Refroidissement d’huile par thermosiphon : principe et dimensionnement

Un thermosiphon refroidit l’huile d’un compresseur à vis sans pompe ni ventilateur : la seule force motrice est une hauteur de liquide, et toute la méthode consiste à la calculer juste. Voici le principe, la méthode de dimensionnement avec un exemple chiffré, et les erreurs qui empêchent un thermosiphon de fonctionner.

Pourquoi refroidir l’huile d’une vis en basse température

Sur un compresseur à vis, l’huile est injectée dans la compression : elle étanche les lobes, lubrifie les paliers et absorbe une grande partie de la chaleur de compression. À −40 °C d’évaporation et +40 à +45 °C de condensation, le taux de compression est élevé et la température de refoulement monte vite.

Sans refroidissement, l’huile perd sa viscosité, les paliers souffrent et le compresseur se met en sécurité. Il faut donc évacuer en continu une charge thermique de l’ordre de 8 à 15 kW par compresseur dans les exemples ci-dessous.

Trois solutions existent :

Solution	Principe	Contrepartie
Injection de liquide	Du liquide est injecté dans la vis pour limiter la température de refoulement	Le fluide injecté est recomprimé : perte de puissance frigorifique et de rendement
Refroidisseur à air ou à eau	Échangeur huile/air ou huile/eau dédié	Ventilateur ou circuit d’eau à alimenter et entretenir
Thermosiphon	Le fluide frigorigène liquide du réservoir s’évapore dans un échangeur à plaques ; la vapeur retourne au condenseur	Exige une hauteur de liquide et un tracé de tuyauterie rigoureux

Le thermosiphon rejette la chaleur de l’huile au condenseur, à la température de condensation, sans pénaliser la puissance frigorifique. C’est la solution que nous privilégions sur les centrales à vis basse température.

Principe du thermosiphon

Le circuit fonctionne par simple différence de masse volumique entre une colonne de liquide et une colonne de mélange liquide/vapeur.

1. Le liquide condensé remplit un réservoir prioritaire placé au-dessus du refroidisseur d’huile.
2. Il descend par gravité vers un échangeur à plaques (refroidisseur d’huile) situé au point bas.
3. Au contact de l’huile chaude, une partie du liquide s’évapore.
4. Le mélange liquide/vapeur, plus léger, remonte vers le réservoir ou le condenseur.
5. La vapeur est recondensée avec le gaz de refoulement des compresseurs, et le cycle recommence.

Le réservoir est dit prioritaire parce que le refroidisseur d’huile y puise en premier : seul le trop-plein part vers le réservoir principal et les évaporateurs. L’huile ne manque donc jamais de refroidissement, même en cas de manque de charge.

Côté huile, une vanne trois voies thermostatique by-passe l’échangeur tant que l’huile est froide, pour éviter de la sur-refroidir au démarrage ou en hiver.

Toute la difficulté est là : la seule force motrice est la hauteur de liquide H. Si elle ne compense pas toutes les pertes de charge du circuit, la circulation s’arrête et l’huile chauffe.

Méthode de dimensionnement en 5 étapes

Le calcul est itératif : on estime les pertes de charge, on en déduit la hauteur, puis on vérifie avec les diamètres réellement choisis.

1. Charge thermique d’huile. Elle est donnée par le logiciel du constructeur du compresseur, au point de fonctionnement le plus défavorable (température de refoulement maximale).

2. Débit massique de fluide vers le refroidisseur d’huile. Les enthalpies sont prises à la pression haute (température de condensation).

ṁ_OC = Q_huile / (h_rosée − h_bulle)

3. Débits volumiques, avec un taux de circulation de 1,5 (50 % de liquide en excès ; jusqu’à 4 en NH₃).

V_liq = 1,5 × ṁ_OC × v_liq
V_retour = ṁ_OC × v_vap + 0,5 × ṁ_OC × v_liq

4. Choix des diamètres pour rester dans les vitesses de référence : 0,3 à 0,8 m/s sur la ligne liquide, quelques m/s sur le retour vapeur (voir le tableau plus bas).

5. Hauteur de liquide minimale H, avec un coefficient de sécurité de 1,1 à 1,25 sur la somme des pertes de charge (ligne liquide, échangeur, retour vapeur, et condenseur quand il est dans la boucle).

H ≥ (1,1 à 1,25) × ΣΔp / (ρ_liq × g)

On recalcule ensuite les pertes de charge réelles avec les diamètres, coudes et vannes retenus. Si la hauteur disponible ne suffit plus, on augmente les diamètres ou on remonte le réservoir, et on recommence.

Exemple chiffré : 3 vis en R404A, −35 / +45 °C

Pour 23,7 kW d’huile à évacuer, il faut 758 kg/h de fluide au refroidisseur d’huile et environ 2,7 m de hauteur de liquide. L’exemple suit la méthode de calcul publiée par BITZER pour le cycle thermosiphon standard.

Données : 3 compresseurs à vis avec économiseur, évaporation −35 °C, condensation +45 °C, R404A, charge d’huile totale 23,7 kW (température de refoulement 80 °C).

Propriétés à +45 °C : masse volumique du liquide 935 kg/m³, volume massique de la vapeur 0,00851 m³/kg, Δh = 381,10 − 268,51 = 112,59 kJ/kg.

Étape	Calcul	Résultat
Débit massique	23,7 × 3600 / 112,59	758 kg/h
Liquide vers l’échangeur (taux 1,5)	758 × 0,00107 × 1,5	1,22 m³/h
Retour vapeur + liquide	6,45 + 0,41	6,86 m³/h
Ligne liquide 28 mm (ø int. 25)	1,22 m³/h	0,69 m/s
Retour 28 mm (ø int. 25)	6,86 m³/h	3,9 m/s
Circuit 1 réservoir / échangeur : ΣΔp	15 + 5 kPa	20 kPa
Hauteur H1	1,25 × 20 000 / (935 × 9,81)	2,7 m
Circuit 2 condenseur / réservoir : ΣΔp	20 + 5 kPa	25 kPa
Hauteur H2	1,25 × 25 000 / (935 × 9,81)	3,4 m

Le calcul se lit en deux circuits : H1 entre le réservoir et l’échangeur, H2 entre le condenseur et le réservoir. Le document BITZER arrondit H2 à 3,3 m ; le calcul exact donne 3,41 m, que nous arrondissons à 3,4 m. Dans un second exemple BITZER (2 vis en R22, −40 / +40 °C, 29,7 kW d’huile, réservoir prioritaire), le circuit unique cumule 35 kPa de pertes de charge et demande 3,95 m de hauteur.

Valeurs de référence

Ces ordres de grandeur servent à démarrer le calcul ; ils restent à confirmer projet par projet.

Critère	NH3	R22	R404A / R507A
Vitesse ligne liquide vers l’échangeur, pleine charge (m/s)	0,3 à 0,8	0,3 à 0,8	0,3 à 0,8
Vitesse retour vapeur, pleine charge (m/s)	5 à 10	4 à 8	3 à 6
Réserve de liquide au réservoir (litres par kW d’huile)	0,3	0,9	1,4
Taux de circulation dans l’échangeur	1,5 à 4	1,5	1,5
Coefficient de sécurité sur ΣΔp	1,1 à 1,25	1,1 à 1,25	1,1 à 1,25

Source : documents de calcul BITZER « Thermosyphon Oil Cooling », valeurs données à titre indicatif par le constructeur.

Notre application terrain : vis 44,2 kW à −43 °C

Sur une installation récente, nous avons appliqué cette méthode à un compresseur à vis BITZER HSN7471-75-40P de 44,2 kW frigorifiques à −43 °C d’évaporation, avec condenseur à air.

Les choix clés du schéma :

• Réservoir prioritaire dédié de ø 350 × 1 000 mm, entre le condenseur et le réservoir haute pression, avec un niveau de liquide minimal de 20 %.
• Au moins 2 m de hauteur entre le réservoir prioritaire et le refroidisseur d’huile à plaques, alimenté en DN 40 (1 1/2″) ; retour du mélange liquide/vapeur en DN 50 (2″).
• Au moins 1,5 m entre la sortie du condenseur et le réservoir prioritaire, et 1,5 m sur la remontée de vapeur vers le condenseur.
• Col de cygne sur le refoulement du compresseur (DN 25) avant l’entrée du condenseur, pour éviter que le liquide ne redescende vers le compresseur.
• Trop-plein en DN 40 vers le réservoir haute pression : le refroidisseur d’huile est toujours servi en premier.
• Refroidisseur d’huile à plaques Danfoss D62L-H80 (code 021H0865) : 31,73 kW de refroidissement d’huile selon la sélection Danfoss en R404A, avec le fluide entrant à +36 °C et l’huile refroidie de 85 à 55 °C.

Le schéma de principe ci-dessous reprend ces cotes.

Erreurs fréquentes

La plupart des thermosiphons qui « ne marchent pas » ont une hauteur insuffisante ou un retour vapeur mal tracé.

• Hauteur calculée sans coefficient de sécurité. Sans marge, la moindre perte de charge oubliée (un coude, une vanne) arrête la circulation. Le coefficient 1,1 à 1,25 n’est pas une option.
• Pertes de charge de l’échangeur oubliées. L’échangeur à plaques doit être sélectionné pour une faible perte de charge côté fluide frigorigène (de l’ordre de 0,1 bar).
• Retour vapeur avec points bas. Le mélange doit monter en continu ; une poche de liquide sur un tronçon horizontal ajoute une contre-pression.
• Retour raccordé au mauvais endroit. Il doit rejoindre le haut du réservoir ou l’entrée du condenseur, jamais un point où la pression est plus élevée.
• Pas de réserve de liquide. Sans réservoir prioritaire, l’échangeur d’huile se désamorce dès que la charge du réseau baisse.
• Pas de vanne thermostatique côté huile. L’huile est sur-refroidie au démarrage ou en hiver, et sa viscosité devient trop élevée.
• Calcul fait une seule fois. Les diamètres définitifs, coudes et vannes changent les pertes de charge : il faut boucler le calcul.

En résumé

Un thermosiphon bien dimensionné refroidit l’huile d’une vis basse température sans pompe, sans ventilateur et sans perte de puissance frigorifique. Tout repose sur une hauteur de liquide calculée avec marge, un réservoir prioritaire et un retour vapeur qui monte en continu.

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