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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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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 :
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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… ;
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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 ;
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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
VERSIONS
- Version archivée 1 de janv. 2003 par Christophe MARVILLET
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6. Nanofluides
La recherche de fluides présentant des caractéristiques thermiques améliorées a été menée et a abouti au développement à un stade préindustriel d'un nouveau type de fluides : les nanofluides.
Les solides cristallins ont des conductivités thermiques qui sont en général supérieures de 1 à 3 ordres de grandeur à celles des fluides (figure 5). Ainsi, on peut espérer améliorer significativement la conductivité d'un fluide en y ajoutant des particules solides en suspension. La conductivité thermique des fluides contenant des particules solides en suspension a été étudiée il y a longtemps déjà, depuis que le travail de Maxwell a été publié il y a 100 ans. Cependant, à de rares exceptions près, les études effectuées sur les suspensions de particules dans un fluide concernaient des particules de taille millimétrique et micrométrique. Sur ces idées anciennes, il a été proposé de fabriquer des particules de taille nanométrique et de les suspendre dans un fluide thermique. On peut ainsi créer une nouvelle classe de fluides avec une grande conductivité thermique, les nanofluides. Ces nanofluides devraient avoir des caractéristiques supérieures non seulement à celles des fluides conventionnels, mais également à celles des fluides contenant des particules de taille micrométrique en suspension. Comme le rapport de la surface au volume des particules de diamètre 10 nm est 1 000 fois supérieur à celui des particules de diamètre 10 μm, une forte amélioration de la conductivité thermique est envisageable, comparée à celle qui pourrait être obtenue en jouant sur la forme de particules plus grosses.
Ont été menées des études avec des particules encore plus petites (de l'ordre de 10 nm). Ces diamètres de particule ne sont réalisables qu'avec certains procédés de fabrication, fondés en général sur le procédé de condensation directe. Des mesures ...
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BIBLIOGRAPHIE
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(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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Binol http://www.binol.com/
Saumures
Clariant http://www.clariant.com
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