Impact of the lubricant oil on themodynamic performances of reversible heat pumps
Impact de l'huile de lubrification sur les performances thermodynamiques des pompes à chaleur réversibles
Résumé
This work deals with the effect of oil on the energy performances of refrigerating systems. To characterise this impact, two thermodynamic properties were studied: the solubility and the enthalpy. Thus, a simple measurement method was presented, allowing to study both transient and steady-state behaviour of various refrigerant/oil pairs. Thus, experimental data were validated and modelled. The suitable use of the solubility curves showed the zeotropic character of the refrigerant/oil mixture, which is directly reflected on the enthalpy calculation. For this property, a thermodynamic model was developed and experimentally validated. Its application led to a new presentation of the Mollier diagram taking into account the oil presence. It was then shown that, among all the circuit elements, the evaporator is the most penalised by the oil presence. Its performances decrease when the circulating mass fraction of oil increases, the superheat decreases and when the refrigerant-oil solubility increases. An experimental study on a reversible heat pump confirmed that if the circulation mass fraction of oil in the machine is lower than 2%, the impact of oil is reduced. Lastly, a local model of a refrigerating unit, initially charged with a zeotropic mixture, allowed to analyse the profiles of temperature, heat transfer coefficient and local composition of the refrigerant along a circuit.
Ce travail concerne l'impact de la présence d'huile sur les performances énergétiques des systèmes frigorifiques. Pour caractériser cet impact, deux propriétés thermodynamiques ont été étudiées : la solubilité et l'enthalpie. Ainsi, une méthode de mesure simple a été présentée, permettant d'étudier le comportement de différents couples frigorigène/huile en phase transitoire ainsi qu'en équilibre stationnaire. Les données expérimentales ont été validées et modélisées. L'utilisation appropriée des courbes de solubilité a démontré le caractère nonazéotropique des couples frigorigène/huile qui se reflète directement sur le calcul d'enthalpie. Pour cette propriété, un modèle thermodynamique a été développé et expérimentalement validé. Son application a conduit à une nouvelle présentation du diagramme de Mollier tenant compte de l'huile. L'utilisation de ce diagramme montre, que parmi tous les éléments du circuit, l'évaporateur est plus pénalisé par la présence d'huile. Ses performances sont d'autant plus abaissées que la fraction massique circulante d'huile est élevée, que la surchauffe est faible et que le fluide frigorigène est plus soluble dans l'huile. Une étude expérimentale d'une pompe à chaleur réversible a confirmé que si les règles de l'art sont respectées et si le taux de circulation d'huile dans la machine est inférieur à 2%, l'impact de l'huile est réduit. Enfin, une modélisation locale d'une machine frigorifique complète, initialement chargé avec un mélange non-azéotropique, a permis d'analyser le profil de température, du coefficient d'échange et de la composition locale du frigorigène le long du circuit.
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