L’UTILISATION D’HUILES MINÉRALES DANS LES SYSTÈMES DE RÉFRIGÉRATION

Pendant de nombreuses années, les systèmes de réfrigération ont utilisé des huiles minérales. Les résultats ont montré des caractéristiques satisfaisantes avec les réfrigérants HCFC et CFC. Les systèmes de réfrigération utilisent des huiles lubrifiantes pour lubrifier les compresseurs. Ils doivent normalement être confinés dans le carter du compresseur.

Cependant, de petites quantités d’huile sont toujours entraînées dans le réfrigérant du circuit (même avec des séparateurs d’huile ou une configuration spéciale de la tuyauterie) et migrent à travers le condenseur, le détendeur et l’évaporateur.

Cette migration de l’huile à travers les différents composants du circuit crée un problème, car l’huile est présente dans les échangeurs de chaleur. Cela crée un film sur la paroi du tube. La présence d’huile nuit à l’efficacité du mécanisme de transfert de chaleur.

  • Une huile lubrifiante idéale pour un système de réfrigération aurait les propriétés suivantes :
  • Bonnes propriétés lubrifiantes
  • Bonne miscibilité et solubilité à basse température
  • Faible teneur en humidité
  • Bonne stabilité thermique et chimique (notamment à haute température de décharge).

Avec le développement des réfrigérants sans chlore, les huiles minérales conventionnelles semblaient ne plus convenir. Ceci est principalement dû à leur immiscibilité avec ces nouveaux réfrigérants.

Les huiles synthétiques ont ensuite été envisagées pour être utilisées avec les nouveaux réfrigérants alternatifs. Une huile d’ester de polyol est apparue comme le lubrifiant le plus approprié. En particulier pour sa miscibilité avec les hydrofluorocarbures (HFC) et sa plage de fonctionnement à basse température.

Les données disponibles concernant les effets de l’utilisation de mélanges réfrigérant/huile sur l’écoulement diphasique sont limitées. Il est donc difficile de se rendre compte de l’impact. Par conséquent, l’objectif principal de l’étude est de comprendre l’impact de l’huile sur le transfert de chaleur. 

Régimes d’écoulement

Les différents régimes d’écoulement identifiés par les chercheurs lors de l’évaporation à l’intérieur de tubes horizontaux sont les suivants :

  • Écoulement de bulle
  • Écoulement à bouchons
  • Écoulement avec bouchons
  • Écoulement ondulé
  • Écoulement annulaire
  • Écoulement du brouillard

Une terminologie légèrement différente caractérise parfois des schémas d’écoulement similaires. Figure 1 de Collier et al. (1994) décrit les schémas d’écoulement observés pendant l’évaporation à l’intérieur d’un tube horizontal, y compris les vues en coupe de l’écoulement.

Mélanges de réfrigérants

Kattan et al. (1998) ont expérimenté des mélanges ternaires tels que le R123, le R402A et le R404A, alors que Shin et al. (1997) ont étudié des mélanges binaires de réfrigérants et d’hydrocarbures. Murata et al. (1993) ont obtenu des coefficients de transfert de chaleur locaux pour des mélanges de réfrigérants non azéotropes (NARM) avec du R1231R134a dans des tubes lisses et rainurés.

Des corrélations empiriques ont été développées pour le R123 pur et un mélange de R1231R134a. Torikoshi et al. (1993) ont étudié expérimentalement le transfert de chaleur des mélanges de réfrigérants HFC avec le R32 et le R134a. Les coefficients de transfert de chaleur des mélanges sont généralement inférieurs à ceux des composants purs. Il existe un contraste frappant entre les conclusions de l’étude et les résultats de la recherche expérimentale discutée ci-dessus.

Plusieurs alternatives sont disponibles pour les réfrigérants HCFC et CFC. Cependant, ces alternatives comprennent deux éléments ou plus. Ces mélanges de réfrigérants alternatifs présentent des problèmes d’utilisation. Les questions portent sur la théorie classique.

La théorie classique se concentre sur le transfert de chaleur entre les substances pures. Les problèmes posés par la théorie classique ont mis en évidence la nécessité d’une nouvelle recherche axée sur les mélanges de réfrigérants.

Jung et al. (1989) ont travaillé sur 4 réfrigérants (R22, R114, R12 et R152a). Ainsi que les mélanges de réfrigérants et les mélanges réfrigérants/huile. Les résultats expérimentaux, obtenus pour un écoulement annulaire (qualité supérieure à 5%) avec un flux de masse compris entre 230 et 720 kg/m2 et des flux de chaleur allant de 10 à 45 kW/m2.

Ils sont corrélés avec les multiplicateurs à deux phases et comparés aux corrélations existantes. Jung a constaté que la corrélation Martinelli-Nelson surestimait de 20 % leurs données expérimentales pour les réfrigérants purs et mixtes. Et a proposé sa propre corrélation pour corréler ses résultats de manière supérieure.

Dans leur corrélation, Jung et al. (1989) ont défini un nouveau multiplicateur biphasique pour prendre en compte le transfert de chaleur pendant l’ébullition de l’écoulement d’une manière plus pratique que le Lockhart-Martinelli qui est basé sur un écoulement adiabatique. Jung et al. (1989) ont montré que le gradient de pression d’accélération représentait moins de 10% de la chute de pression mesurée. Ils ont décidé que ce terme d’accélération n’était pas nécessaire dans la perte de charge totale.

Résultats obtenus avec l’huile minérale

L’utilisation des huiles minérales a donné des résultats insatisfaisants lors du développement des réfrigérants HFC. Elle a également conduit au développement de nouvelles huiles synthétiques.

Quelques études, énumérées dans Schlager (1988a), ont commencé à étudier ces nouvelles huiles synthétiques au début des années 90. La plupart d’entre eux ont étudié les effets de l’huile sur le R134a. Hambraeus (1993) a réalisé des travaux approfondis sur les effets de trois huiles sur le transfert de chaleur par évaporation et la chute de pression.

Les huiles à base d’ester, testées avec du R134a et du R152a, présentaient des viscosités différentes, et la teneur en huile a été élevée jusqu’à 4 % (masse). Les coefficients de transfert de chaleur expérimentaux ont été comparés aux corrélations de Pierre et Shah, et un bon accord a été trouvé pour un réfrigérant sans huile. Le coefficient de transfert de chaleur du mélange réfrigérant/huile était généralement inférieur à celui du réfrigérant pur.

Certains cas particuliers ont montré une augmentation du transfert de chaleur avec l’augmentation de la teneur en huile. L’effet local de l’huile sur le coefficient de transfert de chaleur était une augmentation pour les qualités de vapeur faibles et une réduction pour les qualités élevées. Un bon accord a été trouvé avec les résultats de Wors0e-Schmidt (1960) et Mathur (1976).

La viscosité de l’huile a été considérée comme la propriété significative influençant le coefficient de transfert de chaleur. Les résultats de la chute de pression totale étaient en accord avec les corrélations de Hambraeus (1995) qui a publié un bon résumé des recherches sur les effets de l’huile sur le transfert de chaleur par évaporation, montrant que l’huile pouvait soit diminuer soit augmenter le coefficient de transfert de chaleur en fonction des conditions d’essai.

Des résultats expérimentaux ont été présentés pour le R134a avec trois huiles différentes à base d’ester. Ils ont étudié les effets des propriétés thermodynamiques sur le transfert de chaleur.

D’après les expériences, la diminution du coefficient de transfert de chaleur semble dépendre de la viscosité de l’huile. La réduction est plus importante avec une huile à haute viscosité. La diminution du coefficient de transfert de chaleur a été assez bien estimée en incluant la viscosité du mélange dans les corrélations pour les réfrigérants purs.

Une étude de la chute de pression est présentée ici pour compléter le tableau des effets de l’huile sur l’évaporation. Souza et al. (1993) ont testé plusieurs huiles, dont des huiles à base de polyalkylène glycol (PAG) et d’ester, du R134a et avec un régime d’écoulement principalement annulaire. On a constaté que la chute de pression augmente avec la concentration d’huile. Une corrélation a été développée pour prédire la chute de pression diphasique des mélanges réfrigérant/huile. Cela a permis de corréler les résultats obtenus avec le R134a, le R12 et 5 huiles différentes, avec un écart moyen de 3,3 %.

Effets de l’huile sur le transfert de chaleur par évaporation

Les effets de l’huile sur le transfert de chaleur par évaporation ont été étudiés de manière approfondie par Hambraeus (1995). L’influence de l’huile sur les propriétés physiques et thermiques des mélanges de réfrigérants a été étudiée en détail. Sur la base de tests expérimentaux sur trois huiles synthétiques avec du R134a. Aucune corrélation n’a été établie en raison des grandes variations des conditions d’essai. Mais une enquête sur les études prenant en compte les effets de l’huile a été présentée.

Quelques études proposent des facteurs de correction aux corrélations conventionnelles de transfert de chaleur, afin de prévoir les effets de l’huile, mais ces corrections sont souvent limitées à des conditions particulières et ne peuvent être généralisées. Des facteurs de correction ont été mis au point par Tichy et al. (1986) pour le R12.

Effets de l’huile naphténique sur la chute de pression

Tichy et al. (1986) ont également étudié les effets d’une huile à base de naphténique sur la chute de pression du R12 pendant l’évaporation. Les données ont été comparées avec la relation entre la chute de pression frictionnelle et la fraction de vide.

La meilleure corrélation pour la chute de pression du réfrigérant sans huile a été utilisée pour corréler les mélanges huile/réfrigérant.

Pour l’évaporation, une corrélation de Duckler II a été modifiée pour tenir compte des effets de l’huile. L’ajout d’huile a considérablement augmenté la chute de pression de 63 à 86 % pour l’évaporation. Tichy et al. ont observé que la présence d’huile favorisait la formation d’un flux annulaire augmentant le transfert de chaleur.

Dans la région sèche de l’évaporation (qualité de vapeur élevée), le coefficient de transfert de chaleur a été réduit. Cela est dû à la formation d’une couche riche en huile. Des travaux relativement limités ont été entrepris sur les effets de l’huile sur la condensation par rapport à l’évaporation.

Une conclusion générale de Schlager et al. (1988a) est que le coefficient de transfert de chaleur de condensation est toujours dégradé avec la présence d’huile dans le réfrigérant.

Effets de la qualité locale de la vapeur sur le transfert de chaleur

Les résultats de Tichy et al. (1985) ont révélé que la qualité de la vapeur locale a peu d’impact sur la réduction du transfert de chaleur. Les essais expérimentaux avec du R12 et une huile miscible ont montré que des concentrations de 2 % et 5 % d’huile entraînaient une diminution de 10 % et 23 % du coefficient de transfert de chaleur. Ce chiffre est bien inférieur à celui de l’évaporation.

La comparaison des schémas d’écoulement observés était conforme avec le graphique de Breber et al. (1980), mais insatisfaisante pour les graphiques de Soliman (1971). Leurs résultats ont été corrélés par une extension de la corrélation de Shah (1979) et ont prédit 82 % des données à ± 20 % près.

Cette corrélation est valable pour toute la gamme des données expérimentales (94< G <944 kg/m2, 3,5< q’ <690 kW/m2, 4,8< Pabs <9,3 bar, 0,2< x <0,8), indépendamment du schéma d’écoulement. Mais les auteurs ont indiqué qu’elle pourrait ne pas être aussi précise qu’une méthode développée pour des régimes d’écoulement spécifiques.

La réduction du coefficient de transfert de chaleur local avec l’huile est probablement due à l’altération des propriétés de transport dans la couche liquide.

 

Références

Breber G., Palen J.W., Taborek J., 1980. Prediction of horizontal tubeside condensation of pure components using flow regime criteria, ASME Transactions, Journal of Heat Transfer, Vol. 102, pp.471-476.

Collier J.G., Thome J.R., 1994. Convective Boiling and Condensation, 3rd Edition, Oxford University Press, Oxford.

Hambraeus K, 1993. Flow Boiling of Pure and Oil Contaminated Refrigerants, Heat Transfer and Pressure Drop in a Horizontal Tube, Doctoral Thesis, Department of Energy Technology, Division of Applied Thermodynamics and Refrigeration, The Royal Institute ofTechnology, Stockholm, Sweden.

Hambraeus K, 1995. Heat Transfer of oil-contaminated HFC134a in a horizontal evaporator, Int. J. Refrig., Vol. 18, n°. 2, pp. 87-99.

Jung DB., Radermacher R., 1989. Prediction of pressure drop during horizontal annular flow boiling of pure and mixed refrigerants, Int. J. Heat Mass Transfer, Vol. 32, n°. 12, pp. 2435-2446.

Kattan N., Thome J.R., Favrat D., 1998. Flow Boiling in Horizontal tubes : Part 1-Development of a Diabatic Two-Phase Flow Pattern Map, Journal of Heat Transfer, Transactions of ASME, Vol. 120, pp. 140-147.

Mathur AP., 1976. Heat Transfer to Oil-Refrigerant Mixtures Evaporating in Tubes, PhD Thesis, Duke University.

Murata K, Hashizume K, 1993. Forced convective boiling of nonazeotropic refrigerant mixtures inside tubes, Journal of Heat Transfer, Transactions of ASME, Vol. 115, pp. 680-689.

Schlager L.M., Pate M.B., Bergles A.E., 1988a. A survey of refrigerant heat transfer and pressure drop emphazing oil effects and in-tube augmentation, ASHRAE Transactions, Vol. 93, Part 1, pp. 392.

Shah M.M., 1979. A general correlation for heat transfer during film condensation inside pipes, Int. J. Heat & Mass Transfer, Vol. 22, pp. 547-556.

Shin J.Y., Kin M.8. And Ro S.T., 1997. Experimental study on forced convective boiling heat transfer of pure refrigerants and refrigerant mixtures in a horizontal tube, Int. J. Refrig., vol. 20, n°. 4, pp. 267-275.

Soliman H.M., Azer N.Z., 1971. Flow patterns during condensation inside a horizontal tube, ASHRAE Transactions, Vol. 77, Part 1, pp. 210-224.

Souza A.L., Chato J.C., Wattelet J.P., 1993. Pressure drop during two-phase flow of pure refrigerant and refrigerant-oil mixture in horizontal tube, Heat Transfer with Alternate Refrigerants, 29th National Heat Transfer Conference, Atlanta, ASME, HTD-Vol. 243, pp. 35-41.

Tichy J.A., Macken N.A., Duval W.M.B., 1985. An experimental investigation of heat transfer in forced convection condensation of oil-refrigerant mixtures, ASHRAE Transactions, Vol. 91, Part la, pp. 297-308.

Tichy J.A., Duque-Rivera J., Macken P.E., Duval W, 1986. An experimental investigation of pressure drop in forced-convection condensation and evaporation of oil-refrigerant mixtures, ASHRAE Transactions, Vol. 92, Part 2, pp. 461-471.

Torikoshi K., Ebisu T., 1993. Heat Transfer and pressure drop characteristics of R134a, R32, and a mixture of R321R134a inside a horizontal tube, ASHRAE Transaction : Research, Vol. 99, Part 2, pp. 90-96.

Worsoe-Schmidt P, 1960. Some characteristics of flow pattern and heat transfer of Freon-12 evaporating in a horizontal tube, Journal of Refrigeration, Vol. 3, n°. 2, pp. 40-44.