HEAT PUMPS  
Cool and Comfort 104 – février 2025

Impact des lubrifiants sur les performances des pompes à chaleur au R290

La lubrification est nécessaire au bon fonctionnement d’un compresseur. La présence d’huile dans le circuit frigorifique contribue toutefois à diminuer les performances ; il s’agit d’un volume qui est pompé sans qu’il ne contribue à l’absorption et à l’émission de chaleur. Il importe donc que la quantité d’huile reste aussi basse que possible. Le propane possède à ce sujet d’autres propriétés que les réfrigérants synthétiques usuels. Sous la direction de Rubén Ossorio, une équipe des universités de Valence (Espagne) et Dresde (Allemagne) est revenue sur l’effet des lubrifiants sur les pompes à chaleur avec ce réfrigérant.

Un mal nécessaire

Sans lubrification, un compresseur ne peut pas fonctionner, mais dans le reste du circuit frigorifique, la présence d’huile est indésirable. L’huile modifie les propriétés dynamiques du réfrigérant, réduit le transfert thermique et peut même bloquer des pièces comme les vannes d’expansion. Dans les compresseurs à vitesse variable, il faut encore ajouter à cela la quantité d’huile qui circule, en fonction du régime. La circulation de l’huile est effectivement entraînée par l’axe du compresseur : plus le régime est élevé, plus il y a d’huile. Lorsqu’un système est conçu pour garantir une lubrification suffisante à bas régimes, la quantité d’huile sera trop grande en cas de vitesses plus élevées.

Pertes de rendement – aspects

Afin d’évaluer l’importance de cet effet, l’équipe a étudié trois aspects partiels.

Il y a tout d’abord l’effet sur le transfert de chaleur. Étant donné que l’huile reste liquide dans l’évaporateur, le rendement de ce composant va diminuer. Ceci est essentiellement perceptible à la sortie de l’évaporateur. Le taux d’huile augmente au fur et à mesure que le réfrigérant liquide s’évapore.

Il y a ensuite le réfrigérant dissous dans l’huile. La quantité de réfrigérant qui reste en solution ne contribue plus au processus thermodynamique.

Enfin, il y a le comportement de l’huile dans le compresseur même. L’huile va absorber une partie de la chaleur du compresseur. Le réfrigérant qui est en solution va dès lors à nouveau s’évaporer. Les deux effets sont énergivores ; une énergie qui n’est plus disponible pour le circuit de chauffage.

Résultats

Dans des conditions de fonctionnement classiques, le transfert de chaleur inférieur entraîne une baisse du COP de 4,3%, pour un taux d’huile de 5% (R290 avec POE68). Cet effet s’accentue au fur et à mesure que la température d’évaporation diminue et que le taux d’huile augmente. Le réfrigérant dissous dans l’huile entraîne une diminution supplémentaire d’environ 1% du COP, dans des conditions de fonctionnement normale. La plus grande perte a toutefois lieu dans le compresseur même, où le COP peut diminuer de 15%. Et ce en raison de l’énergie qui est gaspillée par le réchauffement de l’huile.

Globalement, cela signifie qu’un taux trop élevé d’huile peut faire baisser le COP de 20% à des régimes élevés. Les chercheurs conseillent dès lors d’adapter le système de pompage de l’huile afin de limiter la quantité d’huile dans le circuit. On installera par ailleurs de préférence des séparateurs d’huile ou d’autres composants afin d’éviter qu’une trop grande quantité d’huile n’aboutisse dans les échangeurs de chaleur. Une utilisation efficace de l’huile se traduit également par une quantité nécessaire de réfrigérant moindre : un aspect important étant donné les restrictions sur le volume de propane des circuits.

Cette étude a été publiée dans la Revue International du Froid/International Journal of Refrigeration ; elle peut être consultée sur :

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0140700722003693?via%3Dihub

https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2022.10.003

Par Alex Baumans

Source: IIR