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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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Sels fondus
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3. Fluides organiques
Les fluides caloporteurs organiques peuvent être subdivisés en trois catégories :
-
les huiles minérales ou les hydrocarbures d'origine pétrolière ;
-
les huiles synthétiques comprenant principalement les aromatiques et les silicones ;
-
les fluides halogénés de type PFC (perfluorocarbure), PFPE (perfluoropolyéther) ou, plus récemment, HFE (hydrofluoroéther).
3.1 Huiles minérales
Les huiles minérales extraites des différentes régions du globe ont des compositions très variées. Elles peuvent être classées d'après leurs constituants principaux : on distingue en effet :
-
des huiles brutes paraffiniques (chaînes carbonées saturées, linéaires ou ramifiées) ;
-
les huiles brutes aromatiques (avec noyaux benzéniques) ;
-
les huiles naphténiques (de formule CnH2n , telles que les cyclopentanes ou cyclohexanes).
En réalité, les molécules des huiles minérales sont une combinaison des trois familles précédentes. Dans ce cas, on ne peut parler que d'hydrocarbures, pour lesquels le caractère paraffinique, naphténique ou aromatique est prépondérant.
Les huiles minérales commerciales sont généralement à caractère naphténique : une répartition moléculaire étroite, obtenue par distillation, permet d'ajuster au mieux les propriétés physiques suivant l'utilisation. Le point d'éclair des huiles minérales varie entre 200 et 270 oC. Ces fluides ne sont pratiquement pas toxiques mais non alimentaires et sont bon marché. En contrepartie, leur pression de vapeur, leur point de feu et leur stabilité thermique limitent leur utilisation au-dessous de 300 oC.
HAUT DE PAGE3.2 Huiles synthétiques
Ces fluides sont répartis essentiellement en deux groupes :
-
les hydrocarbures aromatiques (alkylbenzène et polyphényles hydrogénés) ;
-
les huiles silicones.
-
Les hydrocarbures aromatiques présentent une stabilité thermique élevée, jusqu'à des températures...
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Fluides organiques
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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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 http://www.binol.com/
Saumures
Clariant ...
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