Quel est le meilleur type de fluide de transfert de chaleur ?

Introduction

Quel est le meilleur type de fluide de transfert de chaleur pour un système central de distribution d’énergie ?

Pour répondre à cette question, il faut considérer comme paramètres de conception l’efficacité du transfert de chaleur, les coûts économiques, non seulement d’implantation, mais aussi de maintenance, la sécurité et les aspects environnementaux de plus en plus importants. Évidemment, le système choisi doit être techniquement adapté pour satisfaire les particularités propres et spécifiques de chaque processus, et surtout la température de service requise si elle est élevée.

Avec ces prémisses de base, on peut choisir parmi une variété de fluides de transfert de chaleur :

• • à base d’eau, comme l’eau chaude, surchauffée ou vapeur
• • à base d’hydrocarbures, dérivés du pétrole, comme les huiles minérales, blanches médicinales, paraffiniques, et aromatiques synthétiques, comme les polyphényles et alkylbenzènes,
• • sels ou minéraux fondus à haute température
• • récupération de chaleur des gaz de combustion

Voyons quelques-unes de leurs caractéristiques les plus importantes.

L’eau

C’est un fluide transmetteur de chaleur économique pour des températures jusqu’à 100ºC. Pour des températures supérieures, il faut pressuriser le circuit pour maintenir le fluide en phase liquide – eau surchauffée – et donc les coûts augmentent considérablement. C’est pourquoi son champ d’application est limité à des températures inférieures à 100 ºC, et à des applications comme le chauffage domestique et tertiaire.

La vapeur

Véritable moteur de la révolution industrielle du XIXe siècle, elle partage avec l’eau en phase liquide la nécessité de hautes pressions pour atteindre les températures élevées habituelles dans les processus industriels. Étant en phase gazeuse, elle présente des limitations importantes tant en sécurité qu’en coûts, auxquels s’ajoutent des coûts de maintenance élevés liés aux équipements auxiliaires – adoucisseurs, purges de sels, de boues, etc. –. De plus, les purges influent négativement sur l’efficacité énergétique du système et les problèmes de corrosion ne doivent pas être sous-estimés.

D’autre part, la vapeur n’est pas une méthode adaptée aux processus nécessitant une uniformité dans la distribution de la chaleur, comme par exemple dans les plateaux de presses de l’industrie automobile ou dans les calandres de l’industrie textile ou blanchisserie industrielle. Elle ne se distingue pas non plus par une grande précision dans la température atteinte par le produit, un aspect très important dans certains processus industriels.

Actuellement, son application la plus importante est comme fluide moteur des turbines pour la production d’énergie électrique. D’autres secteurs où la vapeur comme fluide transmetteur de chaleur est implantée sont l’industrie alimentaire et pharmaceutique, bien que ces dernières années, ces domaines aient également vu une concurrence importante des huiles thermiques blanches médicinales, approuvées par les principales agences mondiales de santé.

Étant un système de longue tradition, et malgré ses évidents inconvénients en termes de sécurité – les hautes pressions représentent toujours un risque accru –, de coûts, d’efficacité, etc., elle reste aujourd’hui assez utilisée dans l’industrie.

Graphique 1. Pour une température de travail de 300ºC, la vapeur nécessite une pression de 90 bar. Les fluides thermiques sont inférieurs à 1 bar

Les fluides thermiques

Les fluides communément appelés huiles ou fluides thermiques sont aujourd’hui largement utilisés dans le secteur industriel comme moyen de transfert de chaleur pour tout type de processus.

On peut les différencier en deux grands groupes : huiles minérales et synthétiques.

Le qualificatif synthétique ou minéral est lié à la méthode d’obtention du composant principal du fluide thermique, l’huile de base. Si elle provient du raffinage conventionnel du pétrole, elle est dite minérale. Lorsque l’huile de base est obtenue par des procédés de synthèse chimique ou autres procédés différents du raffinage conventionnel, le fluide thermique est synthétique ou de technologie synthétique.

Une huile minérale est donc formée d’une base obtenue directement par distillation du pétrole, à laquelle on ajoute certains additifs qui lui confèrent des propriétés améliorant ses performances, notamment la viscosité et la résistance à l’oxydation.

Dans une huile synthétique, les bases étant traitées physico-chimiquement, on obtient une base de meilleure qualité et performances, évitant souvent la nécessité d’additifs.

Les principales caractéristiques des fluides thermiques sont :

• • Possibilité de travailler à des températures de service jusqu’à 340ºC sans pression, grâce à leur faible pression de vapeur – voir Graphique 1 – .
• • Absence de risque de corrosion.
• • Températures de service jusqu’à 400 ºC avec pressurisations de l’ordre de 10 bar, contre plus de 300 bar pour la vapeur d’eau

Tout cela, avec des performances techniques élevées – grande précision et uniformité des températures finales dans le produit ou grande polyvalence et flexibilité –, et des coûts économiques modérés en maintenance, font des fluides thermiques le moyen transmetteur de chaleur par excellence aujourd’hui.

Sels et métaux fondus

Si notre processus nécessite des températures de service élevées – au-dessus de 350ºC –, ce sera le point déterminant dans le choix du fluide caloporteur. Le coût économique, quelle que soit notre décision, sera important, car seuls certains fluides à base d’hydrocarbures – polyphényles –, et les sels et métaux fondus peuvent répondre à l’exigence technique des hautes températures.

Quand la plupart des gens pensent au sel, ils pensent au sel de table commun. Théoriquement, on pourrait utiliser du sel de table – chlorure de sodium – comme moyen de transfert de chaleur, mais il y aurait d’importants problèmes de corrosion dus à l’ion chlorure agressif. Cependant, il existe de nombreux types de sels tels que fluorures, bromures, nitrates et sels organiques adaptés comme fluides caloporteurs, avec de bonnes propriétés de transfert de chaleur, thermiquement stables, de faible toxicité, faible pression de vapeur et avec un comportement acceptable à la corrosion.

Pour des températures de service entre 350º C et 400 ºC, le grand avantage des sels fondus sur les fluides à base d’hydrocarbures est qu’ils présentent une pression de vapeur quasi négligeable même près des températures maximales de fonctionnement, tandis que les fluides à base d’hydrocarbures pour ces températures nécessitent des pressions de l’ordre de 10-12 bar.

De 400ºC à 550ºC, les sels minéraux sont le fluide transmetteur idéal. Jusqu’à 650ºC, on trouve les métaux fondus comme fluide transmetteur pour ces températures. Un inconvénient important à considérer est que les sels fondus et les métaux fondus se solidifieront – ils sont solides – à des températures d’environ 100 à 150 °C, bien au-dessus de la température ambiante. Cela peut créer des risques importants pour les systèmes non conçus adéquatement, car il est nécessaire de disposer de systèmes de chauffage auxiliaires pour les tuyaux et équipements.

La récupération de chaleur des gaz de combustion

C’est évidemment un excellent choix d’un point de vue économique, car dans la plupart des cas, l’investissement est rapidement amorti par la récupération énergétique de la chaleur résiduelle. Cependant, sa dépendance directe à la source des gaz de combustion fait qu’on envisage son utilisation uniquement pour des systèmes et installations secondaires.

En résumé, on peut voir dans le Graphique 2 ci-joint les plages d’utilisation des différents types de fluides transmetteurs de chaleur, ainsi que les pressions requises pour leur emploi.

Graphique 2. Plages d’utilisation des fluides transmetteurs de chaleur