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Auteur(s)
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Christophe MARVILLET : Ingénieur de l’École centrale de Lyon - Chef de laboratoire au CEA/GRETh (Groupement pour la recherche sur les échangeurs thermiques) - Enseignant à l’IFFI (Institut français du froid industriel) – CNAM Paris - Détaché à l’ANVAR/PACA (Marseille)
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Les principaux fluides caloporteurs sont les gaz sous forme d’azote, d’hélium, d’air, de dioxyde de carbone et de vapeur d’eau caractérisés par un médiocre pouvoir calovecteur et caloporteur : toutefois, leur grande disponibilité pour certains et leurs applications à très haute température pour d’autres en font des fluides couramment utilisés dans les procédés industriels. Pour des procédés industriels fonctionnant jusqu’à des températures de 350 ˚C, les fluides organiques sous forme d’huile minérale ou synthétique peuvent trouver de larges applications. Les fluides halogénés de type PFC ou HFE trouvent des usages où leur rigidité diélectrique et leur volatilité s’appliquent à des procédés de refroidissement ou de production en électronique. Les usages à plus haute température imposent des fluides caloporteurs de type sels fondus voire métaux liquides dont la mise en œuvre reste délicate malgré des propriétés physiques particulièrement favorables.
Cet article est le second volet traitant des fluides caloporteurs et frigoporteurs. Il est complété par l’article Fluides frigoporteurs- Propriétésconcernant plus particulièrement les fluides frigoporteurs.
Pour les définitions générales, les critères de choix ainsi que pour consulter le tableau des notations et symboles, le lecteur se reportera à l’article Fluides caloporteurs et frigoporteurs- Définitions. Critères de choix.
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- Version courante de juil. 2015 par Christophe MARVILLET
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Eau1. Gaz
1.1 Principaux gaz caloporteurs. Propriétés physico-chimiques
L’azote, l’air, l’hélium, le dioxyde de carbone et la vapeur d’eau surchauffée sont les principaux gaz caloporteurs. Ce sont, à l’exception de l’air, des composés simples. Par ailleurs, les gaz de combustion, lorsqu’ils sont transportés hors de la chaudière pour y céder leur chaleur sensible ou latente, jouent le rôle de fluide caloporteur contenant une forte proportion d’azote.
Les principaux gaz caloporteurs sont ininflammables, non dangereux pour la santé en concentration modérée et stables sur un grand domaine de température et de pression.
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L’hélium, par sa masse molaire très faible, présente une masse volumique très différente des autres gaz caloporteurs : elle est particulièrement faible dans les conditions normales (0,18 kg/m3). La singularité de ce gaz est également notable pour les autres propriétés physiques : il possède une grande capacité thermique massique (5 J/(kg · K) soit cinq fois celle de l’air sec), une conductivité thermique élevée (0,14 W/(m · K) soit environ six fois celle de l’air sec). Cependant, pour augmenter son pouvoir caloporteur à haute température, il est nécessaire de l’utiliser sous pression (5 à 8 MPa) afin d’augmenter sa masse volumique.
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Le dioxyde de carbone, par opposition à l’hélium, est très dense (2 kg/m3 dans les conditions normales de température et de pression). Il permet ainsi, sous pression modérée, d’offrir une bonne capacité thermique volumique (1 500 J/(m3 · K) dans les conditions normales de température et de pression). À basse température, son usage est limité par sa température de point triple qui se situe à − 78,9 ˚C à la pression atmosphérique.
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L’air, par sa disponibilité, est le caloporteur le plus fréquemment utilisé malgré des caractéristiques thermiques médiocres [cp = 1 J/(kg · K) et λ = 0,024 W/(m · K)]. L’usage de l’air dans des applications cryogéniques est limité par la présence de CO2.
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L’azote est le constituant principal de l’air....
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