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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 :
-
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.
L'expertise technique et scientifique de référence
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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Performances énergétiques des fluides frigoporteurs : comparaison et choix
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6. Fluides frigoporteurs diphasiques liquide-solide
Le développement récent de fluides formés de mélanges diphasiques liquide-solide repose sur trois technologies différentes :
-
les coulis de glace (PCS) ;
-
les coulis de glace à base de microcapsules (MPCS) ;
-
les coulis à base d'hydrate (CHS).
le terme coulis a été retenu au lieu de sorbet utilisé pour les glaces à l'eau qui sont quasi solides.
La valorisation de la chaleur latente lors de la fusion des particules solides pour les PCS et MPCS, la valorisation de la chaleur de réaction pour les CHS permet de réduire les volumes de stockage thermique, les dimensions des tuyauteries, des vannes, des pompes du réseau de distribution par rapport aux fluides frigoporteurs monophasiques.
L'usage des coulis de glace PCS est récent et des applications commerciales se développent en Europe depuis quelques années. Les coulis de type MPCS et CHS ont donné lieu à de nombreux travaux de recherche mais les quelques installations industrielles peuvent, à ce jour, être considérées comme de premiers démonstrateurs techniques.
6.1 Propriétés des coulis de glace de type PCS (phase change slurry )
Les coulis de glace (communément appelés ice slurry) sont des mélanges de petites particules de glace (typiquement de diamètres compris entre 0,01 et 0,2 mm), d'eau et d'un agent permettant l'abaissement du point de congélation (alcool, sels). Grâce à l'enthalpie de fusion des particules de glace, les coulis de glace présentent un pouvoir caloporteur très important.
Les propriétés thermodynamiques de ces fluides sont comparables à celles représentées pour le mélange eau/éthanol (concentration de 10 % en masse d'éthanol) à la figure 7. La masse volumique, l'enthalpie spécifique du fluide et la concentration en particules de glace sont fonction de la température du fluide :
-
le point de congélation du mélange eau/éthanol est proche de – 4 °C ; au-dessous de ce seuil, le fluide s'enrichit progressivement en cristaux de glace d'eau pure jusqu'à atteindre une concentration massique de glace proche de 40 % à – 8 °C (figure 7 a ). Lors de ce processus de formation d'une phase solide, la phase liquide s'enrichit en éthanol ;
-
l'évolution...
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Fluides frigoporteurs diphasiques liquide-solide
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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