Présentation
RÉSUMÉ
Un fluide frigoporteur assure le transport de la puissance frigorifique de l'évaporateur d'un groupe de production de froid au dispositif utilisateur en respectant des contraintes, de sécurité et de respect de l'environnement, et économiques. Les principaux fluides frigoporteurs sont les gaz, avec un médiocre pouvoir calovecteur et caloporteur mais valorisables pour des usages notamment alimentaires. Pour le froid industriel ou commercial, de -40°C à l'ambiante, les solutions aqueuses et les fluides organiques sous forme d'huile minérale ou synthétique sont privilégiés. Les fluides diphasiques se développent, compte tenu des performances énergétiques élevées et de la réduction importante des débits véhiculés.
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A heat transfer fluid transports cooling capacity from the evaporator of a refrigerating group to users, under different constraints: safety, environment, cost. The most common fluids are gases with poor performance but that are cost-effective for food applications. For industrial and commercial refrigeration (from -40 ° C to ambient temperature) aqueous solutions and organic fluids, either mineral or synthetic, are chosen. Two-phase fluids are attracting growing interest, given their high energy performance and significantly lower pumping energy consumption.
Auteur(s)
-
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)
INTRODUCTION
L’intérêt porté aux fluides frigoporteurs et à la recherche de fluides à haute performance pour les applications à basse température est récent. Traditionnellement, les ingénieurs frigoristes faisaient appel à quatre catégories de fluides frigoporteurs pour les usages courants :
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les gaz, et tout particulièrement l’air pour un très grand nombre d’applications (tunnel de surgélation...) et l’azote gazeux lorsque les niveaux de température (notamment pour des températures inférieures à la température du point triple du CO2) l’imposaient ;
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les saumures qui sont des solutions aqueuses à base de sels inorganiques tels que le chlorure de calcium, le carbonate de potassium ou, plus rarement, le chlorure de sodium pour certains usages alimentaires ;
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les mélanges d’eau et d’antigel à base d’alcools tels que le monoéthylèneglycol et le propylèneglycol, voire, plus rarement, des mélanges d’eau et ammoniaque (eau ammoniacale) ;
-
enfin, pour des applications à basse température, les hydrocarbures halogénés de type R11 [trichlorofluorométhane (CCl3F), chlorure de méthylène (CH2Cl2) et trichloroéthylène (CCl2CHCl)].
Des réglementations, susceptibles de se durcir au cours du XXIe siècle, ont visé à la réduction des émissions de gaz à effet de serre dans l’atmosphère, dont les fluides frigorigènes les plus courants (les HFC, par exemple), et favorisent l’émergence des systèmes à froid indirect. Des interdictions plus anciennes ont touché la production des CFC de type R11 et des réglementations draconiennes concernent l’usage de certains fluides halogénés (trichloro-éthylène).
Ces évolutions réglementaires récentes ont poussé les ingénieurs frigoristes à s’intéresser à de « nouveaux fluides » présentant des performances énergétiques satisfaisantes à basse température (− 40 ˚C, par exemple) tout en offrant des qualités environnementales, de toxicité et d’inflammabilité acceptables. Sont apparus sur le marché de nouveaux fluides qui s’ajoutent aux précédents :
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des solutions aqueuses avec des sels tels que l’acétate de potassium, le formate de potassium, voire des mélanges d’acétate et de formate de potassium ;
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des mélanges d’eau et d’alcool de type éthanol, méthanol, glycérol, ou des mélanges à base éthanol/glycérol ;
-
des fluides organiques divers comparables à ceux décrits comme fluides caloporteurs (cf. article ) : huiles aromatiques, huiles silicones, hydrofluoroéther, terpène à base d’agrume...
Plus spécifiquement, la recherche de performances énergétiques élevées amène à l’émergence de fluides frigoporteurs « diphasiques » de deux types distincts :
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les frigoporteurs diphasiques « liquide-vapeur » : le dioxyde de carbone est le fluide dont l’usage se développe depuis peu d’années ;
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les frigoporteurs diphasiques « liquide-solide » constitués d’un médium liquide à base de mélange aqueux et de cristaux de glace en suspension dans ce médium. Une large diversité de produits existe tant par la nature du composé en solution dans l’eau (alcool, sel) que par le dispositif technique de production des cristaux.
Cet article est le dernier volet de l’étude concernant les fluides caloporteurs et 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 .
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MOTS-CLÉS
propriétés des fluides efficacité énergétique de réseaux de distribution froid industriel génie climatique Echangeurs thermiques Réseaux de chaleur réseaux de froid
KEYWORDS
fluid properties | energy efficiency cooling systems | industrial refrigeration | air conditioning | heat exhangers | distric heating | district cooling
VERSIONS
- Version courante de oct. 2015 par Christophe MARVILLET
DOI (Digital Object Identifier)
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Fluides organiques3. Mélanges eau-alcool et eau-ammoniaque
La mise en solution dans l’eau de fluides à bas point de congélation, comme les alcools, pour obtenir des fluides frigoporteurs est une technique traditionnellement utilisée par les frigoristes. Les antigels les plus couramment employés sont : l’éthylèneglycol (monoéthylèneglycol de formule C2H4(OH)2), le propylèneglycol (1-2 propylèneglycol de formule C3H6(OH)2). Plus anecdotique reste l’utilisation d’éthanol (C2H5OH), de méthanol (CH3OH) et de glycérol (C5H10O4). Par ailleurs, l’ammoniac dissous dans l’eau (eau ammoniacale) est également utilisé comme fluide frigoporteur.
-
Les principales propriétés de ces fluides (à l’état pur) sont données dans le tableau 3. Comme on peut le constater, éthanol et méthanol sont inflammables et explosifs ; l’ammoniac est explosif. L’emploi de ces fluides devra prendre en compte les contraintes de sécurité que les risques de toxicité, d’inflammabilité ou d’explosivité imposent.
On remarque également que, parmi ces fluides :
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certains sont peu volatils comme l’éthylèneglycol, le propylèneglycol, le glycérol ; ils se prêtent à une manipulation aisée et à une conception de circuit frigoporteur simple ;
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certains sont moyennement volatils comme l’éthanol et le méthanol ; ils supposent des précautions en termes de stockage et de manipulation. Ils nécessitent des circuits fermés ;
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l’ammoniaque est très volatile et nécessite un circuit fermé et étanche au risque d’une perte régulière de vapeurs à l’atmosphère.
En solution dans l’eau, lorsque la concentration en antigel croît, la température de congélation décroît jusqu’à atteindre une température minimale (− 97 ˚C pour le méthanol, − 114 ˚C pour l’éthanol, − 45 ˚C pour l’éthylèneglycol et − 55 ˚C pour le propylèneglycol) pour des concentrations massiques comprises entre 50 % et 60 %. Au-delà, la température de congélation croît pour l’éthanol, le méthanol, l’éthylèneglycol ; la solution de propylèneglycol prend une structure...
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