Lubrication with a refrigerant : An industrial challenge investigated through multiscale modeling based on fluid/surface chemistry

par Stéphane Tromp

Thèse de doctorat en Génie mécanique

Sous la direction de Nicolas Fillot.

Soutenue le 11-07-2018

à Lyon , dans le cadre de Ecole Doctorale Mecanique, Energetique, Genie Civil, Acoustique (MEGA) (Villeurbanne) , en partenariat avec Institut national des sciences appliquées de Lyon (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) , LaMCoS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures, UMR 5259 (Lyon, INSA) (laboratoire) et de Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures [Villeurbanne] / LaMCoS (laboratoire) .

Le président du jury était Céline Leonard.

Le jury était composé de Nicolas Fillot, Céline Leonard, Daniele Dini, Michael Moseler, Manuel Cobian, Laurent Joly.

Les rapporteurs étaient Daniele Dini, Michael Moseler.

  • Titre traduit

    Lubrification avec un fluide frigorigène : Un défi industriel étudié par le biais de la modélisation multi-échelles basée sur la chimie fluide / surface


  • Résumé

    Dans les grands systèmes de réfrigération, l’utilisation de réfrigérants comme lubrifiants, à la place des huiles, simplifie la conception du système, l’allège et réduit son impact environnemental. La très faible viscosité du réfrigérant conduit à une épaisseur de film séparant les deux surfaces comparable à leur rugosité. Néanmoins, des travaux expérimentaux avec le réfrigérant R1233zd suggèrent que la lubrification est possible dans ces conditions grâce à la formation d’une couche adsorbée sur la surface d’oxyde de fer. Les analyses expérimentales in situ dans le contact sont très difficiles à cause des conditions de fort confinement et haute pression. C’est pourquoi une approche numérique multi-échelles est développée, afin d’étudier l’impact des réactions physico-chimiques à l’interface réfrigérant-surface sur les propriétés de lubrification. La théorie de la fonctionnelle de la densité est utilisée pour quantifier au niveau quantique, l’adsorption d’une molécule de réfrigérant sur une surface d’oxyde de fer. Des énergies de liaison allant de -0.92 eV à -0.22 eV sont observées et reliées à différents cas d’adsorption. Ces résultats sont exploités pour paramétrer un champ de forces interfacial, qui prédit des structures moléculaires à l’interface, différentes de celles obtenues avec des potentiels basés sur les règles de mélange classiques. Des simulations de dynamique moléculaire utilisant ce champ de forces paramétré confirment l’existence d’une couche fortement adsorbée de R1233zd sur une surface d’oxyde de fer. Avec des surfaces atomiques lisses et seulement 2 nm d’épaisseur de film de réfrigérant, les couches adsorbées résistent à des pressions allant jusqu’à 4 GPa et des vitesses de cisaillement atteignant 100 m/s. Une valeur minimale de 5 molécules de réfrigérant par nm² est nécessaire à la formation de deux couches adsorbées à 0.5 GPa. De plus, des simulations en cisaillement avec une surface rugueuse prédisent une rupture totale du film à environ 13 GPa.


  • Résumé

    In large refrigeration systems, using the refrigerant as lubricant instead of oil can help to simplify the design, lighten the systems, and reduce their environmental impact. However, the very low viscosity of refrigerants leads to ultra-thin films separating the surfaces, with a thickness comparable to surface roughness. Nevertheless, experiments with the R1233zd refrigerant suggests that lubrication is still possible in that situation thanks to an adsorbed layer formed on iron oxide surfaces. Experimental in situ analysis area is very difficult because of high confinement and high pressure. That is why a multiscale numerical approach is developed here, to explore the impact of chemical reactions and physical processes at the refrigerant-surface interface on large-scale lubrication properties. Density functional theory is used to quantify the adsorption of a refrigerant molecule on an iron oxide surface at the quantum level. Binding energies ranging from -0.92 eV to -0.22 eV are measured and related to different adsorption cases. These results are then used to parametrize an interfacial force field, whose predictions of interfacial molecular structure differs from those obtained using potentials based on standard mixing rules. Large-scale molecular dynamics simulations involving this parametrized force field confirm the existence of a strongly adsorbed layer of R1233zd molecules on iron oxide surface. With atomically smooth surfaces, and a refrigerant film thickness as small as 2 nm, the adsorbed refrigerant layers resists pressures as high as 4 GPa and sliding velocities as high as 100 m/s. A minimum value of 5 refrigerant molecules per nm² is necessary to the formation of two adsorbed layers at 0.5 GPa. Moreover, sliding simulations with a rough surface reveal total film breakdown for ca. 13 GPa.


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