Interview de Jean-Yves Clairé et François Péricat pour ExxonMobil.
En quoi la lubrification des compresseurs au CO2 diffère des autres ? Quels sont les enjeux ?
JYC / FP : Le R-744, qui présente un ODP* de 0 et un GWP de 1, se caractérise par plusieurs atouts et notamment une chaleur de vaporisation élevée, un faible volume massique, une non toxicité et une ininflammabilité. Cependant sa mise en oeuvre requiert un savoir-faire pour résoudre de nombreux défis technologiques tels que sa forte solubilité dans les lubrifiants ainsi que l’effet très solvant du CO2 sous forme liquide ou brouillard.
Quels types de lubrifiants préconisez-vous ?
JYC / FP : La production de froid par compression utilise le principe bien connu de la vaporisation, changement de l’état liquide à l’état gazeux du fluide frigorigène, au cours duquel une quantité importante de chaleur est absorbée, ce qui entraîne la « production de froid ». Tout en conservant ce principe de base, de nombreuses variantes existent dans les installations industrielles fonctionnant au CO2, telles que : les installations en cascade, évaporateurs secs ou noyés, boosters, régimes sub- et transcritiques du fluide réfrigérant. C’est le type de fluide frigorigène ainsi que la conception de l’installation qui vont déterminer la nature du lubrifiant à utiliser : pour une installation où il est recherché une parfaite miscibilité entre le CO2 et le lubrifiant, on utilisera des huiles de type POE (Polyolesters), pour les systèmes où on privilégiera une « non miscibilité », on utilisera plutôt un lubrifiant de type PAO (Polyalphaoléfines) ou de type PAG (Polyalkylèneglycols) voir Figure 1. Ces 3 types de lubrifiants POE, PAO, PAG sont ceux utilisés avec le R-744. L’huile ayant un rôle très important pour le bon fonctionnement de l’installation, il est important de bien comprendre comment est lubrifié chaque type de compresseur.
Pouvez-vous expliquer succinctement la lubrification pour chaque type de compresseur ?
JYC / FP : On distingue 2 catégories de compresseurs au CO2 : à pistons ou à vis. Les contraintes générales de lubrification des paliers des compresseurs frigorifiques à pistons restent comparables à celles des autres compresseurs : pour les petites unités, l’huile assure la lubrification des embiellages et cylindres par barbotage, pour les grosses unités, une pompe à huile attelée assure la lubrification des paliers et embiellages par circulation d’huile. Quel que soit le type d’applications, miscibles ou non-miscibles, il faut bien comprendre que c’est le mélange lubrifiant/CO2 qui assure la lubrification des organes des compresseurs. La solubilité du fluide frigorigène dans l’huile est fonction, d’une part, du comportement intrinsèque du couple fluide frigorigène / lubrifiant, et d’autre part, de la pression : plus la pression est élevée, plus la solubilité est grande; plus la solubilité est grande, plus la chute de viscosité est importante. Cette règle s’applique au CO2 et aux POE, PAO et PAG.
Le film d’huile sur les parois des chemises d’un compresseur de réfrigération à pistons est soumis à des basses températures à l’aspiration (par exemple, -42°C pour une pression d’aspiration de 9,3 bar abs) et à des températures plus élevées au niveau des soupapes de décharge (entre 50 et 75°C en fonction des régimes de fonctionnement).
Comme la viscosité décroît avec la température, le lubrifiant verra sa viscosité beaucoup plus élevée au niveau de l’aspiration qu’au niveau de la décharge. Nous sommes donc face à deux effets antagonistes : la viscosité de l’huile ne doit pas être trop élevée pour s’étendre rapidement en un film fin sur l’ensemble des surfaces à lubrifier, mais doit être suffisamment élevée pour que, malgré la solubilité du CO2, le lubrifiant apporte une protection adéquate contre l’usure. Il faut également tenir compte de l’entraînement de l’huile par le fluide frigorigène au-delà du compresseur, la notion de miscibilité sera alors très importante comme expliquée plus loin.
Nous noterons que dans un compresseur à piston fonctionnant au CO2, à l’arrêt, l’huile est maintenue en température à l’aide de résistances placées dans le carter, afin de faciliter le dégazage du CO2 de l’huile et ainsi d’assurer une plus forte viscosité à la remise en service. On évite ainsi un phénomène de dégazage au redémarrage du compresseur qui aurait pour conséquence de souffler le film d’huile. L’huile dans le carter est soumise à la pression d’aspiration (basse pression). Il faut donc tenir compte de la solubilité du CO2 à la température du carter et la pression d’aspiration pour estimer à l’aide des courbes Viscosité – Pression – Température, la viscosité résiduelle du lubrifiant utilisé. En effet, la viscosité minimale pour permettre une lubrification correcte dans un compresseur à piston est de : 30 centistokes au niveau du vilebrequin, 7 centistokes pour le contact « chemises » / « segments » de la tête de piston. On utilisera donc un grade de viscosité entre 46 et 100 centistokes à 40°C pour obtenir la viscosité minimale requise afin d’assurer une bonne lubrification des organes du compresseur à piston compte tenu de la solubilité du CO2.
Et pour les compresseurs à vis ?
JYC / FP : Des compresseurs à vis lubrifiées ou à vis « humides » sont aussi utilisés dans les installations au CO2. Dans ces systèmes, l’huile lubrifie la surface de contact des vis ainsi que les paliers des vis mâles et femelles. Le lubrifiant assure l’étanchéité entre les vis, le refroidissement des gaz comprimés, ainsi que la commande hydraulique de régulation. Il est important de noter que dans la lubrification des compresseurs à vis lubrifiées, l’accroissement de pression est continu tout le long du profil de la vis. Cela a pour conséquence que la solubilité du CO2 dans le lubrifiant est maximale aux pressions et températures de refoulement du compresseur ; il en résulte une chute de viscosité significative. On utilisera pour la lubrification des compresseurs à vis, un grade de viscosité plus élevé que dans le cas des compresseurs à pistons : généralement des grades de viscosité entre 68 et 220 centistokes à 40°C pour compenser la chute de viscosité.
Y a-t-il des enjeux de lubrification communs à ces 2 types de compresseurs ?
JYC / FP : Oui en effet. La solubilité du CO2 est « maximale » dans l’huile à la sortie du séparateur. Il est bon de prévoir un système de réchauffage ou de rectification de l’huile en sortie du séparateur afin d’éliminer le maximum de CO2 gazeux dissous dans l’huile avant de réinjecter le lubrifiant dans le carter du compresseur soumis à la basse pression. En l’absence d’élimination de ce CO2 dissous, il se produira un phénomène de dégazage très important qui provoquera potentiellement des défauts de lubrification par un moussage important de l’huile. Ce phénomène affecte très négativement le pouvoir lubrifiant de l’huile. De plus, une très faible variation de pression ou de température à l’aspiration peut engendrer la formation de brouillard de CO2. La présence de ces très fines gouttelettes de CO2 liquide engendre potentiellement un délavage du film d’huile qui sera très néfaste au niveau du contact segment / chemise ou du contact coussinets / maneton. La mise en vapeur de ce brouillard peut également « souffler » le film d’huile. Nous observerons une perte du film d’huile et des contacts métal / métal importants entre, par exemple, les segments du piston et la chemise pouvant mener à une casse par serrage. Pour éviter cette condensation du CO2, les concepteurs et installateurs proposent la mise en place d’une surchauffe de 10 à 15° Kelvin du CO2 gazeux à l’aspiration du compresseur.
Avantages et inconvénients des différents types d’huiles POE / PAO / PAG
POE : grande pureté, stabilité chimique, résistance au stress thermique, capacité à supporter de très hautes températures (+210°C), miscibilité avec le CO2, faible volatilité. Inconvénient : hygroscopique. Applications typiques CO2 : applications miscibles.
PAO : stabilité à l’hydrolyse, grande pureté, résistance très élevée au stress thermique, plages de températures étendues de -45°C à +175°C, très faible viscosité à froid, faible volatilité, excellente protection contre l’usure. Applications typiques en CO2 : applications non miscibles.
PAG : grande pureté, excellent pouvoir lubrifiant, stable à la chaleur et au stress thermique, capacité à supporter des températures en continu jusqu’à 210°C. Inconvénient : plus hygroscopiques que les POE, incompatibilité avec certains joints et peintures, les PAG sont généralement incompatibles avec les huiles minérales et les PAO car non miscibles avec elles. Applications typiques en CO2 : applications non miscibles.
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