Fluide caloporteur

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Un fluide caloporteur (lit. porte-chaleur) est un fluide chargé de transporter la chaleur entre deux ou plusieurs sources de température. Le terme « caloporteur » est synonyme de « caloriporteur ».

Ces fluides interviennent dans les échangeurs de chaleur, par exemple les systèmes de refroidissement des moteurs thermiques (tel un moteur de voiture), les réfrigérateurs, les chaudières, les climatiseurs, les capteurs solaires thermiques, les radiateurs des circuits électriques (cas des transformateurs électriques de forte puissance) ou électroniques, les centrales électriques thermiques au charbon, au fioul, au gaz ou nucléaires, les échangeurs de chaleur d'eaux usées.

Chaque fluide caloporteur est choisi en fonction de ses propriétés physico-chimiques, telles la viscosité, la capacité thermique volumique, la chaleur latente de vaporisation (ou de liquéfaction) en cas de changement de phase, la conductivité thermique, les propriétés anticorrosives, son coût et il doit être assez inoffensif pour le milieu.

Les conditions climatiques interviennent donc dans le choix des fluides des machines exposées aux intempéries, par exemple les liquides utilisés dans les véhicules ne doivent pas geler.

Dans les centrales nucléaires, le choix du fluide fait aussi intervenir son comportement face aux rayonnements neutroniques.

Exemple de caloporteur[modifier | modifier le code]

Le sodium fondu (métal sous forme liquide) constitue un fluide caloporteur efficace. On l'utilise dans ce but principalement dans les soupapes creuses de moteurs poussés. Il est également utilisé dans les réacteurs rapides refroidis au sodium. Cependant, c’est un produit chimique fortement réactif et il y a un risque de feux de sodiums, feux qui sont particulièrement difficiles à éteindre.

Comparaison de fluides caloporteurs[modifier | modifier le code]

Propriétés calo-vectrices des fluides caloporteurs[modifier | modifier le code]

Schéma figurant le réseau à réfrigérer

Il est possible de faire une comparaison au vu des caractéristiques thermodynamiques des fluides qui permet de classer les fluides envisageables pour la réfrigération d'un échangeur ou d'un réseau tel que celui d'un cœur de réacteur nucléaire. Cette comparaison est faite à géométrie du réseau et températures entrée/sortie du réseau coté fluide et coté paroi données. La comparaison permet de dégager deux groupes de propriétés calo-vectrices, l'une pour la puissance extraite, l'autre pour la puissance de pompage du fluide utilisé. .

.

.

.

.

.

Corrélation
d'échange
thermique
applicable
Puissance thermique extraite:
 W
proportionnelle à
Puissance de pompage du fluide:
 w_p
proportionnelle à
Corrélation
de Colburn
  {\lambda^{3,333} \over ( \mu * C_p )^{2,333} }   \lambda^{9,167} * \mu^{-6,167} * C_p^{-9,167} * \rho^{-2}
Corrélation
de Colburn
 \left( {\lambda \over \mu * C_p}\right)^{2,333} * \lambda    \left( {\lambda \over \mu * C_p}\right)^{9,167} * {\mu^3 \over \rho^2 }
Corrélation de
Dittus-Boelter
 {\lambda^{3} \over ( \mu * C_p )^{2} }  \lambda^{8,25} * \mu^{-5,25} * C_p^{-8,25} * \rho^{-2}
Corrélation de
Dittus-Boelter
 \left( {\lambda \over \mu * C_p}\right)^2 * \lambda  \left( {\lambda \over \mu * C_p}\right)^{8,25} * {\mu^3 \over \rho^2 }
Corrélation du type:
 N_u \div R_e^{(1-x)} * P_r^y
 {\lambda^{{1-y\over x}} \over ( \mu * C_p )^{{x+y-1\over x}} }  \lambda^{2,75*{1-y\over x}} * \mu^{2,75*{x+y-1\over x}+0,25} * C_p^{2,75*{y-1 \over x}} * \rho^{-2}
Corrélation du type:
 N_u \div R_e^{(1-x)} * P_r^y
 \left( {\lambda \over \mu * C_p}\right)^{{x+y-1\over x}} * \lambda  \left( {\lambda \over \mu * C_p}\right)^{2,75*{1-y\over x}} * {\mu^3 \over \rho^2 }
Notations
Grandeur physique Notation Unité Grandeur physique Notation Unité
Capacité calorifique
du fluide réfrigérant
C_p J/kg•°C Puissance thermique extraite W W
Conductivité thermique
du fluide réfrigérant
\lambda W/m/K Puissance de pompage
du fluide réfrigérant
w_p W
Viscosité dynamique
du fluide réfrigérant
\mu kg/m•s Masse volumique
du fluide réfrigérant
\rho kg/m3
Nombre de Nusselt
du fluide réfrigérant =
{h * D \over \lambda }
N_u ss dim Nombre de Reynolds
du fluide réfrigérant =
{\rho * v * D \over \mu}
R_e ss dim
Nombre de Prandtl
du fluide réfrigérant =
{\mu * C_p \over \lambda}
P_r ss dim

On peut voir dans les expressions ci-dessus le poids prépondérant de la conductibilité thermique du fluide λ, ce qui rejoint entre autres, le constat fait par ailleurs de l’efficacité des métaux liquides comme fluide caloporteur. Par ailleurs Cp et λ ont le même exposant comme dans l’expression du nombre de Nusselt. A remarquer que la masse volumique du fluide n'intervient pas dans le terme donnant la puissance.

Notations complémentaires
Grandeur physique Notation Unité Grandeur physique Notation Unité
Longueur du réseau L m Coefficient d’échange entre fluide et paroi du réseau h W/m2•°C
Diamètre hydraulique D m Vitesse du fluide v m/s
Section de passage du fluide réfrigérant s m2 m3/s
Périmètre hydraulique p m
Surface d’échange S m2
Section de passage du fluide réfrigérant s m2
Température de paroi en sortie du réseau tps °C
Température de paroi en entrée du réseau tpe °C
Température du fluide réfrigérant en sortie de réseau Ts °C
Température du fluide réfrigérant en entrée de réseau Te °C
Écart de température entrée sortie du fluide ΔT °C
Écart de température logarithmique ΔTLog °C

Résultat de la comparaison des fluides caloporteurs[modifier | modifier le code]

Tableaux de résultats comparatifs respectivement pour: les gaz; l'eau et les fluides organiques; et les métaux liquides. Les valeurs de la puissance extraite (W) et de la puissance de pompage (wp) et du rapport (W/wp) sont exprimées en variable réduite par rapport à celles de l'air, de l'eau et du sodium liquide.

Gaz[modifier | modifier le code]

Les valeurs de l'air sec pris comme référence sont ramenées à 1

La vapeur d'eau mise à part, les valeurs des caractéristiques des gaz sont prises à 25°C sous 1 atmosphère

Comparaison de gaz caloporteurs
Gaz λ
(W/m/K)
Cp
(kJ/kg/K)
μ
(kg/m/s)
ρ
(kg/m3)
W
(ss dim)
wp
(ss dim)
W/wp
(ss dim)
Hydrogène 0,13991 14,299 8,85 • 10-6 0,08240 3,149 2,711 1,162
Hélium 0,152 5,1966 1,962 • 10-5 0,1636 6,877 116,27 0,0592
Néon 0,0493 1,02926 3,144 • 10-5 0,82483 2,346 22,955 0,1022
Argon 0,01772 0,51882 2,247 • 10-5 1,6328 0,839 2,095 0,40045
Oxygène 0,026659 0,9163 2,055 • 10-5 1,3079 1,059 1,270 0,8345
Azote 0,025976 1,0407 1,77 • 10-5 1,145 1,032 1,046 0,987
Air sec 0,025905 1,004578 1,852 • 10-5 1,1839 1 1 1
CO2 0,0164659 0,8681 1,505 • 10-5 1,7989 0,503 0,093 5,408
Xénon 0,00566 0,15816 2,295 • 10-5 5,3665 0,284 0,259 1,0936
Krypton 0,009435 0,24686 2,46 • 10-5 3,42516 0,470 0,76 0,6157
Vapeur d'eau
à 120°C/1 bar
0,0262 2,005 1,292 • 10-5 0,5577 0,479 0,082 5,88
Vapeur d'eau
à 300°C/10 bar
0,0442 2,145 2,022 • 10-5 3,876 0,823 0,007 118,7
Eau liquide
à 25°C/1 atm
0,611 4,199 89,85 • 10-5 997,0 0,156 4,3698 • 10-10 3,555 • 108

Le classement des gaz, est le suivant:

  • Pour la puissance extraite, l'hélium est en premier qui présente en revanche une puissance de soufflage plus importante, d'où la nécessité de l'utiliser sous pression.
  • L'hydrogène vient en second (l'hélium et l'hydrogène sont systématiquement à part des autres gaz)
  • Ensuite le néon
  • Les autres gaz qui sont proches de l'air
  • La vapeur d'eau a un rapport W/wp intéressant
  • Le krypton et le xénon ferment la marche

Eau et fluides organiques[modifier | modifier le code]

Les valeurs de pour l'eau prise comme référence sont ramenées à 1

Comparaison de caloporteurs: eau, saumures et fluides organiques
Liquide λ
(W/m/K)
Cp
(kJ/kg/K)
μ
(kg/m/s)
ρ
(kg/m3)
W
(ss dim)
wp
(ss dim)
W/wp
(ss dim)
Eau liquide
à 25°C/1 atm
0,611 4,199 89,85 • 10-5 997,0 1,0 1,0 1,0
Toluène
à 25°C/1 atm
0,134 1,6938 0,000526 869,9 0,1855 0,1367 1,357
Mercure
à 25°C/1 atm
8,3 0,139 0,001526 13 534 4,94 • 106 1,87 • 1020 2,65 • 10-14


Métaux liquides[modifier | modifier le code]

Les valeurs du sodium liquide pris comme référence sont ramenées à 1

Comparaison de métaux liquides caloporteurs
Liquide λ
(W/m/K)
Cp
(kJ/kg/K)
μ
(kg/m/s)
ρ
(kg/m3)
W
(ss dim)
wp
(ss dim)
W/wp
(ss dim)
Mercure
à 25°C/1 atm
8,3 0,139 0,001526 13 534 0,01736 6,12 • 10-5 283,4
Cadmium
à 400 °C
93,5 0,2643 0,0136 7 932 0,07534 0,0029731 25,3
Plomb
à 400 °C
15,9 0,1466 0,00233 10 609 0,04983 0,0017371 28,660
Bismuth
à 400 °C
7,22 0,1379 0,001387 9 884 0,01388 0,0000619
Bi-Pb
55,5%-44,5%
à 400 °C
11,08 0,14175 0,0018065 10 208,0 0,02929 0,0004479 224,14
Sodium
à 120 °C
83,223 1,5363 0,000654 922,0 1,0 1,0 1,0
Potassium
à 120 °C
52,3 0,896 0,0004031 813,2 2,313 50,4 0,046
Na-K
78%-22%
à 25 °C
23,8 0,8234 0,000718 910,5 0,05314 0,001822 29,16
Na-K
78%-22%
à 120 °C
23,8 1,0372 0,000494 845,6 0,07418 0,0025522 29,06
  • Le sodium n'est dépassé que par le potassium
  • Le NaK n'additionne pas les vertus du sodium et du potassium
  • Les métaux lourds ont une puissance de pompage faible du fait de leur masse volumique élevée

Annexes[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

  1. La prise en compte des pertes de charge singulières ne change pas les conclusions