« Fluide caloporteur » : différence entre les versions
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m v1.43 - Spécial:LintErrors/missing-end-tag / Correction syntaxique (Balise de fin manquante) |
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Version du 12 décembre 2017 à 21:43
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
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
Propriétés calo-vectrices des fluides caloporteurs
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 |
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Corrélation de Colburn |
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Corrélation de Dittus-Boelter |
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Corrélation de Dittus-Boelter |
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Corrélation du type : |
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Corrélation du type : |
Grandeur physique | Notation | Unité | Grandeur physique | Notation | Unité |
---|---|---|---|---|---|
Capacité calorifique du fluide réfrigérant |
J/(kg⋅K) | Puissance thermique extraite | W | ||
Conductivité thermique du fluide réfrigérant |
W/m/K | Puissance de pompage du fluide réfrigérant |
W | ||
Viscosité dynamique du fluide réfrigérant |
kg/(m⋅s) | 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.
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⋅K) |
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
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
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
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
Les valeurs de pour l'eau prise comme référence sont ramenées à 1
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
Les valeurs du sodium liquide pris comme référence sont ramenées à 1
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
Articles connexes
- La prise en compte des pertes de charge singulières ne change pas les conclusions