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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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4. Sels fondus
4.1 Principaux fluides caloporteurs. Propriétés physico-chimiques
Les sels fondus les plus courants sont formés de nitrite de sodium (NaNO2), de nitrate de sodium (NaNO3) et de nitrate de potassium (KNO3). Leurs principaux avantages sont de pouvoir fonctionner à la pression atmosphérique pour des températures comprises entre 150 et 550 oC. Pris séparément, ces sels ne sont liquides qu'au-dessus de 300 oC, mais on peut réaliser des eutectiques qui présentent des points de fusion sensiblement plus bas.
Les eutectiques les plus courants sont en composition massique :
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un mélange de 40 % de nitrite de sodium, de 53 % de nitrate de potassium et de 7 % de nitrate de sodium. Ce mélange, que l'on désigne par HTS1 (Heat Transfer Salt 1 ), se présente sous forme de granulés blancs à l'état solide et d'un liquide jaune pâle au-dessus de sa température de fusion qui se situe à 142 oC. Utilisé entre 150 et 450 oC, ce mélange est parfaitement stable ; de 450 à 550 oC, une évolution lente se produit par pyrolyse de NaNO2 qui donne NaNO3 . Cette transformation génère une augmentation sensible de la température de fusion. Au-dessus de 800 oC, cette réaction est suffisamment rapide pour rendre toute utilisation impossible ;
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un mélange de 45 % NaNO2 et 55 % de KNO3 désigné par HTS2 . Il présente des propriétés très similaires au fluide HTS1.
Si ils présentent comme avantage majeur par rapport aux fluides organiques d'atteindre des niveaux de température supérieurs à 500 oC, les sels fondus présentent aussi quelques limites qu'il est nécessaire de rappeler :
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lors de la fusion du sel, une expansion importante peut être notée : cela impose des précautions quant au démarrage des installations et des règles strictes quant à leur conception, en particulier, la mise en place impérative de vases d'expansion ;
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certains gaz comme le dioxyde de carbone ou la vapeur d'eau peuvent être dissous dans ces sels et former des carbonates et des hydroxydes insolubles. Pour éviter ces effets, il est indispensable d'utiliser des gaz inertes (azote, par exemple) pour remplir les vases d'expansion et éviter tout contact entre les niveaux libres de sels et l'atmosphère...
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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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