Le fluide frigorigène est essentiel pour les propriétés de refroidissement d’un système frigorifique sachant que l’huile de réfrigération est cruciale pour le bon fonctionnement du compresseur. Les lubrifiants pour compresseurs frigorifiques réduisent les frottements, préviennent l’usure et assurent l’étanchéité entre les côtés haute et basse pression. Mais comment choisir la meilleure huile frigorifique ?
Bien que la principale fonction de l’huile frigorifique soit toujours la lubrification, elle devrait également être capable de résister à des écarts de température extrêmes et être compatible avec le fluide frigorigène.
Comment fonctionne un système de réfrigération ?
Le cycle de réfrigération le plus courant est réalisé par circulation, évaporation et condensation du réfrigérant dans un système fermé. L’évaporation se produit à basse température et à basse pression tandis que la condensation se produit à haute température et à haute pression. Cela permet de transférer la chaleur d’une zone de basse température à une zone de haute température. La figure 1 donne un aperçu de ce cycle de réfrigération.
- La vapeur chaude comprimée entre dans le condenseur où elle est refroidie et condensée en un liquide, de la chaleur est générée.
- Le frigorigène pénètre dans le compresseur en phase vapeur et est comprimé à une pression plus élevée, entraînant une température plus élevée.
- Le mélange froid entre dans l’évaporateur. La partie liquide du mélange réfrigérant froid est évaporée.
- Le fluide frigorigène liquide condensé circule à travers un détendeur où la pression est réduite. La réduction de la pression entraîne l’évaporation d’une partie du fluide frigorigène liquide. Cela permet d’abaisser la température du mélange de frigorigène liquide et gazeux.
Quels sont les fluides frigorigènes utilisés dans les installations frigorifiques ?
- CFC (Chloro-Fluoro-Carbone) : ces frigorigènes sont les plus nocifs pour la couche d’ozone. Exemples : R11, R12, R13, R13b1, R14, R113, R114 et R115.
- HCFC (Hydro-Chloro-Fluoro-Carbone) : ces frigorigènes sont légèrement nocifs pour la couche d’ozone. Exemples : R21, R22 et R123.
- HFC (Hydro-Fluoro-Carbone) : ces frigorigènes ne sont pas nocifs pour la couche d’ozone. L’huile minérale, le PAO ou les alkylbenzènes ne sont pas compatibles avec les HFC. Exemples : R134a (utilisé dans les systèmes de climatisation de voitures) et R152a.
- Ammoniac (R717 (NH3)) : Bien que l’ammoniac soit respectueux de l’environnement, l’ammoniac pur est un gaz très toxique pour l’homme. L’ammoniac est largement utilisé dans les grandes installations frigorifiques industrielles.
Des mélanges de frigorigènes CFC, HCFC et HFC sont également disponibles sur le marché. Des exemples de tels mélanges sont : R500 (=R12/R152a), R501 (=R22/R12) et R502 (R22/R115).
Comment choisir le frigorigène approprié ?
Les propriétés les plus importantes des fluides frigorigènes sont :
- le point d’ébullition
- la chaleur nécessaire pour vaporiser le liquide
- les densités en phase liquide et en phase vapeur
Le choix du frigorigène approprié dépend principalement de l’adéquation de sa relation pression-température dans le domaine d’application concerné. Les températures du frigorigène dans l’évaporateur et le condenseur sont les températures des sections froide et chaude. Cela détermine les pressions de service dans l’évaporateur et le condenseur.
Exigences en matière d'huiles frigorifiques
Le choix de l’huile frigorifique appropriée dépend de plusieurs exigences.
1. Stabilité thermique
Les huiles frigorifiques doivent fonctionner correctement sur une large plage de températures. Les températures de fin de compression dans les compresseurs frigorifiques peuvent atteindre des pointes de température jusqu’à 180 ºC. L’huile frigorifique doit donc être thermiquement stable. Si l’huile contient des fractions d’huile volatiles, les extrémités les plus légères pénètrent dans le compresseur sous forme de vapeur où elles se condensent et réduisent l’efficacité du transfert thermique, mais augmentent également la viscosité de l’huile.
2. Stabilité chimique
Les huiles frigorifiques doivent être chimiquement stables pour éviter toute réaction avec le frigorigène.
3. Solubilité dans le frigorigène/l’huile
Les mélanges frigorigène/huile peuvent être (partiellement) solubles ou insolubles. Une solubilité complète facilite la lubrification, mais elle peut occasionner des baisses de viscosité importantes dans le compresseur, ce qui augmente la friction et l’usure. Le tableau 1 donne un aperçu des différents frigorigènes disponibles sur le marché et de leurs propriétés de solubilité en combinaison avec une huile minérale (Q8 Stravinsky N).
| Complètement soluble | Solubilité
élevée |
Solubilité moyenne | Faible
solubilité |
Non
soluble |
| R11
R12 R21 R113 R500 |
R13b1
R501 |
R22
R114
|
R13
R14 R115 R152a R502 |
NH3
CO2 |
Tableau 1 : Solubilité des frigorigènes dans l’huile minérale (Q8 Stravinsky N)
Pour fonctionner correctement, le mélange huile/frigorigène doit avoir une viscosité suffisamment élevée pour assurer une étanchéité et une lubrification satisfaisantes du compresseur.
Comment lire un diagramme de viscosité-température ?
La figure 2 montre le diagramme de viscosité-température de différents mélanges de Q8 Stravinsky 68 et R22. La figure montre que la viscosité peut diminuer considérablement, même à de faibles niveaux de frigorigène dans le mélange. Une viscosité trop faible entraîne une augmentation du frottement et de l’usure. Les additifs anti-usure ne sont généralement pas utilisés dans les huiles de réfrigération, car il existe un risque de réaction entre les additifs et le frigorigène.
Comment lire un diagramme de solubilité ?
La solubilité de Q8 Stravinsky 68 et R22 dépend de la température et de la concentration d’huile. Cela signifie que Q8 Stravinsky 68 et R22 ne se mélangent pas sur toute la plage de pression et de température. Lorsqu’un mélange frigorigène/huile entièrement dissous est refroidi, un point sera atteint lorsque le mélange entièrement dissous se séparera en deux phases liquides. C’est ce que montre le diagramme de solubilité (figure 3). À des températures supérieures à un point donné de la ligne, les deux substances sont solubles, sous la ligne, il y a séparation.
4. Tension de vapeur
Lorsqu’un liquide bout, la chaleur ajoutée est utilisée pour augmenter l’énergie cinétique des molécules jusqu’à ce qu’elles ne puissent plus rester dans la phase liquide et se déplacer pour former une vapeur (ou un gaz). Cela se produit à une certaine pression, mais si la pression augmente, la température d’ébullition augmente également.
La relation entre la pression et la température d’ébullition pour les conditions saturées (liquide et vapeur) est définie par le diagramme de pression de vapeur.
Comment lire une courbe de pression de vapeur ?
La figure 4 montre le diagramme de pression-température pour différents mélanges saturés de Q8 Stravinsky 68 et R22. La phase liquide se trouve à gauche de la courbe et la phase vapeur (gaz) à droite de la courbe. Le liquide peut être vaporisé en augmentant la température ou en diminuant la pression. Les courbes de pression de vapeur sont importantes, car elles définissent en partie les conditions du système de réfrigération prévu.
Vous pouvez utiliser les courbes de pression de vapeur ci-dessus pour déterminer quelle sera la pression pour un processus d’évaporation ou de condensation, qui est le principe de base du cycle vapeur-compression. Lorsqu’un liquide bout, il extrait la chaleur de son environnement. Si la vapeur ainsi produite est transportée à un nouvel endroit et comprimée à une pression plus élevée, elle peut être condensée à une température plus élevée correspondante, libérant ainsi sa chaleur de condensation dans le nouvel environnement.
Quels sont les types d’huiles utilisés pour les installations frigorifiques ?
- Alkylbenzènes (AB): ces huiles de réfrigération ont une bonne stabilité thermique et chimique. La miscibilité avec le frigorigène est élevée. Les alkylbenzènes sont complètement solubles avec les huiles minérales et le PAO, ce qui permet de produire des mélanges afin d’améliorer les propriétés lubrifiantes.
- Polyalphaoléfine (PAO): ces huiles de réfrigération ont une bonne stabilité chimique et thermique. Le PAO possède également d’excellentes caractéristiques de viscosité-température. La miscibilité avec le fluide frigorigène est faible, c’est pourquoi l’utilisation principale du PAO en réfrigération réside dans les applications où la miscibilité n’est pas un problème. Le PAO peut faire rétrécir les joints, ce qui peut être résolu en mélangeant le PAO avec l’AB.
- Ester à base de polyol (POE): cette huile de réfrigération est le lubrifiant synthétique le plus couramment utilisé avec les frigorigènes HFC, comme le R134a.
- Polyalkylène glycols (PAG): ces huiles de réfrigération ont un indice de viscosité et une stabilité thermique élevés. Cependant, le PAG est hygroscopique, ce qui signifie qu’il peut attirer l’eau. Le PAG est soluble avec l’ammoniac.
- Huile minérale: les huiles naphténiques ont un point d’écoulement bas, ce qui les rend plus appropriées à des températures plus basses.
Gamme d’huiles frigorifiques Q8Oils
Q8Oils dispose d’une gamme complète de produits. La gamme est basée sur les huiles naphténiques, les alkylbenzènes, les mélanges de PAO et d’alkylbenzènes et les esters à base de polyols synthétiques.
Conclusion : choisissez soigneusement votre huile de réfrigération
Le choix de l’huile frigorifique correcte dépend des spécifications du compresseur et du fluide frigorigène utilisé.
L’huile frigorifique doit être chimiquement et thermiquement stable et ne doit pas réagir avec le frigorigène. Il est également très important de savoir comment l’huile de réfrigération interagit avec le frigorigène (p. ex. propriétés de solubilité) et comment le mélange se comporte dans le compresseur. Des problèmes liés au lubrifiant peuvent survenir dans un compresseur frigorifique lorsque la viscosité du lubrifiant devient trop faible ou lorsqu’il n’y a pas d’huile.
