ATLAS DU FROID
Cool and Comfort 99 – novembre 2023
Les défis de la lubrification des compresseurs frigorifiques
Kurt Vannieuwenhuyze (Climalife)
L’huile est un élément essentiel d’une installation frigorifique. L’article ci-dessous explicite les fonctions les plus importantes de ce médium ainsi que les bonnes pratiques pour garantir un fonctionnement optimal du système et pour faire les bon choix.
Rôle du lubrifiant dans un système frigorifique
L’huile a plusieurs fonctions dans un système frigorifique. Elle lubrifie les pièces mobiles des compresseurs, telles que les pistons, les vis, les spirales, les ailettes, etc. Elle assure également l’étanchéité parce que les joints gonflent et dissipent la chaleur. Elle fait finalement office de fluide d’entraînement pour certains instruments de régulation des compresseurs à vis ou sert de liquide de refroidissement.
Quelles sont les propriétés essentielles de l’huile ?
- La lubrification, qui est liée à l’épaisseur du film d’huile.
- Sa solubilité avec le réfrigérant. La dissolution du fluide frigorigène dans l’huile provoque une diminution de viscosité ; cela se décline parfois par du moussage au démarrage, ce qui est indésirable. La solubilité doit donc être la plus faible possible.
- La miscibilité avec le réfrigérant à l’état liquide. L’huile est véhiculée mécaniquement dans le système, ne doit pas stagner dans le circuit tout en recirculant vers le compresseur. La miscibilité doit être la meilleure possible.
- La viscosité, dépendant des technologies et des températures du système. Celle-ci doit garantir la bonne épaisseur du film lubrifiant entre les pièces mobiles.
Malgré les séparateurs d’huile (à noter que les installations n’en sont pas toutes équipées), l’huile circule dans tout le système en ayant tendance à s’accumuler dans les zones les plus froides. Un dépôt est alors possible sur les parois des échangeurs (surtout les évaporateurs) et réduit leur efficacité. Si l’huile ne recircule pas correctement vers le compresseur, des dysfonctionnements peuvent s’ensuivre. Tels que des pannes de la pompe à huile ou le grippage du compresseur (tous les compresseurs n’ont pas de pompe à huile).
Compte tenu de ces critères, l’huile doit être choisie avec soin afin qu’elle soit la plus adaptée à l’installation.
Comment choisir la bonne huile ?
Le choix du lubrifiant est crucial pour le bon fonctionnement du système frigorifique. Il doit être choisi en fonction du type d’huile, du type de compresseur et du fluide frigorigène utilisé. Il doit être adéquat pour éviter les problèmes de lubrification qui sont la cause principale de panne du compresseur. Dans certains cas, un changement de lubrifiant peut même améliorer les performances d’une installation et/ou résoudre des problèmes.
Le choix du lubrifiant a notamment une influence significative sur le rendement de l’installation. Même si l’huile de refroidissement ne génère pas d’énergie, ses propriétés influencent directement la réduction des pertes énergétiques. La viscosité est la résistance à l’écoulement du lubrifiant : plus la viscosité est faible, moins il faut d’énergie pour faire fonctionner le compresseur. Cependant, une viscosité trop faible peut endommager la machine par la rupture du film d’huile.
Le coefficient de frottement est une mesure de la capacité des molécules lubrifiantes à glisser les unes sur les autres lorsqu’elles sont soumises à une pression ou à un module de cisaillement. Il ne faut pas confondre celui-ci avec le coefficient de frottement entre deux pièces mobiles en mouvement relatif...
La volatilité est également importante ; au moins l’huile transporte du réfrigérant dans le système, au plus élevé le rendement des évaporateurs.
Les propriétés à froid, notamment la fluidité de l’huile à très basse température, contribuent grandement à améliorer le rendement des évaporateurs.
Un article technique de Grasso montre que l’épaisseur du film d’huile qui adhère aux parois tubulaires de l’évaporateur dépend de la viscosité du lubrifiant. Cela signifie par exemple que la contamination de l’ammoniac liquide par du lubrifiant peut réduire le transfert thermique de 25 % et le coefficient de performance (COP) de plus de 4 %. L’utilisation d’huiles synthétiques peut réduire l’épaisseur du film d’huile de plus de 50 % à -35 °C et jusqu’à 74 % à -40 °C par rapport aux huiles minérales.
Les huiles synthétiques de haute qualité peuvent donc offrir des avantages significatifs par rapport aux huiles minérales traditionnelles en termes de rendement énergétique.
Huiles pour réfrigérants HFO et mélanges HFO
Les fabricants d’HFC ont développé des solutions à très faible PRG appelées hydrofluoroléfines (HFO). L’un des principaux avantages des HFO est qu’elles offrent un très faible PRG aux propriétés intéressantes. Ces réfrigérants sont classés A2L – légèrement inflammables, par opposition aux hydrocarbures hautement inflammables.
Un facteur important est l’interaction entre ces nouveaux réfrigérants A2L et l’huile du compresseur.
Les HFO purs, de par leur double liaison insaturée, ont une solubilité plus élevée avec les huiles polyol esters (POE) existantes qu’avec les HFC. La miscibilité est également plus élevée. En combinaison avec une solubilité plus élevée, cela conduit à une plus grande dilution et donc à une réduction de la viscosité dans le compresseur. Par exemple, la viscosité souhaitée de 18 cSt pourrait être réduite de moitié si les compresseurs existants comportaient une huile standard contenant du R-1234ze aux mêmes vitesses, ce qui présenterait des risques importants pour le compresseur.
La viscosité serait alors nettement inférieure à la limite minimale fixée par les fabricants de compresseurs (généralement 10-15 cSt pour un compresseur à piston). Une viscosité plus faible entraîne l’usure des pièces mobiles du compresseur et une perte d’exploitation en cas de panne du compresseur, se déclinant par l’arrêt du système. L’utilisation d’huiles standards avec des mélanges HFC/HFO résulte en une baisse de viscosité plus faible, ce qui peut être néfaste.
Par conséquent, des huiles spécifiques ont été développées et formulées. Elles maintiennent et améliorent la miscibilité, la qualité de la lubrification, le grade de viscosité, la stabilité chimique, la compatibilité des matériaux, les coûts et la disponibilité ; les risques associés à l’utilisation d’huiles standards sont alors limités.
La maintenance
Pour éviter les risques de casse, il est important de respecter les intervalles de vidange recommandés par le constructeur et de ne pas mélanger les huiles. Une maintenance préventive régulière doit être réalisée avec par exemple l’Acitest Unipro WW ; à faire également, des analyses de laboratoire plus poussées tels qu’Axilis® Oils pour vérifier l’état de l’installation en fonction de la qualité de l’huile et des contaminants.
Ci-dessous une liste de bonnes pratiques pour la maintenance des systèmes frigorifiques :