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Présence de l’huile dans le système frigorifique : où et comment ?

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Dans un fonctionnement normal d’un système frigorifique, il serait idéal que le lubrifiant du compresseur reste aux différents points de graissage pour remplir l’ensemble des rôles décrits précédemment ; or, il est inévitable qu’une certaine quantité d’huile s’échappe du compresseur, en particulier au démarrage après un arrêt. En effet, à l’arrêt, l’évaporateur de la machine frigorifique s’échauffe, la pression d’évaporation s’élève. Dans le même temps, le compresseur se refroidit et l’huile présente dans le carter du compresseur absorbe une grande quantité de frigorigène jusqu’à l’égalisation des pressions. Lors de la remise en route de la machine, la diminution rapide de la pression dans le carter crée une désorption du frigorigène, d’où un phénomène de moussage au démarrage. La mousse peut envahir les cylindres, ce que l’on désigne par « coup d’huile ». En régime permanent de fonctionnement, la quantité d’huile rejetée par le compresseur dans le circuit dépend essentiellement de deux paramètres :

- Le compresseur lui même : son cycle de fonctionnement et sa technologie de fabrication (tolérances, conception des clapets, qualité d’étanchéité, …) ;

- Les propriétés de l’huile et particulièrement sa viscosité.

Entraînée par le compresseur, l’huile se trouvera en différents points du circuit et conduira à des conséquences nuisibles dans certaines conditions de fonctionnement.

En général, l’huile entraînée par le compresseur circule :

- Dans la conduite de refoulement, sous forme de gouttelettes entraînées par le gaz chaud. Comme le refoulement est le point le plus chaud du circuit, ces gouttelettes sont pratiquement pures en huile. Le séparateur d’huile est obligatoire lorsque le circuit présente des difficultés vis-à-vis du retour d’huile vers le compresseur. Son rôle consiste à stopper l’huile en faisant chuter la vitesse des gaz et à assurer son retour dans le carter du compresseur ;

- Dans le condenseur, l’huile se dissout dans le fluide frigorigène en phase liquide et y reste pendant toute la phase de condensation ;

- Après détente, l’évaporateur est alimenté par un mélange liquide-vapeur. L’huile contient une partie de fluide frigorigène en solution (homogène dans le cas d’une huile miscible), sa viscosité a tendance à freiner le mouvement. Au niveau de l’évaporateur, on assiste à deux effets contradictoires de la température et de la viscosité :

1. Lorsque le fluide frigorigène s’évapore, la phase liquide contient moins de frigorigène et devient plus visqueuse ;

2. L’évaporateur est le point le plus froid du circuit frigorifique. En fin d’évaporation, au fur et à mesure que l’huile avance, elle se réchauffe dans la zone de surchauffe, ce qui tend à réduire sa viscosité.

L’évaporation du fluide frigorigène augmente la viscosité de l’huile plus rapidement que ne peut la diminuer l’augmentation de la température. Lorsque ces deux effets arrivent à s’équilibrer, la viscosité de l’huile atteint sa valeur maximale. Ce point se situe, typiquement, pour des surchauffes voisines de 15 à 20°C. Au-delà, la viscosité diminue progressivement du fait du réchauffement de l’huile (Revue Pratique du Froid, 1968).

Par ailleurs, la présence d’huile dans le circuit frigorifique peut être répartie différemment selon la vitesse d’écoulement et la conception du circuit. En effet, en fonctionnement réel de la machine frigorifique, l’huile se trouve en concentration plus élevée dans certains éléments que dans d’autres. Clodic et Ben-Yahia (2002) indiquent qu’en dehors de la tuyauterie de refoulement, les sections de l’installation privilégiées pour le stockage de l’huile sont la zone de surchauffe de l’évaporateur et les canalisations de retour au compresseur. Ainsi, selon la position relative de l’évaporateur vis à vis du compresseur, le débit de retour d’huile est profondément différent et donc les quantités stockées dans ces zones varient. Ce phénomène doit être soigneusement pris en compte pour des installations où les distances sont longues entre les évaporateurs et les compresseurs, comme en froid commercial pour les grandes surfaces, où les longueurs de tuyauteries peuvent être supérieures à 200 m et les différences d’altitude supérieures à 10 m.

En régime transitoire, l’huile peut s’accumuler lorsque les vitesses de circulation sont faibles, en particulier dans les tuyauteries en phase gazeuse où les quantités stockées s’accroissent avec le temps. Lorsque l’accumulation d’huile atteint un certain seuil, la vitesse du gaz augmente dans le diamètre équivalent laissé libre. Ces amas d’huile accroissent les pertes de charge et peuvent rapidement poser des problèmes de manque d’huile au compresseur (Clodic et Ben-Yahia, 2002).

 

Retour de l’huile au compresseur

Pour éviter tout dysfonctionnement, il est impératif d’assurer un retour correct vers le compresseur de l’huile échappée. Les techniques pour assurer ce retour diffèrent selon deux paramètres essentiels :

- la miscibilité ou non du couple frigorigène/huile ;

- la nature des échangeurs pour lesquels nous distinguons deux groupes principaux d’évaporateurs fonctionnant avec un couple miscible de frigorigène/huile :

1- Evaporateurs à détente directe dont le passage du fluide frigorigène est réglé par la pression et la température à la sortie de l’évaporateur. Dans ce cas, le retour de l’huile est simple car à la sortie de l’évaporateur, un mélange formé d’une phase vapeur constituée de frigorigène cohabite avec une phase liquide très riche en huile. Le retour du liquide (frigorigène liquide + huile) vers le compresseur est assuré par les vapeurs aspirées. En outre, la présence du séparateur d’huile dans la partie haute pression limite la quantité d’huile qui circule et contribue au retour d’une partie de l’huile au compresseur.

2- Evaporateurs noyés alimentés en fluide frigorigène par des régulateurs de niveau. Dans ce cas, le retour d’huile est plus compliqué et doit être assuré par les dispositions suivantes :

a- Mise en œuvre d’un séparateur en sortie du compresseur pour limiter la quantité d’huile entraînée hors du compresseur ;

b- Séparation de l’huile dans la bouteille en basse pression (BP) par prélèvement d’un débit dans la partie où la solution est riche en huile, c’est à dire dans la partie supérieure pour les HFC. Le débit du fluide frigorigène prélevé est ré-évaporé pour séparer l’huile avant sa ré-injection dans le carter du compresseur ;

c- Utilisation d’un échangeur liquide-vapeur (ELV) permettant de dégazer les gouttelettes d’huile avant aspiration dans le compresseur.

Dans le cas où l’huile n’est pas miscible avec le frigorigène, comme c’est généralement le cas des huiles minérales avec l’ammoniac, l’huile est séparée du fluide par décantation dans la bouteille séparatrice en basse pression. En effet, dans le cas du couple ammoniac/huile minérale, l’huile s’accumule en partie basse par différence de masse volumique (l’huile étant plus dense que l’ammoniac). Un dispositif de purgeur manuel permet de l’extraire et de la réintroduire dans le carter du compresseur. Pour des raisons de sécurité, il faut disposer également d’un séparateur d’huile, le plus efficace possible, à la sortie du compresseur. Néanmoins, comme inévitablement un peu d’huile traverse le circuit, il convient de s’assurer qu’elle ne risque pas de s’accumuler dans le circuit basse température. ( Extrait de publication Mohammed YOUBI-IDRISSI 2003 )

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