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RÉSUMÉ
Les principaux fluides caloporteurs sont les gaz sous forme d'azote, d'hélium, d'air, de dioxyde de carbone et de vapeur d'eau surchauffée caractérisés par un médiocre pouvoir calovecteur et caloporteur mais valorisables pour des usages à très haute température. 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 divers. Les usages à plus haute température imposent des fluides caloporteurs de type sels fondus voire métaux liquides dont la mise en oeuvre reste délicate malgré des propriétés physiques particulièrement favorables.
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Christophe MARVILLET : Professeur du CNAM (Conservatoire national des arts et métiers) - IFFI-CNAM (Institut français du froid industriel et du génie climatique), Paris, France
INTRODUCTION
Le rôle d'un fluide caloporteur est d'assurer le transport de la chaleur d'une source thermique à un puits thermique, tout en respectant un certain nombre de contraintes :
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contraintes techniques telles que la réduction des pertes thermiques ou une faible consommation d'énergie de transport du fluide. Elles sont conditionnées par les propriétés thermodynamiques et thermo-physiques telles que la masse volumique, la capacité thermique ou chaleur latente pour les fluides à changement de phase, la viscosité dynamique… ;
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contraintes de sécurité et environnementales (en particulier, effet sur la couche d'ozone et contribution à l'effet de serre) et qui prennent une place déterminante dans le choix des fluides. Elles sont conditionnées par des réglementations en constante évolution qui intègrent les critères traditionnels de toxicité, d'inflammabilité, de sécurité pour les personnes et les produits, d'explosivité mais également d'impact sur la couche d'ozone et surtout de contribution à l'effet de serre ;
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contraintes économiques ; le coût du fluide lui-même, la structure et le coût du réseau de distribution de chaleur, la taille des auxiliaires de pompage, de compression ou de ventilation sont directement déterminés par les propriétés thermodynamiques des fluides. Les échangeurs de chaleur intégrés à ce réseau (notamment aux sources et puits de chaleur) sont partiellement dimensionnés par les propriétés « calovectrices » des fluides telles que la conductivité de ces fluides.
Selon leurs applications, les fluides caloporteurs peuvent être des gaz (azote, hélium…), de l'eau, des fluides organiques, des sels fondus ou des métaux liquides.
Les développements actuels portent sur des fluides, dits nanofluides, dans lesquels sont introduites des nanoparticules qui présentent l'avantage d'accroître de façon significative la conductivité thermique du fluide. Ces développements restent limités au niveau pré industriel mais peuvent constituer à terme une évolution importante de la technologie des fluides thermiques.
Cet article est le second volet traitant des fluides caloporteurs et frigoporteurs. Il est complété par l'article Fluides frigoporteurs – Propriétés [BE 9 572] concernant plus particulièrement les fluides frigoporteurs.
Pour les définitions générales, les critères de choix se reporter à l'article Fluides caloporteurs et frigoporteurs – Définitions. Critères de choix [BE 9 570].
Les noms commerciaux des différents fluides ainsi que leurs fournisseurs sont donnés en [Doc. BE 9 571].
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MOTS-CLÉS
Gaz Eau Nanofluide Refroidissement Procédés industriels Récupération par rejets thermiques Echangeurs thermiques Réseaux de chaleur
VERSIONS
- Version archivée 1 de janv. 2003 par Christophe MARVILLET
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Nanofluides
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5. Métaux liquides
5.1 Principaux fluides caloporteurs. Propriétés physico-chimiques
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.
Leur domaine d'application est compris entre 200 et 700 oC 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 :
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pour le mercure, les aciers au carbone peuvent convenir jusqu'à 400 oC ; au-delà, il est préférable d'utiliser des aciers au chrome ;
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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 oC ;
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pour le lithium, les aciers inoxydables 18-8 peuvent convenir jusqu'à 500 oC ;
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pour le plomb et les alliages plomb-bismuth, les aciers au carbone et au chrome conviennent jusqu'à 600 oC.
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 et dès 150 oC pour les autres métaux. Le lithium, le sodium et l'alliage sodium-potassium réagissent violemment avec l'eau : la réaction peut être...
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Métaux liquides
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - EASTMAN (J.A.), CHOI SUSYU (W.), THOMSON (L.) - Anomalously Increased effective thermal conductivities of ethylene glycol-based nanofluids containing copper nanoparticles. - Applied Physics Letters, vol. 78, p. 718-720 (2001).
-
(2) - EASTMAN (J.A.), CHOI SUS, LI (S.) - Development of energy-efficient nanofluids for heat transfer applications. - (2001) http://web.archive.org/web/20010622123846http://www.msd.anl.gov/highlights/ Eastman.html
-
(3) - SAIDUR (R.), LEONG (K.Y.), MOHAMMAD (H.A.) - A review on applications and challenges of nanofluids. - Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 15, p. 1646-1668 (2011).
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
COOLPACK, logiciel de calcul de propriétés physiques de fluide et de calcul de cycles thermodynamiques.
REFPROP, logiciel du NIST (États-Unis) pour le calcul des propriétés des fluides frigorigènes.
PROPHY, logiciel développé par la société PROSIM, pour le calcul des propriétés des fluides.
EES, solveur d'équations contenant une base de données fluide.
ECHTHERM, logiciel développé par le GRETh pour le calcul d'échangeurs thermiques et intégrant une base de données fluides.
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