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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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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) ;
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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 ;
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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
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- Version courante de oct. 2015 par Christophe MARVILLET
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Critères de choix d’un fluide frigoporteur6. Performances énergétiques des fluides frigoporteurs : comparaison et choix
Les pouvoirs caloporteur et calovecteur ainsi que le coefficient de performance énergétique des fluides frigoporteurs constituent un critère essentiel du choix de ces fluides car ils déterminent, comme nous l’avons vu précédemment, les coûts d’investissement et de fonctionnement du dispositif.
En préalable à l’évaluation de ces paramètres, la température minimale rencontrée dans le circuit frigoporteur doit être définie : elle détermine la concentration, pour les solutions aqueuses, en sel ou alcool nécessaire pour éviter toute formation de gel en paroi de l’évaporateur du groupe de réfrigération. La concentration de ces solutions connue, l’évaluation des principales propriétés (masse volumique, viscosité cinématique, conductivité thermique, capacité thermique massique) est réalisée à une température moyenne de fonctionnement.
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La procédure de comparaison comprend en premier lieu une évaluation des trois critères énergétiques que nous avons définis dans l’article . Cette évaluation est représentée, pour une condition de température de − 30 ˚C, figure 9, avec l’hypothèse d’un écoulement laminaire et d’une température minimale de − 40 ˚C :
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le pouvoir caloporteur des solutions aqueuses présente des valeurs proches alors que celui les fluides organiques leur est en moyenne 2,5 fois inférieur ;
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le pouvoir calovecteur des solutions aqueuses, et des saumures en particulier, est élevé grâce à une bonne conductivité thermique. Les fluides organiques présentent des valeurs trois fois moindres du pouvoir calovecteur par rapport aux solutions aqueuses ;
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du fait de la grande dispersion des valeurs de leur viscosité cinématique (de 350 mm2/s pour le glycérol à moins de 1 mm2/s pour le HFE 7100), les fluides frigoporteurs présentent des valeurs du coefficient de performance énergétique très dispersées. On ne peut, contrairement aux deux autres critères, hiérarchiser les différentes catégories de fluides (saumures, solutions eau/alcool, fluides organiques).
Remarque importante : les évaluations réalisées figure 9...
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