Système en cascade

Qu’est-ce qu’un système en cascade ?

Un système en cascade est un type de système de réfrigération comportant deux systèmes indépendants, dont l’un – celui à plus basse température – utilise un échangeur de chaleur comme condenseur, qui est chargé d’expulser la chaleur qui s’y accumule. Une explication plus détaillée du fonctionnement de ces systèmes et de l’utilisation de fluides frigorigènes pour les applications à ultra-basse ou basse température est fournie ci-dessous.

Système de refroidissement en cascade

Un système de refroidissement en cascade est un système permettant d’atteindre des températures ultra-basses, jusqu’à -70 °C, qui comporte deux circuits de refroidissement dédiés. Le premier de ces circuits, appelé circuit primaire, est le circuit à haute température ; le second circuit est appelé circuit secondaire ou circuit à basse température. Comme indiqué précédemment, les deux circuits sont indépendants l’un de l’autre.

Dans ce système à deux circuits, le circuit primaire est chargé de refroidir le circuit secondaire, exactement comme dans le cas des fluides frigorigènes. Ces systèmes sont donc particulièrement utiles dans un circuit où une grande fiabilité est requise en termes de température.

On peut dire qu’il existe deux variantes du cycle de réfrigération à compression de vapeur de base. La première est appelée cycle en cascade, où le cycle de compression de vapeur peut être utilisé si la différence de température entre le condenseur et l’évaporateur est trop élevée. À ce stade, on utilise un système de réfrigération qui absorbe la chaleur du condenseur pendant le processus d’évaporation, ainsi que la chaleur de la compression de la vapeur du fluide frigorigène lorsqu’elle passe par le compresseur.

Le premier cycle diminue donc la température de condensation, ce qui crée une chute de pression ultérieure. Cette méthode est plus efficace que les processus d’extraction de chaleur par convection. En effet, dans un environnement qui absorbe la chaleur, la température d’un dispositif de condensation est inférieure à celle de l’air qui y circule.

La chaleur du condenseur est donc absorbée par l’évaporateur du deuxième système de réfrigération. Les fluides frigorigènes varient généralement en fonction du type de circuit, et le but de cette variation est précisément d’ajuster les paramètres de température et de pression.

Voici comment fonctionne un système de refroidissement en cascade

Dans un système de refroidissement en cascade, on peut distinguer deux étages principaux. Au niveau du premier étage (étage supérieur), le circuit assure la fonction de refroidissement. De cette manière, le fluide frigorigène est évacué par le compresseur à une pression et une température élevées et pénètre dans le condenseur. Celui-ci est chargé de transférer l’énergie absorbée par le fluide frigorigène dans l’environnement, qui sera à nouveau libéré sous forme de liquide.

L’étape suivante doit comprendre le sous-refroidissement du fluide frigorigène. Le but de cette opération est de gagner en capacité tout en s’assurant que le liquide ne circule que dans une seule direction. Lorsque le fluide frigorigène entre en contact avec l’évaporateur à plaques, le fluide frigorigène du circuit basse température est refroidi. Le cycle évaporateur-condenseur est ainsi achevé et le fluide frigorigène à haute température absorbe la chaleur du fluide frigorigène à basse pression.

On peut ensuite distinguer un deuxième étage. Ce dernier est souvent appelé étage inférieur et correspond à l’expulsion du fluide frigorigène du compresseur à une pression et une température élevées. Dans ce cas, le condenseur agit comme un échangeur de chaleur à plaques et le système commence à fonctionner à des pressions élevées ; il est ensuite soit refroidi, soit converti de vapeur en liquide par l’évaporateur de l’étage supérieur. Lorsque le fluide frigorigène est sous-refroidi, il entre dans l’évaporateur, où il sera introduit à des températures ultra-basses.

Avantages d’un système en cascade

Un système en cascade offre des avantages spécifiques par rapport aux autres méthodes de refroidissement. Lorsqu’un système en cascade est utilisé, le taux de compression de chaque système diminue. Le rendement volumétrique augmente donc à chaque étage et, par voie de conséquence, l’ensemble du système devient beaucoup plus efficace. Parallèlement, il convient de noter qu’un système de refroidissement en cascade nécessite également une cylindrée de compresseur moindre.

En outre, la température de refoulement dans le système en cascade est plus basse que dans un système à un seul étage ; cet effet est avantageux pour la lubrification et la température de l’huile. Enfin, il convient de noter que les fluides frigorigènes à haute pression sont également utilisés dans un système de réfrigération en cascade. Ce type de fluide frigorigène permet à la pression d’aspiration d’atteindre des valeurs positives. Cela signifie que ce type de système n’a pas besoin de fonctionner sous vide, même dans les cas où la température d’aspiration saturée est très basse.

Précautions d’emploi dans un système en cascade

Un certain nombre de précautions doivent être prises lors de l’utilisation d’un système en cascade. Tout d’abord, il faut garder à l’esprit qu’il s’agit d’un système qui présente certaines limites d’application et qu’il est donc important de surveiller l’état de lubrification du système. Il est également nécessaire de vérifier qu’aucun liquide n’est aspiré dans le système.

Dans le cas des systèmes à basse température, il faut veiller à ce que la température du gaz aspiré ne descende pas en dessous de -60 °C. Ceci est important pour ne pas endommager le compresseur en fonte. Il est également conseillé de surveiller la température de l’huile, afin qu’elle ait un niveau de viscosité correct, ce qui lui permettra de fonctionner correctement et d’éviter que l’huile ne reflue. En ce qui concerne l’huile, il faut également prévoir un séparateur d’huile efficace et bien dimensionné. Il convient de noter que si elle ne revient pas, il est très probable que des cycles de dégivrage seront nécessaires pour augmenter la pression d’aspiration et le débit massique. C’est ainsi que l’on diminue la viscosité de l’huile, en augmentant sa température et en la faisant retourner au compresseur.

Pour ce qui est de la température du gaz aspiré qui se déplace en direction du compresseur, elle doit être élevée. Dans certains cas, il est possible d’essayer d’autres gaz de compresseur, notamment le butane, pour refroidir l’huile. Toutefois, cette opération doit toujours être effectuée en appliquant seulement quelques grammes de gaz frigorigène.

Enfin, en ce qui concerne les précautions à prendre dans les systèmes de refroidissement en cascade, il convient de mentionner la tuyauterie et son isolation. En raison de leur fonctionnement à très basse température, il est essentiel que l’isolation de ces composants et de toutes les parties exposées garantisse une température inférieure au point de rosée. Ceci est particulièrement important dans les régions où la température est inférieure à 0 °C. Cela permet d’éviter la condensation et le gel de l’humidité présente dans l’air.