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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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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 :
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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 ;
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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 ;
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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 :
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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 ;
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des mélanges d'eau et d'alcool de type éthanol, méthanol, glycérol, ou des mélanges à base éthanol/glycérol ;
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des solutions aqueuses à base de bétaïne et de d propanediol ;
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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 :
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les frigoporteurs diphasiques « liquide-vapeur » parmi lesquels le dioxyde de carbone est le fluide dont l'usage se développe depuis quelques années ;
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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
VERSIONS
- Version archivée 1 de janv. 2003 par Christophe MARVILLET
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4. Fluides organiques
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De nombreux fluides organiques peuvent avantageusement être utilisés à basse température comme nous l'avons déjà noté. On retrouve comme catégorie de fluides organiques susceptibles d'être utilisés comme fluides frigoporteurs (cf. noms commerciaux et fournisseurs dans la liste des fabricants dans la partie Pour en savoir plus ) :
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les huiles minérales ou hydrocarbures d'origine pétrolière comme le Gilotherm D12 (Solutia) ;
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les huiles synthétiques aromatiques comme le Dowtherm J (Dow Chemical) ou silicones comme le Syltherm XLT (Dow Chemical) ou le Basylon KT3 (Bayer) ;
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les fluides halogénés de type HFE (hydrofluoroéther) comme le HFE 7100.
Ces huiles synthétiques et ces fluides organiques présentent, à basse température, des qualités de stabilité thermique, d'inertie chimique, de non-toxicité et de non-corrosivité indéniables.
Plus spécifique aux utilisations à basse température, le d-limonène (terpène extrait d'agrumes) a été développé spécifiquement pour le domaine de la réfrigération comme substitut au trichloroéthylène. Ce produit est biodégradable, non toxique et compatible avec les applications alimentaires. Le processus de production de ce produit génère la présence d'une faible quantité d'acide citrique anhydre en solution dans le d-limonène : des traces d'eau en présence du d-limonène favorisent la production d'acide citrique C6H8O7, H2O qui peut induire des corrosions sévères des aciers, du cuivre, de l'aluminium. Le maintien du pH à une valeur proche de 7 est indispensable pour éviter ces effets ; l'injection de carbonate de sodium (Na2CO3) permet de neutraliser l'acide citrique. Par ailleurs, le d-limonène est oxydé en présence d'air ; un antioxydant généralement utilisé est le butylhydroxyanisol C11H16O2 , additionné éventuellement, de méthanol, pour réduire sa viscosité et faciliter la dissolution du mélange antioxydant avec le fluide frigoporteur. On peut également citer le Greenway® RTU – 55 °C qui est un frigoporteur issu d'une ressource végétale 100 % renouvelable (à base de BIO 1,3 Propanediol).
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Fluides organiques
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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
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