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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 :
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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 ;
-
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.
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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Fluides organiques
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3. Mélanges eau-alcool et eau-ammoniaque
La mise en solution dans l'eau de fluides à bas point de congélation, comme les alcools, pour obtenir des fluides frigoporteurs est une technique traditionnellement utilisée par les frigoristes. Les antigels les plus couramment employés sont : l'éthylèneglycol (monoéthylèneglycol de formule C2H4(OH)2), le propylèneglycol (1-2 propylèneglycol de formule C3H6(OH)2). Plus anecdotique reste l'utilisation d'éthanol (C2H5OH), de méthanol (CH3OH) et de glycérol (C5H10O4). Par ailleurs, l'ammoniaque dissous dans l'eau (eau ammoniacale) est également utilisé comme fluide frigoporteur.
-
Les principales propriétés de ces fluides (à l'état pur) sont données dans le tableau 3. Comme on peut le constater, éthanol et méthanol sont inflammables et explosifs ; l'ammoniac est toxique et sous certaines conditions explosif. L'emploi de ces fluides devra prendre en compte les contraintes de sécurité que les risques de toxicité, d'inflammabilité ou d'explosivité imposent.
On remarque également que, parmi ces fluides :
-
certains sont peu volatils comme l'éthylèneglycol, le propylèneglycol, le glycérol ; ils se prêtent à une manipulation aisée et à une conception de circuit frigoporteur simple ;
-
certains sont moyennement volatils comme l'éthanol et le méthanol ; ils supposent des précautions en termes de stockage et de manipulation. Ils nécessitent des circuits fermés ;
-
l'ammoniaque est très volatile et nécessite un circuit fermé et étanche au risque d'une perte régulière de vapeurs à l'atmosphère.
En solution dans l'eau, lorsque la concentration en antigel croît, la température de congélation décroît jusqu'à atteindre une température minimale (– 97 °C pour le méthanol, – 114 °C pour l'éthanol, – 45 °C pour l'éthylèneglycol et – 55 °C pour le propylène-glycol) pour des concentrations massiques comprises entre 50 et 60 %. Au-delà, la température de congélation croît pour l'éthanol, le méthanol, l'éthylèneglycol ; la solution de propylèneglycol prend une structure vitreuse.
Pour l'ensemble des solutions, l'adjonction supplémentaire...
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Mélanges eau-alcool et eau-ammoniaque
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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QUIZ ET TEST DE VALIDATION PRÉSENTS DANS CET ARTICLE
1/ Quiz d'entraînement
Entraînez vous autant que vous le voulez avec les quiz d'entraînement.
2/ Test de validation
Lorsque vous êtes prêt, vous passez le test de validation. Vous avez deux passages possibles dans un laps de temps de 30 jours.
Entre les deux essais, vous pouvez consulter l’article et réutiliser les quiz d'entraînement pour progresser. L’attestation vous est délivrée pour un score minimum de 70 %.
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