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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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Gaz5. Métaux liquides
5.1 Principaux fluides caloporteurs. Propriétés physico-chimiques
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Les métaux liquides actuellement utilisés comme fluides caloporteurs ou ayant au moins fait l’objet d’essais approfondis sont le mercure (Hg), le sodium (Na), les alliages sodium-potassium (Na-K), le lithium (Li), le plomb (Pb) et les alliages plomb-bismuth (Pb-Bi). Leurs températures de fusion et d’ébullition sont indiquées dans le tableau 3.
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Propriétés physico-chimiques
Leur domaine d’application est compris entre 200 ˚C et 700 ˚C et leur stabilité thermique est parfaite puisque ce sont des corps simples.
La faible capacité thermique massique (de l’ordre de 1 000 J/kg/K) malgré des masses volumiques élevées génère un pouvoir caloporteur moyen inférieur de 20 à 50 % de celui de l’eau.
Grâce à une très bonne conductivité thermique (de l’ordre de 10 à 100 W/(m · K)), les métaux liquides présentent un pouvoir calovecteur exceptionnel. Toutefois, du fait de viscosités élevées, leur coefficient de performance énergétique (puissance thermique transférée/puissance de pompage) reste inférieur à celui de l’eau.
Les métaux liquides peuvent être corrosifs à haute température.
d Pour le mercure, les aciers au carbone peuvent convenir jusqu’à 400 ˚C ; au-delà, il est préférable d’utiliser des aciers au chrome.
d Pour le sodium et les alliages sodium-potassium, les matériaux à privilégier sont les aciers inoxydables 18-8 qui présentent d’excellents comportements jusqu’à 650 ˚C.
d Pour le lithium, les aciers inoxydables 18-8 peuvent convenir jusqu’à 500 ˚C.
d Pour le plomb et les alliages plomb-bismuth, les aciers au carbone et au chrome conviennent jusqu’à 600 ˚C.
Les métaux liquides présentent tous des risques d’incendie : le lithium, le sodium, l’alliage sodium-potassium s’enflamment spontanément à l’air et présentent donc des risques certains. Ces risques d’inflammation, qui dépendent du degré de division du métal, sont présents à température ambiante pour l’alliage sodium-potassium, dès 150 ˚C pour les autres métaux. Le lithium, le sodium et l’alliage sodium-potassium réagissent violemment...
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