Dans un système de réfrigération, les gaz non condensables sont des gaz qui ne se transforment pas en liquide en fonctionnement normal. Ils s’accumulent dans le condenseur et peuvent entraîner cinq problèmes courants : une pression de refoulement élevée, une consommation d’énergie accrue, une sollicitation excessive du compresseur, des dommages liés à l’huile, l’encrassement du condenseur et une température instable du produit. Ces problèmes revêtent une importance particulière dans les systèmes de réfrigération industrielle et de congélation alimentaire, où un refroidissement stable influe à la fois sur la durée de vie des équipements et sur la qualité des produits.
S'appuyant sur une expérience en maintenance de la réfrigération industrielle et en entretien des systèmes à l'ammoniac, ce guide explique d'où proviennent les gaz non condensables, comment ils affectent les performances du système, comment les techniciens peuvent les détecter, et comment une évacuation adéquate et une purge automatique permettent de les éliminer.
Que sont les gaz non condensables, et d'où proviennent-ils ?
Les gaz non condensables sont des gaz qui restent en permanence à l'état de vapeur à l'intérieur d'un système de réfrigération. Ils ne se transforment jamais en liquide. Parmi les exemples courants, on peut citer l’air, l’azote, l’hydrogène, l’oxygène et les vapeurs d’hydrocarbures.
Les NCG sont intégrés dans les systèmes via trois sources principales. La liste ci-dessous décrit chacune d'entre elles :
- Évacuation incomplète : De l’air reste emprisonné dans le système si la mise sous vide n’est pas suffisamment profonde lors de l’installation ou après des travaux d’entretien.
- Fuites côté basse pression : Les systèmes fonctionnant à une pression inférieure à la pression atmosphérique aspirent de l’air par les joints d’étanchéité usés des tiges de soupapes, les joints d’étanchéité des arbres de compresseurs et les raccords filetés.
- Décomposition interne : L'ammoniac se décompose avec le temps en hydrogène et en azote. L'huile lubrifiante se décompose sous l'effet d'une chaleur intense et libère des gaz hydrocarbures. Ces deux types de gaz s'accumulent sous forme de NCG, même dans un système entièrement hermétique.
Selon l’IIAR (2023), une accumulation de NCG due à la dégradation de l’ammoniac et de l’huile se produira dans tout système à l’ammoniac fonctionnant en continu. Les NCG ne sont pas à confondre avec l’humidité ou le fractionnement du fluide frigorigène. L’humidité gèle à l’intérieur du système. Le fractionnement ne s’applique qu’aux fluides frigorigènes mélangés. Les NCG restent à l’état gazeux en permanence ; ils s’accumulent donc dans le condenseur et y restent.
Pourquoi la pression de refoulement (de condensation) dépasse-t-elle les niveaux normaux de saturation ?
Les NCG s'accumulent dans le condenseur et occupent de l'espace sur la surface d'échange thermique. Ne pouvant pas se condenser, ils bloquent la zone dont le fluide frigorigène a besoin pour évacuer la chaleur. Le système réagit en augmentant la pression de condensation.
Le principe physique sous-jacent est simple. La pression totale au condenseur est égale à la pression de saturation du fluide frigorigène plus la pression de tous les gaz non condensables (NCG) présents. Ainsi, lorsque des NCG sont présents dans le système, la pression de refoulement mesurée est toujours supérieure à celle indiquée par le diagramme pression-température pour la température ambiante actuelle.
Les coûts énergétiques s’accumulent rapidement. Selon l’IIAR (2023), chaque augmentation de 4 livres (1,8 kg) de la pression de refoulement due aux NCG augmente la consommation d’énergie du compresseur de 2 % et réduit son rendement de 1 %. Sur un grand système à l’ammoniac fonctionnant toute l’année, cette perte ne cesse de s’accroître. Un signe évident de la présence de NCG est un écart de condensation élevé, c'est-à-dire la différence entre la température de condensation et la température de l'air extérieur. Lorsque cet écart est trop important et que le serpentin est propre, les NCG en sont probablement la cause.
Que se passe-t-il au niveau du compresseur lorsque la pression de refoulement reste élevée ?
Une pression de refoulement élevée oblige le compresseur à fonctionner à un taux de compression supérieur à celui pour lequel il a été conçu. Cela augmente la température de refoulement et exerce une contrainte supplémentaire sur les pièces internes.
Trois façons dont une pression élevée endommage le compresseur
Une température de refoulement trop élevée endommage le compresseur en raison de trois problèmes liés :
- Décomposition du film d'huile : Une huile plus chaude devient plus fluide. Un film d’huile plus fluide offre une protection moindre entre les pièces métalliques en mouvement, ce qui accélère l’usure des roulements, des pistons et des plaques de soupapes.
- Contrainte sur les vannes : Les cycles de compression à haute température soumettent les pièces des vannes à des contraintes répétées. Elles s'usent avant la fin de leur durée de vie prévue.
- Risque de coup de liquide : L'accumulation de NCG perturbe l'équilibre de pression dans le système. Cela augmente le risque que du fluide frigorigène liquide pénètre dans le cylindre du compresseur. Or, un cylindre ne peut pas comprimer un liquide. Cela peut entraîner la déformation des bielles, la fissuration des plaques de soupapes ou une panne mécanique totale.
Dans les systèmes à compresseurs multiples — courants dans les installations de surgélateurs à spirale IQF —, les NCG ne se répartissent pas uniformément entre toutes les unités. Cela entraîne une usure inégale et peut provoquer la défaillance d’un compresseur plus tôt que les autres, à nombre d’heures de fonctionnement égal.
En quoi une température de refoulement élevée modifie-t-elle la composition chimique de l'huile frigorifique ?
Des températures de refoulement élevées provoquent une réaction chimique entre l’oxygène, l’humidité et l’huile de réfrigération. Cette réaction entraîne la formation d’acides organiques à l’intérieur du compresseur et du circuit frigorifique.
Les trois parties du système attaquées par l'acide
Le tableau ci-dessous indique les composants ciblés par les acides organiques et les défaillances que chacun d'entre eux entraîne :
| Composant | Quel est le rôle de l'acide ? | Défaillance résultante |
| Enroulements de moteur | Décomposition de l'isolation électrique | Court-circuit dans l'enroulement |
| Tuyauterie métallique | Provoque de la rouille interne et des piqûres | Nouveaux points de fuite de fluide frigorigène |
| Joints et garnitures | Décompose le matériau du joint | De nouvelles voies d’entrée d’air |
La dégradation de l’huile entraîne également la formation de boues. Ces boues s’accumulent sur les surfaces des échangeurs de chaleur et obstruent les conduites de retour d’huile. Le compresseur reçoit alors moins d’huile, ce qui accélère son usure. Les dommages apparaissent souvent plusieurs semaines, voire plusieurs mois, après l’apparition du problème de NCG. Il est donc difficile d’en déterminer la cause réelle sans procéder à des vérifications minutieuses. Le test de l’indice d’acide (AN) de l’huile permet de détecter le problème à un stade précoce. Un indice d’acide supérieur à 0,05 mg de KOH/g indique la présence d’une contamination. En associant ce résultat à un calendrier plus large d'entretien du système de congélation, on peut de détecter les dommages liés aux NCG avant qu'ils ne deviennent coûteux.
Quels dommages à long terme s'accumulent sur les tubes des condenseurs évaporatifs ?
Les températures de refoulement élevées causées par les NCG accélèrent l’accumulation de tartre minéral sur les tubes des condenseurs évaporatifs. Les NCG et le tartre s’aggravent mutuellement au fil du temps : les NCG réduisent le rendement du condenseur, ce qui augmente la température de refoulement, ce qui entraîne une accumulation accrue de tartre, ce qui réduit encore davantage le rendement.
Le tartre s'accumule à la surface des tubes du condenseur et agit comme un isolant thermique. Selon les données de l’ASHRAE sur la résistance à l’encrassement, même une fine couche de tartre minéral réduit considérablement l’efficacité du transfert thermique. Cela entraîne une augmentation de la pression de condensation, ce qui aggrave le problème déjà causé par les NCG. Cela fait grimper encore davantage la pression de condensation, ce qui aggrave le problème de pression de refoulement déjà causé par les NCG. Deux signes évidents indiquent que l’encrassement des tubes du condenseur a commencé :
- L’écart de température d’approche du condenseur dépasse la valeur prévue à la conception
- La perte de charge côté eau au niveau du condenseur augmente à mesure que le tartre rétrécit l'ouverture des tubes
Le tartre nécessite un nettoyage chimique pour être éliminé. Lorsqu’une contamination par le NCG est confirmée, il convient d’avancer les dates prévues pour l’inspection et le nettoyage du condenseur afin d’empêcher toute nouvelle perte de performance.
Comment une pression de condensation instable affecte-t-elle la température des produits dans les systèmes IQF ?
Une pression de condensation instable due aux NCG entraîne des fluctuations de la température d’évaporation. Dans les circuits des congélateurs à spirale IQF, une température d’évaporation stable est nécessaire pour congeler chaque pièce à une température à cœur homogène.
Le tableau ci-dessous montre comment les variations de température d'évaporation affectent la qualité des aliments :
| Variation de température d'évaporation | Impact sur la température à cœur du produit | Résultat de la qualité alimentaire |
| ±0,5 °C | Très petit | Dans les limites des tolérances normales du processus |
| ±1,0 °C | La température des produits varie de 1 à 2 °C | À la limite pour les produits sensibles |
| ±2,0 °C | La température des produits varie de 3 à 4 °C | Dommages causés par les cristaux de glace ; risque de non-respect des spécifications de processus |
| >±2,0 °C | Congélation inégale sur la bande transporteuse | Qualité des produits et risques liés à la sécurité alimentaire |
Lorsque la congélation est inégale, des cristaux de glace plus gros se forment à l’intérieur du produit. Ces cristaux brisent les membranes cellulaires des produits de la mer et de la viande. Cela augmente les pertes par égouttement après décongélation. Pour la transformation des crevettes, poissons et viandes IQF, des pertes par égouttement plus importantes se traduisent par un poids de produit réduit et un chiffre d’affaires par kilogramme plus faible. Le simple ajustement des points de consigne de température ne suffit pas à résoudre ce problème. Il faut d’abord éliminer les NCG du système.
Comment détecter ces problèmes avant qu'ils ne provoquent une panne des équipements ?
Le test standard pour détecter la présence de NCG consiste à comparer la pression mesurée au niveau du condenseur à la pression de saturation du fluide frigorigène à la température extérieure actuelle. Une valeur supérieure à celle indiquée dans le tableau pression-température signifie que des NCG sont présents.
Le test sur le terrain en cinq étapes est présenté ci-dessous :
- Arrêtez le compresseur. Laissez le ventilateur du condenseur en marche.
- Attendez que les températures de la conduite de refoulement, de la conduite de liquide et de l'air extérieur s'équilibrent.
- Notez la pression du condenseur une fois que les trois valeurs de température sont identiques.
- Recherchez la pression de saturation du fluide frigorigène à cette température sur un diagramme P-T.
- Toute pression supplémentaire supérieure à cette valeur est due aux NCG.
Trois autres problèmes produisent des symptômes similaires et doivent être écartés en premier lieu. Un serpentin de condenseur encrassé augmente à lui seul la pression de refoulement : nettoyez-le et refaites un test. Un faible débit d’air au niveau du condenseur produit le même écart élevé entre la température de condensation et la température de l’air extérieur. Une surcharge de fluide frigorigène augmente également la pression de refoulement. Vérifiez le poids de la charge par rapport aux spécifications de conception avant de conclure que les NCG en sont la cause. Pour les systèmes à ammoniac, une surchauffe de refoulement nettement supérieure aux spécifications de conception est un signe secondaire qui mérite d’être examiné. Consultez la documentation de conception du système pour connaître la plage de surchauffe prévue.
Quelle est la procédure correcte pour purger définitivement les gaz non condensables ?
Les purgeurs automatiques multipoints constituent l’outil idéal pour éliminer les gaz non condensables (NCG) des systèmes industriels à l’ammoniac. Ils fonctionnent en continu, extraient les NCG des points de pression les plus élevés du condenseur et rejettent bien moins de fluide frigorigène par cycle que les méthodes manuelles.
Le tableau ci-dessous compare la purge manuelle et la purge automatique dans quatre domaines clés :
| Critères | Purge manuelle | Purgeur automatique multipoint |
| Quantité de fluide frigorigène rejetée par purge | Haut | Faible |
| Exposition des opérateurs à l’ammoniac | Présent à chaque purge | Très faible |
| Tenue des registres de conformité | Incohérence | Journal continu |
| Main-d'œuvre requise | Haut | Faible |
Les nouveaux systèmes doivent être mis sous vide jusqu'à 500 microns (0,5 Torr) ou moins avant la première charge de réfrigérant. Cela permet d'éliminer l'air et l'humidité avant la mise en service. Seul un vacuomètre à microns — et non un vacuomètre composite — permet de vérifier ce niveau de vide. Lorsqu’un système est ouvert pour entretien, une nouvelle évacuation complète est nécessaire avant toute recharge. Les étapes ci-dessous permettent d’éviter l’accumulation de NCG :
- Abaissez la pression jusqu’à 500 microns et vérifiez-la à l’aide d’un vacuomètre à microns étalonné avant la charge.
- Ouvrez les électrovannes pendant la mise sous vide afin d’évacuer l’air emprisonné entre les composants.
- Vérifiez les garnitures de tige de vanne, les joints d'étanchéité d'arbre et les raccords filetés à chaque intervention d'entretien.
- Équipez tout système à l'ammoniac fonctionnant en continu d'un purgeur automatique multipoint.
Foire aux questions
Quels gaz sont considérés comme non condensables dans un système de réfrigération ?
Les gaz non condensables comprennent les composants de l'air (azote, oxygène, argon), l'hydrogène issu de la décomposition de l'ammoniac et les vapeurs d'hydrocarbures issues de la décomposition de l'huile. Tous ces gaz restent à l'état gazeux dans des conditions normales de fonctionnement des systèmes de réfrigération et ne se condensent pas.
Comment les techniciens vérifient-ils les NCG sans récupérer la charge de fluide frigorigène ?
Les techniciens arrêtent le compresseur, laissent le condenseur refroidir jusqu’à la température de l’air extérieur, puis relèvent la pression du condenseur. Ils comparent cette valeur à celle indiquée sur le diagramme P-T du fluide frigorigène à la même température. Toute pression supérieure à la valeur indiquée sur le diagramme indique la présence de NCG.
Des gaz non condensables peuvent-ils s'accumuler à l'intérieur d'un système à l'ammoniac étanche ne présentant aucune fuite ?
Oui. L’ammoniac se décompose avec le temps et libère de l’hydrogène et de l’azote. L’huile de lubrification se décompose sous l’effet de la chaleur et libère des gaz hydrocarbures. Selon l’IIAR (2023), ces deux substances s’accumulent sous forme de gaz non condensables (NCG), même lorsque le système ne présente aucune fuite.
Quel niveau de vide est requis avant de charger un système à l'ammoniac ?
Le système doit atteindre 500 microns (0,5 Torr) ou moins avant l'ajout de réfrigérant. Un manomètre combiné ne permet pas de mesurer ce niveau. Seul un manomètre à microns fournit une mesure précise à cette pression.
À quelle fréquence faut-il vérifier un purgeur automatique ?
Les purgeurs automatiques doivent être vérifiés à chaque intervention de maintenance programmée. L'examen du journal de fréquence des purges permet de repérer les tendances. Une augmentation de la fréquence des purges indique l'apparition de nouvelles sources de NCG — généralement une fuite croissante côté basse pression ou une dégradation plus rapide de l'huile.
Quelle est la différence entre les gaz non condensables et la contamination par l'humidité ?
L'humidité se condense et gèle, obstruant les détendeurs et les dispositifs de dosage. Les NCG restent sous forme de vapeur et s'accumulent dans le condenseur. Ces deux phénomènes nuisent aux performances du système, mais les solutions sont différentes. L'humidité est éliminée à l'aide de filtres déshydrateurs. Les NCG sont éliminés par purge.
