Fluide caloporteur

fluide chargé de transporter la chaleur entre plusieurs sources de température
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Un fluide caloporteur (lit. porte-chaleur) est un fluide chargé de transporter la chaleur entre 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, ses propriétés anticorrosives, sa tenue aux conditions climatiques ou aux rayonnements neutroniques. Son coût et son innocuité pour l'environnement sont également pris en compte.

Exemples de caloporteurs

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Industriellement, le fluide caloporteur le plus utilisé est l'eau. Celui-ci peut être utilisé à des températures largement supérieures à 100 °C (sous pression). Il est très bon marché, ne se décompose pas, possède la plus grande capacité calorifique de tous les corps. On l'utilise également dans les installations de chauffage central domestique ou pour refroidir les moteurs des voitures. L'huile est également utilisée dans les radiateurs électriques car elle ne présente pas de danger au contact avec la résistance électrique.

Le sodium fondu (métal sous forme liquide) constitue un fluide caloporteur efficace pour des usages spécifiques. 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 feu de sodium, feu particulièrement difficile à éteindre.

Comparaison de fluides caloporteurs

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Propriétés calo-vectrices des fluides caloporteurs

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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 côté fluide et côté 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 :
 
proportionnelle à
Puissance de pompage du fluide :
 
proportionnelle à
Corrélation
de Colburn
   
Corrélation
de Colburn
   
Corrélation de
Dittus-Boelter
   
Corrélation de
Dittus-Boelter
   
Corrélation du type :
 
   
Corrélation du type :
 
   
Notations
Grandeur physique Notation Unité Grandeur physique Notation Unité
Capacité calorifique
du fluide réfrigérant
  J kg−1 K−1 Puissance thermique extraite   W
Conductivité thermique
du fluide réfrigérant
  W m−1 K−1 Puissance de pompage
du fluide réfrigérant
  W
Viscosité dynamique
du fluide réfrigérant
  kg m−1 s−1 Masse volumique
du fluide réfrigérant
  kg/m3
Nombre de Nusselt
du fluide réfrigérant =
 
  sans dim Nombre de Reynolds
du fluide réfrigérant =
 
  sans dim
Nombre de Prandtl
du fluide réfrigérant =
 
  sans 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. Il est à 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 m−2 K−1
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 ΔTln °C

Résultat de la comparaison des fluides caloporteurs

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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.

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 une atmosphère.

Comparaison de gaz caloporteurs
Gaz λ
(W m−1 K−1)
Cp
(kJ kg−1 K−1)
μ
(kg m−1 s−1)
ρ
(kg/m3)
W
(sans dimension)
wp
(sans dimension)
W/wp
(sans dimension)
Hydrogène 0,139 91 14,299 8,85 × 10−6 0,082 40 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 1,029 26 3,144 × 10−5 0,824 83 2,346 22,955 0,1022
Argon 0,017 72 0,518 82 2,247 × 10−5 1,6328 0,839 2,095 0,400 45
Oxygène 0,0266 59 0,9163 2,055 × 10−5 1,3079 1,059 1,270 0,8345
Azote 0,025 976 1,0407 1,77 × 10−5 1,145 1,032 1,046 0,987
Air sec 0,025 905 1,004 578 1,852 × 10−5 1,1839 1 1 1
CO2 0,016 4659 0,8681 1,505 × 10−5 1,7989 0,503 0,093 5,408
Xénon 0,005 66 0,158 16 2,295 × 10−5 5,3665 0,284 0,259 1,0936
Krypton 0,009 435 0,24686 2,46 × 10−5 3,425 16 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 4,369 8 × 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

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

Comparaison de caloporteurs: eau, saumures et fluides organiques
Liquide λ
(W m−1 K−1)
Cp
(kJ kg−1 K−1)
μ
(kg m−1 s−1)
ρ
(kg/m3)
W
(sans dimension)
wp
(sans dimension)
W/wp
(sans dimension)
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 0,000 526 869,9 0,1855 0,1367 1,357
Mercure
à 25 °C/1 atm
8,3 0,139 0,001 526 13 534 4,94 × 106 1,87 × 1020 2,65 × 10−14

Métaux liquides

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

Comparaison de métaux liquides caloporteurs
Liquide λ
(W m−1 K−1)
Cp
(kJ kg−1 K−1)
μ
(kg m−1 s−1)
ρ
(kg/m3)
W
(sans dimension)
wp
(sans dimension)
W/wp
(sans dimension)
Mercure
à 25 °C/1 atm
8,3 0,139 0,001 526 13534 0,017 36 6,12 × 10−5 283,4
Cadmium
à 400 °C
93,5 0,2643 0,0136 7932 0,075 34 0,002 9731 25,3
Plomb
à 400 °C
15,9 0,1466 0,002 33 10609 0,049 83 0,001 7371 28,660
Bismuth
à 400 °C
7,22 0,1379 0,001 387 9884 0,013 88 0,000 0619
Bi-Pb
55,5 %-44,5 %
à 400 °C
11,08 0,14175 0,001 8065 10208,0 0,029 29 0,000 4479 224,14
Sodium
à 120 °C
83,223 1,5363 0,000 654 922,0 1,0 1,0 1,0
Potassium
à 120 °C
52,3 0,896 0,000 4031 813,2 2,313 50,4 0,046
Na-K
78 %-22 %
à 25 °C
23,8 0,8234 0,000 718 910,5 0,053 14 0,001 822 29,16
Na-K
78 %-22 %
à 120 °C
23,8 1,0372 0,000 494 845,6 0,074 18 0,002 5522 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.

Notes et références

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

Annexes

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Articles connexes

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