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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 ;
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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 :
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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 ;
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des mélanges d'eau et d'alcool de type éthanol, méthanol, glycérol, ou des mélanges à base éthanol/glycérol ;
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des solutions aqueuses à base de bétaïne et de d propanediol ;
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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 ;
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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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Critères de choix d'un fluide frigoporteur
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7. Performances énergétiques des fluides frigoporteurs : comparaison et choix
Les pouvoirs caloporteur et calovecteur ainsi que le coefficient de performance énergétique des fluides frigoporteurs constituent un critère essentiel du choix de ces fluides car ils déterminent, comme nous l'avons vu précédemment, les coûts d'investissement et de fonctionnement du dispositif.
En préalable à l'évaluation de ces paramètres, la température minimale rencontrée dans le circuit frigoporteur doit être définie : elle détermine la concentration, pour les solutions aqueuses, en sel ou alcool nécessaire pour éviter toute formation de gel en paroi de l'évaporateur du groupe de réfrigération. La concentration de ces solutions connue, l'évaluation des principales propriétés (masse volumique, viscosité cinématique, conductivité thermique, capacité thermique massique) est réalisée à une température moyenne de fonctionnement.
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La procédure de comparaison comprend en premier lieu une évaluation des trois critères énergétiques que nous avons définis dans l'article [BE 9 570]. Cette évaluation est représentée à la figure 12, pour une condition de température de – 30 °C, avec l'hypothèse d'un écoulement laminaire et d'une température minimale de – 40 °C :
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le pouvoir caloporteur des solutions aqueuses présente des valeurs proches alors que celui les fluides organiques leur est en moyenne 2,5 fois inférieur ;
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le pouvoir calovecteur des solutions aqueuses, et des saumures en particulier, est élevé grâce à une bonne conductivité thermique. Les fluides organiques présentent des valeurs trois fois moindres du pouvoir calovecteur par rapport aux solutions aqueuses ;
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du fait de la grande dispersion des valeurs de leur viscosité cinématique (de 350 mm2/s pour le glycérol à moins de 1 mm2/s pour le HFE 7100 ), les fluides frigoporteurs présentent des valeurs du coefficient de performance...
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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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