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RÉSUMÉ
Les principaux fluides caloporteurs sont les gaz sous forme d'azote, d'hélium, d'air, de dioxyde de carbone et de vapeur d'eau surchauffée caractérisés par un médiocre pouvoir calovecteur et caloporteur mais valorisables pour des usages à très haute température. Pour des procédés industriels fonctionnant jusqu'à des températures de 350 C, les fluides organiques sous forme d'huile minérale ou synthétique peuvent trouver de larges applications. Les fluides halogénés de type PFC ou HFE trouvent des usages où leur rigidité diélectrique et leur volatilité s'appliquent à des procédés de refroidissement divers. Les usages à plus haute température imposent des fluides caloporteurs de type sels fondus voire métaux liquides dont la mise en oeuvre reste délicate malgré des propriétés physiques particulièrement favorables.
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The main heat transfer fluids are gases such as nitrogen, helium, air, carbon dioxide and superheated steam. They are characterized by a poor heat carrying and cooling power, but are adaptable to very high temperature. For industrial processes operating at temperatures up to 350 °C, fluids such as mineral or synthetic oil may find wide applications. Halogenated fluids of the PFC or HFE type find uses where dielectric strength and low volatility are applied to cooling in various processes Uses at higher temperature demand heat transfer fluids such as molten salts or liquid metals, whose implementation remains difficult despite their particularly favorable physical properties.
Auteur(s)
-
Christophe MARVILLET : Professeur du CNAM (Conservatoire national des arts et métiers) - IFFI-CNAM (Institut français du froid industriel et du génie climatique), Paris, France
INTRODUCTION
Le rôle d'un fluide caloporteur est d'assurer le transport de la chaleur d'une source thermique à un puits thermique, tout en respectant un certain nombre de contraintes :
-
contraintes techniques telles que la réduction des pertes thermiques ou une faible consommation d'énergie de transport du fluide. Elles sont conditionnées par les propriétés thermodynamiques et thermo-physiques telles que la masse volumique, la capacité thermique ou chaleur latente pour les fluides à changement de phase, la viscosité dynamique... ;
-
contraintes de sécurité et environnementales (en particulier, effet sur la couche d'ozone et contribution à l'effet de serre) et qui prennent une place déterminante dans le choix des fluides. Elles sont conditionnées par des réglementations en constante évolution qui intègrent les critères traditionnels de toxicité, d'inflammabilité, de sécurité pour les personnes et les produits, d'explosivité mais également d'impact sur la couche d'ozone et surtout de contribution à l'effet de serre ;
-
contraintes économiques ; le coût du fluide lui-même, la structure et le coût du réseau de distribution de chaleur, la taille des auxiliaires de pompage, de compression ou de ventilation sont directement déterminés par les propriétés thermodynamiques des fluides. Les échangeurs de chaleur intégrés à ce réseau (notamment aux sources et puits de chaleur) sont partiellement dimensionnés par les propriétés « calovectrices » des fluides telles que la conductivité de ces fluides.
Selon leurs applications, les fluides caloporteurs peuvent être des gaz (azote, hélium...), de l'eau, des fluides organiques, des sels fondus ou des métaux liquides.
Les développements actuels portent sur des fluides, dits nanofluides, dans lesquels sont introduites des nanoparticules qui présentent l'avantage d'accroître de façon significative la conductivité thermique du fluide. Ces développements restent limités au niveau pré industriel mais peuvent constituer à terme une évolution importante de la technologie des fluides thermiques.
Cet article est le second volet traitant des fluides caloporteurs et frigoporteurs. Il est complété par l'article Fluides frigoporteurs – Propriétés [BE 9 572] concernant plus particulièrement les fluides frigoporteurs.
Pour les définitions générales, les critères de choix se reporter à l'article Fluides caloporteurs et frigoporteurs – Définitions. Critères de choix [BE 9 570].
Les noms commerciaux des différents fluides ainsi que leurs fournisseurs sont donnés en [Doc. BE 9 571].
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MOTS-CLÉS
Gaz Eau Nanofluide Refroidissement Procédés industriels Récupération par rejets thermiques Echangeurs thermiques Réseaux de chaleur
KEYWORDS
gas | water | nanofluid | cooling | industrial processes | waste heat valorization | heat exhangers | distric heating
VERSIONS
- Version archivée 1 de janv. 2003 par Christophe MARVILLET
DOI (Digital Object Identifier)
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Fluides organiques
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2. Eau
L'eau peut se présenter, comme fluide caloporteur, sous ses deux phases : liquide et vapeur. Sous forme liquide, compte tenu de ses propriétés, l'eau constitue un excellent caloporteur et sert de fluide de référence pour les autres fluides. Son usage, à l'état pur, est limité à des températures supérieures à 0,01 oC (point triple) et inférieures à 300 oC, compte tenu des pressions importantes de saturation et des coûts induits pour l'installation que ces températures élevées engendrent. Pouvant dissoudre de très nombreuses espèces minérales sous forme d'ions
et de gaz (O2 , CO2), l'eau naturelle doit être soigneusement filtrée, traitée et purifiée pour une utilisation industrielle.
2.1 Principales propriétés physico-chimiques
Parmi les caractéristiques thermophysiques remarquables de l'eau, citons un point triple à 0,01 oC et un point critique très élevé : T c = 374,15 oC et p c = 21,76 MPa. En phase liquide, l'eau présente une forte conductivité thermique [supérieure à 0,6 W/(m · K)], une faible viscosité (0,001 Pa · s à 20 oC) et une capacité thermique massique supérieure à celle de tous les fluides caloporteurs monophasiques liquides [environ 4 200 J/(kg · K)].
Pour éviter les risques d'encrassement particulaire et chimique (entartrage), ainsi que la corrosion, il faut apporter un soin très particulier au traitement et à la surveillance de la qualité de l'eau et privilégier des circuits fermés qui permettent de limiter la consommation des produits traitants (mais ne les élimine pas totalement).
L'encrassement particulaire peut être largement réduit par une filtration appropriée (filtre, cuve de décantation...).
L'entartrage carbonaté (CaCO3), sulfaté (CaSO4) incrustant et dur ou siliceux (SiO2 , SiO3Ca, SiO3Mg...) peut être en grande partie évité en adoucissant l'eau au moyen de résines échangeuses d'ions. En plus de l'utilisation d'un adoucisseur, certains additifs chimiques peuvent limiter l'entartrage...
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Eau
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - EASTMAN (J.A.), CHOI SUSYU (W.), THOMSON (L.) - Anomalously Increased effective thermal conductivities of ethylene glycol-based nanofluids containing copper nanoparticles. - Applied Physics Letters, vol. 78, p. 718-720 (2001).
-
(2) - EASTMAN (J.A.), CHOI SUS, LI (S.) - Development of energy-efficient nanofluids for heat transfer applications. - (2001) http://web.archive.org/web/20010622123846http://www.msd.anl.gov/highlights/ Eastman.html
-
(3) - SAIDUR (R.), LEONG (K.Y.), MOHAMMAD (H.A.) - A review on applications and challenges of nanofluids. - Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 15, p. 1646-1668 (2011).
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
COOLPACK, logiciel de calcul de propriétés physiques de fluide et de calcul de cycles thermodynamiques.
REFPROP, logiciel du NIST (États-Unis) pour le calcul des propriétés des fluides frigorigènes.
PROPHY, logiciel développé par la société PROSIM, pour le calcul des propriétés des fluides.
EES, solveur d'équations contenant une base de données fluide.
ECHTHERM, logiciel développé par le GRETh pour le calcul d'échangeurs thermiques et intégrant une base de données fluides.
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Dow Chemical Company http://www.dow.com
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Saumures
Clariant ...
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