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RÉSUMÉ
Un fluide frigoporteur assure le transport de la puissance frigorifique de l'évaporateur d'un groupe de production de froid au dispositif utilisateur en respectant des contraintes, de sécurité et de respect de l'environnement, et économiques. Les principaux fluides frigoporteurs sont les gaz, avec un médiocre pouvoir calovecteur et caloporteur mais valorisables pour des usages notamment alimentaires. Pour le froid industriel ou commercial, de -40°C à l'ambiante, les solutions aqueuses et les fluides organiques sous forme d'huile minérale ou synthétique sont privilégiés. Les fluides diphasiques se développent, compte tenu des performances énergétiques élevées et de la réduction importante des débits véhiculés.
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A heat transfer fluid transports cooling capacity from the evaporator of a refrigerating group to users, under different constraints: safety, environment, cost. The most common fluids are gases with poor performance but that are cost-effective for food applications. For industrial and commercial refrigeration (from -40 ° C to ambient temperature) aqueous solutions and organic fluids, either mineral or synthetic, are chosen. Two-phase fluids are attracting growing interest, given their high energy performance and significantly lower pumping energy consumption.
Auteur(s)
-
Christophe MARVILLET : Professeur du Cnam (Conservatoire national des arts et métiers) - Directeur de l'IFFI (Institut français du froid industriel et du génie climatique) Paris, France
INTRODUCTION
Lintérêt porté aux fluides frigoporteurs et à la recherche de fluides à haute performance pour les applications à basse température est récent de par les contraintes environnementales qui tendent à limiter les charges en fluide frigorigène des installations de production de froid. Traditionnellement, les ingénieurs frigoristes ont fait appel à trois catégories de fluides frigoporteurs pour les usages courants :
-
les gaz, et tout particulièrement l'air pour un très grand nombre d'applications (tunnel de surgélation...) et l'azote gazeux lorsque les niveaux de température (notamment pour des températures inférieures à la température du point triple du CO2) l'imposaient ;
-
les saumures qui sont des solutions aqueuses à base de sels inorganiques tels que le chlorure de calcium, le carbonate de potassium ou, plus rarement, le chlorure de sodium pour certains usages alimentaires ;
-
les mélanges d'eau et d'antigel à base d'alcools tels que le monoéthylèneglycol et le propylèneglycol, voire, plus rarement, des mélanges d'eau et d'ammoniaque (eau ammoniacale appelée aussi alcali).
La recherche combinée de performances énergétiques élevées des systèmes de production/distribution de froid et de fluides à faible impact environnemental a poussé les ingénieurs frigoristes à s'intéresser à de « nouveaux fluides » frigoporteurs. Sont apparus sur le marché de nouveaux fluides qui s'ajoutent aux précédents :
-
des solutions aqueuses avec des sels tels que l'acétate de potassium, le formate de potassium, voire des mélanges d'acétate et de formate de potassium ;
-
des mélanges d'eau et d'alcool de type éthanol, méthanol, glycérol, ou des mélanges à base éthanol/glycérol ;
-
des solutions aqueuses à base de bétaïne et de d propanediol ;
-
des fluides organiques divers comparables à ceux décrits comme fluides caloporteurs [BE 9 571] : huiles aromatiques, huiles silicones, hydrofluoroéther, terpène à base d'agrume...
Plus récemment, on note l'émergence de fluides frigoporteurs « diphasiques » de deux types distincts :
-
les frigoporteurs diphasiques « liquide-vapeur » parmi lesquels le dioxyde de carbone est le fluide dont l'usage se développe depuis quelques années ;
-
les frigoporteurs diphasiques « liquide-solide » qui permettent également d'associer à la fonction de distribution de « froid » entre le dispositif de production et l'usage, une fonction de stockage thermique considérée comme essentielle pour une meilleure gestion des systèmes thermiques.
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MOTS-CLÉS
propriétés des fluides efficacité énergétique de réseaux de distribution froid industriel génie climatique Echangeurs thermiques Réseaux de chaleur réseaux de froid
KEYWORDS
fluid properties | energy efficiency cooling systems | industrial refrigeration | air conditioning | heat exhangers | distric heating | district cooling
VERSIONS
- Version archivée 1 de janv. 2003 par Christophe MARVILLET
DOI (Digital Object Identifier)
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Glossaire - définitions9. Conclusion
L'usage de fluides frigoporteurs doit connaître un développement certain suite au durcissement des réglementations sur les fluides frigorigènes qui va imposer une réduction des quantités de fluides dans les installations de production de froid et une prépondérance des installations en froid indirect.
L'emploi de frigoporteurs bi-phasiques (CO2 et coulis) devrait se développer au détriment de solutions avec des frigoporteurs monophasiques.
Dans le même temps, une recherche de performance énergétique accrue des installations frigorifiques est attendue pour des raisons évidentes de réduction des consommations énergétiques et des émissions associées de CO2 dans l'atmosphère.
Ces deux exigences sont contradictoires car les installations en froid indirect – par la présence d'échangeurs complémentaires – générent des surconsommations énergétiques. Le choix du fluide frigoporteur est important pour limiter celles-ci : il est donc essentiel de retenir un fluide adapté pour permettre un coefficient de transfert élevé que ce soit dans l'évaporateur du groupe de réfrigération ou dans l'échangeur du procédé utilisateur du froid et pour limiter les puissances de pompage nécessaires à la mise en circulation du fluide entre ces deux points. La présentation des divers fluides montre une grande diversité de solutions et le meilleur choix parmi ceux-ci dans un projet sera fortement conditionné par le niveau de température requis et par un ensemble de critères aussi variés que les coûts d'investissement induits, les contraintes réglementaires associées au processus d'usage...
Nous avons relevé le rôle de la fonction de stockage thermique en sus de fonction de distribution thermique demandée au fluide frigoporteur. Cet aspect n'a pas été directement traité dans cet article et l'on renvoie le lecteur à l'article [BE 9 775] pour une analyse complète. La capacité de stockage thermique qu'autorisent ces fluides – et notamment les fluides diphasiques (hors CO2) qui présentent une forte enthalpie de changement de phase – peut permettre une exploitation beaucoup plus rationnelle et donc efficace des installations de production de froid en privilégiant des périodes de fonctionnement à faible coût de l'énergie électrique, en favorisant des régimes continus de marche des groupes de froid et dans des conditions favorables de fonctionnement comme les périodes de la journée pendant lesquelles la température...
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Conclusion
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - * - Ashrae Handbook Fundamentals (2010).
-
(2) - HILLERNS (F.) - Thermophysical properties and corrosion behavior of secondary coolants. - ASHRAE Winter meeting (2001).
-
(3) - Thermophysical properties of liquid secondary refrigerants. - IIF/IIR, Paris.
-
(4) - * - Association française du Froid. Guide technique pour le refroidissement indirect http://www.association-francaise-du-froid.fr/ouvrages.php
-
(5) - * - Compte rendu des colloques de l'IIF sur les fluides naturels et du groupe de travail sur coulis et PCM.
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
COOLPACK, logiciel de calcul de propriétés physiques de fluide et de calcul de cycles thermodynamiques http://en.ipu.dk/lhdhold/refrigeration-and-energy-technology/coolpack.aspx
REFPROP, logiciel du NIST (États-Unis) pour le calcul des propriétés des fluides frigorigènes
EES, solveur d'équations contenant une base de données fluides
ECHTHERM, logiciel développé par le GRETh pour le calcul d'échangeurs thermiques et intégrant une base de données fluides http://www.greth.fr/
HAUT DE PAGE2.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
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
Saumures
Clariant...
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