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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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Eau
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1. Gaz
1.1 Principaux gaz caloporteurs. Propriétés physico-chimiques
L'azote, l'air, l'hélium, le dioxyde de carbone et la vapeur d'eau surchauffée sont les principaux gaz caloporteurs. Ce sont, à l'exception de l'air, des composés simples. Par ailleurs, les gaz de combustion, lorsqu'ils sont transportés hors de la chaudière pour y céder leur chaleur sensible ou latente, jouent le rôle de fluide caloporteur contenant une forte proportion d'azote.
Les principaux gaz caloporteurs sont ininflammables, non dangereux pour la santé en concentration modérée, à faible impact environnemental et stables sur un grand domaine de température et de pression.
L'hélium, par sa masse molaire très faible, présente une masse volumique très différente des autres gaz caloporteurs, particulièrement faible dans les conditions normales (0,18 kg/m3). La singularité de ce gaz est également notable pour les autres propriétés physiques : il possède une grande capacité thermique massique (5 J/(kg · K), soit cinq fois celle de l'air sec), une conductivité thermique élevée (0,14 W/(m · K), soit environ six fois celle de l'air sec). Cependant, pour augmenter son pouvoir caloporteur à haute température, il est nécessaire de l'utiliser sous pression (5 à 8 MPa) afin d'augmenter sa masse volumique.
Le dioxyde de carbone, par opposition à l'hélium, est très dense (2 kg/m3 dans les conditions normales de température et de pression). Il permet ainsi, sous pression modérée, d'offrir une bonne capacité thermique volumique (1 500 J/(m3 · K) dans les conditions normales de température et de pression). À basse température, son usage est limité par sa température de point triple qui se situe à – 56 oC à la pression atmosphérique. Le dioxyde de carbone peut également être utilisé à l'état diphasique liquide et vapeur au-dessus de cette température du point triple.
L'air, par sa disponibilité, est le caloporteur le plus fréquemment utilisé malgré des caractéristiques thermiques médiocres [capacité thermique massique de 1 J/(kg · K) et conductivité thermique de 0,024 W/(m · K)]. L'usage de l'air dans des applications cryogéniques est limité par la présence de CO2 et sa température de point triple élevée.
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Gaz
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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