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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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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 : Professeur du Cnam (Conservatoire national des arts et métiers) - Directeur de l'IFFI (Institut français du froid industriel et du génie climatique) Paris, France
INTRODUCTION
Lintérêt porté aux fluides frigoporteurs et à la recherche de fluides à haute performance pour les applications à basse température est récent de par les contraintes environnementales qui tendent à limiter les charges en fluide frigorigène des installations de production de froid. Traditionnellement, les ingénieurs frigoristes ont fait appel à trois catégories de fluides frigoporteurs pour les usages courants :
-
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 ;
-
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 ;
-
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 d'ammoniaque (eau ammoniacale appelée aussi alcali).
La recherche combinée de performances énergétiques élevées des systèmes de production/distribution de froid et de fluides à faible impact environnemental a poussé les ingénieurs frigoristes à s'intéresser à de « nouveaux fluides » frigoporteurs. Sont apparus sur le marché de nouveaux fluides qui s'ajoutent aux précédents :
-
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 ;
-
des mélanges d'eau et d'alcool de type éthanol, méthanol, glycérol, ou des mélanges à base éthanol/glycérol ;
-
des solutions aqueuses à base de bétaïne et de d propanediol ;
-
des fluides organiques divers comparables à ceux décrits comme fluides caloporteurs [BE 9 571] : huiles aromatiques, huiles silicones, hydrofluoroéther, terpène à base d'agrume...
Plus récemment, on note l'émergence de fluides frigoporteurs « diphasiques » de deux types distincts :
-
les frigoporteurs diphasiques « liquide-vapeur » parmi lesquels le dioxyde de carbone est le fluide dont l'usage se développe depuis quelques années ;
-
les frigoporteurs diphasiques « liquide-solide » qui permettent également d'associer à la fonction de distribution de « froid » entre le dispositif de production et l'usage, une fonction de stockage thermique considérée comme essentielle pour une meilleure gestion des systèmes thermiques.
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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 archivée 1 de janv. 2003 par Christophe MARVILLET
DOI (Digital Object Identifier)
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Fluides frigoporteurs diphasiques liquide-solide
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5. Dioxyde de carbone
5.1 Propriétés du dioxyde de carbone et application en boucle diphasique
Le dioxyde de carbone présente des qualités indéniables comme fluide frigoporteur notamment de par ses conditions d'application de + 15 à – 50 °C avec des propriétés thermophysiques intéressantes: faible viscosité en phase liquide, forte capacité thermique également en phase liquide comme le montre le tableau 6. Son usage s'est développé récemment pour des raisons très spécifiques, dans un contexte de remise en cause et de durcissement des réglementations sur les fluides frigorigènes traditionnellement utilisés par les frigoristes (HFC et HCFC). On note parmi ces raisons :
-
faible impact environnemental (pas d'effet sur la couche d'ozone ODP = 0, très faible contribution à l'effet de serre en comparaison avec les fluides HFC notamment) ;
-
aucune toxicité, ni risque d'inflammabilité ou d'explosivité ;
-
grande disponibilité et coût avantageux ;
-
compatibilité alimentaire.
Ces qualités réelles peuvent de plus être valorisées par un usage sous forme de mélange liquide-vapeur qui permet d'utiliser l'enthalpie de vaporisation et de réduire de façon très significative le débit de fluide en circulation.
Dans ces conditions d'usage, on représente en figure 5 un schéma d'un dispositif technique où apparaît un circuit frigoporteur CO2 associé à un groupe de production de froid à l'ammoniac ou au R404A. Ainsi, le fluide à refroidir cède de l'énergie thermique et permet ainsi la vaporisation du CO2 liquide (par exemple à – 36 °C). La phase vapeur produite est envoyée sur l'évapo-condenseur, échangeur assurant les transferts thermiques entre la boucle frigoporteur et le groupe de production de froid, puis condensée à une température de saturation proche de celle – 36 °C pour l'exemple considéré : le condensat – sensiblement sous-refroidi – est mis en circulation grâce une pompe et envoyé de nouveau vers l'échangeur en contact avec le fluide à refroidir.
L'intérêt d'un tel dispositif réside dans le très fort pouvoir caloporteur du fluide du fait de l'utilisation de la chaleur latente de condensation : ainsi, la puissance thermique transportée...
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Dioxyde de carbone
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - * - Ashrae Handbook Fundamentals (2010).
-
(2) - HILLERNS (F.) - Thermophysical properties and corrosion behavior of secondary coolants. - ASHRAE Winter meeting (2001).
-
(3) - Thermophysical properties of liquid secondary refrigerants. - IIF/IIR, Paris.
-
(4) - * - Association française du Froid. Guide technique pour le refroidissement indirect http://www.association-francaise-du-froid.fr/ouvrages.php
-
(5) - * - Compte rendu des colloques de l'IIF sur les fluides naturels et du groupe de travail sur coulis et PCM.
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
COOLPACK, logiciel de calcul de propriétés physiques de fluide et de calcul de cycles thermodynamiques http://en.ipu.dk/lhdhold/refrigeration-and-energy-technology/coolpack.aspx
REFPROP, logiciel du NIST (États-Unis) pour le calcul des propriétés des fluides frigorigènes
EES, solveur d'équations contenant une base de données fluides
ECHTHERM, logiciel développé par le GRETh pour le calcul d'échangeurs thermiques et intégrant une base de données fluides http://www.greth.fr/
HAUT DE PAGE2.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
Glycol et alcool
Dow Chemical Company http://www.dow.com
Clariant International Ltd http://www.clariant.com
BASF http://www.basf.com
Tyforop Chimie Gmbh http://www.chemie.de
Kemetyl http://www.kemetyl.se
Binol
Saumures
Clariant...
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