Ceci est une version archivée de cette page, en date du 1 octobre 2017 à 19:33 et modifiée en dernier par AméliorationsModestes(discuter | contributions). Elle peut contenir des erreurs, des inexactitudes ou des contenus vandalisés non présents dans la version actuelle.
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 ».
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.
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
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/(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
Démonstration
La comparaison est conduite à géométrie du réseau et températures entrée/sortie du réseau côté fluide et côté paroi données. Le réseau combustible est un système «athermane» qui assure le maintien des températures de paroi (de gaine) (ce qui correspond d'ailleurs au 1er ordre au mode de fonctionnement d’un réacteur dont la puissance est gouvernée par la puissance extractible par le réfrigérant caloporteur). La puissance thermique extraite est variable en fonction du fluide utilisé. La température à cœur du réseau combustible est variable en fonction de la puissance. Cette démarche permet de simplifier grandement les équations physiques et de ramener l’essentiel des termes de la comparaison sur les caractéristiques du fluide de travail lui-même.
On écrit les équations liant les grandeurs thermodynamiques en éliminant les termes invariants dans la comparaison relatifs à la géométrie du réseau ou de l'échangeur et aux températures.
Puissance extraite - Échange thermique – Température de paroi
S et ΔTln sont invariants dans la comparaison d'où
No x et y dépendent de la corrélation utilisée avec en général : 0,2 ≤ x ≤ 0,3 et 0,3 ≤ y ≤ 0,4. Exemples classiques :
Corrélation de Dittus-Boelter : No = 0,0243; x = 0,2 ; y = 0,4 si réchauffement du fluide ; y = 0,3 si refroidissement;
Corrélation de Colburn : No = 0,023; x = 0,2 ; y = 1/3 ;
No et D sont invariants dans la comparaison
s est invariant dans la comparaison
ΔT est invariant dans la comparaison
d'où en remplaçant :
Finalement:
Corrélation de Colburn : x = 0,2 ; y = 1/3 :
Corrélation de Dittus-Boelter : x = 0,2 ; y =0,4 :
Perte de charge et puissance de pompage du fluide réfrigérant
Le régime est turbulent, on ne tient compte que des pertes de charge par frottement[1]
Corrélation de Dittus-Boelter : x = 0,2 ; y =0,4 :
Les exposants sont élevés ; une variation relativement faible des caractéristiques du fluide se traduit par une variation importante de la puissance de pompage. Par exemple : un écart de 10 % de la valeur de Cp ou de λ se traduit par un doublement ou division par 2 de la puissance de pompage.
La masse volumique du fluide intervient au carré au dénominateur ; on retrouve ici l'intérêt de pressuriser les gaz caloporteurs de façon à réduire la puissance des soufflantes ou compresseurs.
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
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
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
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