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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 : 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 :
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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
VERSIONS
- Version archivée 1 de janv. 2003 par Christophe MARVILLET
DOI (Digital Object Identifier)
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Mélanges eau-alcool et eau-ammoniaque
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2. Eau et saumures
2.1 Eau
Le médium frigoporteur le plus utilisé est l'eau : c'est d'ailleurs le médium le plus intéressant chaque fois que l'on peut se contenter de températures supérieures à 0 °C.
Pour les cas où des éléments du circuit frigoporteur présentent des températures inférieures à 0 °C (les éléments les plus « froids » du circuit sont les parois de l'évaporateur), seules des solutions aqueuses contenant un composant favorisant l'abaissement du point de congélation peuvent être utilisées : c'est le cas de nombreux sels organiques ou inorganiques.
HAUT DE PAGE2.2 Principaux sels utilisés dans les saumures
La mise en solution de sels permet d'abaisser de façon très importante la température de congélation de la solution comme on le voit à la figure 1 pour les saumures les plus courantes (à base de sels inorganiques) que sont le chlorure de calcium et de sodium, le chlorure de magnésium, le carbonate de potassium. Ces courbes mettent toutes en évidence la présence d'un eutectique caractérisé par le point de congélation le plus bas. Ainsi, les points de congélation minimaux s'échelonnent entre – 21,2 °C pour le chlorure de sodium et – 55 °C pour le chlorure de calcium (tableau 1).
Dans les années 1990 sont apparues sur le marché d'autres solutions aqueuses à base de sels organiques tels que l'acétate de potassium et le formate de potassium qui présentent certaines caractéristiques avantageuses par rapport aux saumures traditionnelles et, en particulier :
-
des températures de fonctionnement notablement plus basses (< – 60 °C pour les solutions à base de formate de potassium) de par l'absence de point eutectique comme le montre la figure 2 pour une solution à base d'acétate/formate de potassium ;
-
des risques de corrosion des métaux courants réduits grâce à des inhibiteurs de corrosion non toxiques ;
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une compatibilité avec un contact avec les aliments ;
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des viscosités inférieures aux mélanges eau + glycol à basse température,...
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Eau et saumures
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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