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THESE Présentée devant le CONSERVATOIRE NATIONAL DES ARTS ET METIERS pour obten

THESE Présentée devant le CONSERVATOIRE NATIONAL DES ARTS ET METIERS pour obtenir LE GRADE DE DOCTEUR Ecole Doctorale Technologique et Professionnelle Formation doctorale : Energétique par Mohammed YOUBI-IDRISSI IMPACT DE L’HUILE DE LUBRIFICATION SUR LES PERFORMANCES THERMODYNAMIQUES DES POMPES A CHALEUR REVERSIBLES Date de soutenance : le 08 Décembre 2003 devant la commission d’examen Jury J. LEBRUN Professeur, Université de Liège, Belgique Rapporteur D. FAVRAT Professeur, EFPL Lausanne, Suisse Rapporteur F. MEUNIER Professeur, CNAM Paris Examinateur C. MARVILLET Directeur de Recherche, CEA Grenoble Examinateur J. BONJOUR Maître de Conférences, CNAM Paris Examinateur A. BAILLY Directeur de Recherche, CIAT Culoz Examinateur E. MERLIN Ingénieur ADEME Invité Cette thèse a été préparée au Laboratoire du Froid (E.A 21) de l’Institut Français du Froid Industriel et du Génie Climatique (IFFI), Paris tel-00011290, version 1 - 4 Jan 2006 2 AVANT-PROPOS Ce travail a été mené au Laboratoire du Froid de l’Institut Français du Froid Industriel et du Génie Climatique (IFFI) au CNAM à Paris. Il a été financièrement soutenu par l’Agence de l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie (ADEME). Je souhaite exprimer ma profonde gratitude à Monsieur le Professeur Francis MEUNIER, Directeur de l’IFFI, pour m’avoir accueilli dans son laboratoire et pour avoir assuré la direction de cette thèse. Sa confiance et son soutien constant m’ont été d’une extrême utilité pour sa réalisation. Je suis très reconnaissant à Monsieur Jocelyn BONJOUR, Maître de Conférences, pour la rigueur d’esprit qu’il m’a transmise tout au long de la thèse dont il a assuré un suivi permanent. Je le remercie également pour son soutien dans les moments difficiles. Je tiens à remercier Monsieur le Professeur Jean LEBRUN, Professeur à l’Université de Liège en Belgique et Monsieur le Professeur Daniel FAVRAT, Professeur à l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne en Suisse, pour avoir accepté d’être rapporteurs de ce mémoire. Mes plus vifs remerciements vont également à Monsieur Christophe MARVILLET, Directeur du GRETh-CEA de Grenoble, pour ses précieux conseils et pour avoir bien voulu examiner ce travail, ainsi, qu’à Monsieur André BAILLY, Directeur du Laboratoire de Recherche CIAT pour avoir répondu présent pour être membre du Jury. Un clin d’œil à tous mes collègues de Laboratoire, chercheurs, ingénieurs, techniciens et stagiaires qu’il me fut très agréable de côtoyer. Ma reconnaissance va plus particulièrement à Mlle Marie-France Terrier, Ingénieur de Recherche à l’IFFI, pour la précieuse aide apportée à cette étude. Enfin, si j’ai pu mener à bien ce travail, c’est grâce à l’amour, à l’encouragement, et au soutien sans relâche de mes parents, de ceux et celles qui ont une énorme place dans mon cœur. A eux je dédie ce travail, témoignage de mon amour et de l’affection que je leur porte. tel-00011290, version 1 - 4 Jan 2006 3 tel-00011290, version 1 - 4 Jan 2006 4 SOMMAIRE AVANT PROPOS 2 NOMENCLATURE 8 INTRODUCTION 16 CHAPITRE I : ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE 1 Frigorigènes et lubrifiants ............................................................................................. 20 1.1 Rôles de l’huile dans le circuit frigorifique ............................................................. 20 1.2 Compatibilité entre frigorigène et lubrifiant ............................................................ 20 1.2.1 Les huiles Polyol-ester (POE).............................................................................. 21 1.2.2 Les huiles Polyalkylene-glycol (PAG) ................................................................ 22 1.2.3 Les huiles Polyvinylether (PVE) ......................................................................... 22 1.3 Présence de l’huile dans le système frigorifique : où et comment ? ....................... 23 1.4 Retour de l’huile au compresseur ............................................................................. 25 2 Comportement thermodynamique et thermique des mélanges de frigorigène et d’huile .............................................................................................................................. 25 2.1 Propriétés thermophysiques du lubrifiant ................................................................ 26 2.1.1 Masse volumique ................................................................................................. 26 2.1.2 Viscosité cinématique ......................................................................................... 26 2.1.3 Conductivité thermique ...................................................................................... 27 2.1.4 Capacité thermique massique.............................................................................. 27 2.1.5 Tension superficielle ........................................................................................... 28 2.2 Propriétés thermodynamiques des mélanges frigorigène/huile .............................. 29 2.2.1 Miscibilité ............................................................................................................ 29 2.2.2 Solubilité ............................................................................................................. 30 2.2.3 Courbes de solubilité : équilibre liquide-vapeur .................................................. 31 2.2.3.1 Modèles thermodynamiques 32 2.2.3.2 Approches empiriques 34 2.2.3.3 Choix et orientation 36 tel-00011290, version 1 - 4 Jan 2006 5 2.2.4 Masse volumique ................................................................................................. 37 2.2.5 Viscosité .............................................................................................................. 37 2.2.5.1 Viscosité cinématique 38 2.2.5.2 Viscosité dynamique 39 2.2.6 Conductivité thermique ....................................................................................... 39 2.2.7 Capacité thermique massique .............................................................................. 39 2.2.8 Tension superficielle ........................................................................................... 39 3 Transfert thermique en présence d’huile ..................................................................... 40 3.1 Condensation ............................................................................................................. 40 3.1.1 Paramètres d’influence ........................................................................................ 40 3.1.2 Modèles de prédiction ......................................................................................... 43 3.1.2.1 Corrélation de Shah (1979) 41 3.1.2.2 Corrélation de Dobson et Chato (1998) 44 3.2 Evaporation............................................................................................................... 45 3.2.1 Mécanismes de transfert ...................................................................................... 45 3.2.2 Tendances générales ............................................................................................ 46 3.2.3 Modèles de prédiction ......................................................................................... 48 3.3 Pertes de pression dans les échangeurs thermiques en présence d’huile................ 50 3.3.1 Modèles de prédiction ......................................................................................... 51 3.3.1.1 Modèles homogènes 52 3.3.1.2 Modèles à phases séparées 54 4 Impact de l’huile sur la charge en fluide dans une machine frigorifique .................. 56 CHAPITRE II : SOLUBILITE FRIGORIGENE/HUILE 1 Mesure de solubilité du fluide frigorigène dans l’huile ............................................... 60 1.1 Méthodes de mesure de solubilité ............................................................................. 60 1.1.1 Méthode “Gas Liquid Chromatography” ............................................................ 60 1.1.2 Méthode isochore ................................................................................................ 61 1.1.3 Choix de la méthode de mesure .......................................................................... 61 1.2 Résultats expérimentaux ........................................................................................... 61 1.2.1 Couple CO2/PAG ................................................................................................ 61 tel-00011290, version 1 - 4 Jan 2006 6 1.2.2 Couple R134a/POE ............................................................................................. 70 1.2.2.1 Comportement dynamique du mélange 70 1.2.2.2 Courbes de solubilité 71 1.2.3 Couples R32/POE et R125/POE ......................................................................... 72 2 Modèles thermodynamiques de calcul de solubilité .................................................... 75 2.1 Paramètres des modèles ............................................................................................ 75 2.1.1 Coefficient d’activité .......................................................................................... 75 2.1.2 Coefficient de fugacité ........................................................................................ 76 2.1.3 Effet Poynting ..................................................................................................... 78 2.2 Procédures de calcul ................................................................................................ 79 2.3 Résultats de la modélisation numérique ................................................................... 80 2.3.1 Paramètres d’interaction binaires ........................................................................ 80 2.3.2 Déviation moyenne ............................................................................................. 81 2.3.3 Courbes de solubilité ........................................................................................... 81 3 Solubilité différentielle ................................................................................................... 83 4 Conclusion........................................................................................................................ 85 CHAPITRE III : ENTHALPIE FRIGORIGENE/HUILE 1 Calcul d’enthalpie d’un mélange frigorigène/huile ..................................................... 88 1.1 Modèle thermodynamique ........................................................................................ 90 1.2 Exemples d’application du modèle ......................................................................... 100 1.2.1 Rapport d’enthalpie .............................................................................................. 102 1.2.2 Quantité non-évaporée .......................................................................................... 102 2 Etude expérimentale in-situ d’une machine de grande puissance fonctionnant au R407C : validation du modèle ..................................................................................... 103 3 Conclusion ..................................................................................................................... 110 CHAPITRE IV : SYSTEME FRIGORIFIQUE : EXPERIENCES ET MODELISATION 1 Etude expérimentale d’une pompe à chaleur fonctionnant au R407C .................... 114 1.1 Description de la machine ...................................................................................... 114 tel-00011290, version 1 - 4 Jan 2006 7 1.2 Etude locale des performances thermodynamiques d’une pompe à chaleur réversible ............................................................................................................................ 116 1.2.1 Composition du fluide frigorigène dans le circuit ............................................. 116 1.2.1.1 Causes de la variation de composition 116 1.2.1.2 Dispositif expérimental 117 1.2.1.3 Résultats et analyses 118 1.2.2 Comportement de la batterie à ailettes .............................................................. 129 1.2.2.1 Mode rafraîchissement 129 1.2.2.2 Mode chauffage 131 1.2.3 Taux de circulation d’huile ............................................................................... 132 2 Modélisation d'une machine frigorifique en régime permanent .............................. 134 2.1 Modèle de compresseur ........................................................................................... 135 2.1.1 Equations du modèle ......................................................................................... 135 2.1.2 Identification des paramètres ............................................................................ 136 2.2 Modèle d'évaporateur ............................................................................................. 138 2.3 Modèle de condenseur ............................................................................................ 141 2.4 Modèle de la bouteille ............................................................................................. 142 2.5 Structure du modèle complet .................................................................................. 142 2.6 Résultats du modèle ................................................................................................ 143 2.6.1 Performances globales ....................................................................................... 144 2.6.2 Profil de température et du coefficient d’échange le long des échangeurs ....... 144 2.6.3 Composition du frigorigène le long du circuit frigorifique ............................... 146 3 Effets de l’huile sur la composition circulante et locale : tendances générales ....... 148 4 Conclusion ..................................................................................................................... 150 CONCLUSION GENERALE REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES ANNEXES Annexe A : Equilibre liquide vapeur d’un mélange à plusieurs composants Annexe B : Estimation de la charge en frigorigène : état de l’art Annexe C : Valorisation des compétences : nouveau chapitre de la thèse tel-00011290, version 1 - 4 Jan 2006 8 Nomenclature A coefficient empirique 9 0 a - a constantes empiriques a-f constantes empiriques B coefficient empirique 9 0 b - b constantes empiriques C solubilité du frigorigène dans l’huile C  composition circulante Cg fraction massique circulante d’huile L C composition locale Cloc concentration locale d’huile p c capacité thermique massique J.kg-1.K-1 D diamètre m Dh diamètre hydraulique m dz élément de longueur m E facteur d’intensification d’échange en ébullition convective F facteur d’intensification d’échange en condensation f fugacité Pa f coefficient de frottement (liquide ou vapeur) dp f facteur diphasique G vitesse massique kg.m-2.s-1 g accélération de la pesanteur m.s-2 h enthalpie massique J.kg-1 h coefficient d’échange thermique W.m-2.K-1 i incertitude K coefficient d’échange global W.m-2.K-1 k coefficient polytropique L longueur m M masse kg M masse molaire kg.mol-1 m  débit massique kg.s-1 m exposant de pondération N nombre des points de mesure tel-00011290, version 1 - 4 Jan 2006 9 NEQ quantité non-évaporée n nombre de volumes ou de composants P pression Pa Pe effet Poynting Q  puissance thermique W q  densité de flux W.m-2 R constante universelle des gaz parfaits J.mol-1.K-1 p R rapport de pression Rh rapport de variation d’enthalpie S section, surface m² S facteur d’atténuation d’échange en ébullition nucléée s densité de l’huile par rapport à l’eau T température K t temps s s t facteur de student U vitesse m.s-1 V volume m3 v volume molaire m3.mol-1 W  Puissance mécanique W X titre en vapeur du fluide frigorigène seul X’ titre en vapeur du mélange fluide frigorigène/huile x fraction massique ou molaire de la uploads/Science et Technologie/ youbi.pdf