlent. La tendance « low charge » — tubes rainurés, alimentation par le haut, taux de recirculation réduits — répond autant à une logique réglementaire qu'énergétique.

La puissance de pompage varie au cube du débit. Diviser le débit recirculé par deux ne divise pas la consommation de la pompe par deux : l'effet est bien plus marqué. Mais attention, le gain réel n'apparaît que si la pompe est effectivement redimensionnée ; conserver une pompe surdimensionnée sur un réseau à faible taux revient à élever inutilement la pression d'un liquide qui n'ira nulle part.

Le dégivrage par gaz chauds doit être traité avec l'alimentation. Tous les circuits doivent pouvoir se vidanger librement, faute de quoi le condensat formé pendant le dégivrage vient isoler la paroi. Sur un serpentin alimenté par le bas, l'orifice de répartition devient un point de passage obligé pour ce condensat et peut exiger une pression de gaz chaud plus élevée ; sur un serpentin alimenté par le haut, il faut prévoir un contournement des orifices. Un détail de tuyauterie qui décide de la qualité du dégivrage.

La régulation de niveau est le système nerveux de l'installation. Un régulateur modulant maintient un niveau stable dans le séparateur même sous charge fortement variable, là où une régulation tout ou rien génère des oscillations de niveau qui se traduisent par des entraînements de liquide ou, à l'inverse, par un désamorçage de pompe. La question du NPSH disponible à l'aspiration des pompes mérite à elle seule un développement : un liquide à saturation cavite au moindre échauffement ou à la moindre perte de charge.

Sources

• ASHRAE Handbook — Refrigeration, chapitre « Liquid Overfeed Systems », édition 2022.
• IIAR, Ammonia Refrigeration Piping Handbook, chapitre 1 « Pipe Sizing », édition 2025 (sections « Flooded Evaporators » et « Pumped Overfeed Risers »).
• J. Welch, Low Recirculation Rate Evaporators, white paper, Evapco Inc.
• B. I. Nelson, CO₂ Evaporator Design, Colmac Coil Manufacturing, 2016.
• Danfoss, Application Handbook — Industrial Refrigeration, ammonia and CO₂ applications.
• R. Paranjpey, Liquid Overfeed Systems, ISHRAE.
• J. Desmons, Froid industriel, Dunod, coll. Aide-Mémoire, 5^e éd., 2023, chapitre 10.
• Techniques de l'Ingénieur, BE 9765, « Conduite automatique des équipements frigorifiques — Alimentation des évaporateurs ».
• INERIS / base AIDA : rubrique ICPE 4735, arrêté du 16 juillet 1997 modifié le 11 mai 2015, arrêté du 19 novembre 2009.