liquide de refroidissement

Un fluide de refroidissement est une substance, généralement liquide, utilisée pour réduire ou réguler la température d'un système. Idéalement, il possède une capacité thermique élevée , une faible viscosité et un faible coût ; il est non toxique et chimiquement inerte , et ne provoque ni ne favorise la corrosion du système de refroidissement. Certaines applications exigent également que le fluide de refroidissement soit un isolant électrique .

Bien que le terme « liquide de refroidissement » soit couramment utilisé dans les secteurs de l'automobile et du CVC , dans le domaine des procédés industriels, on emploie plus souvent le terme « fluide caloporteur » pour désigner les applications de fabrication à haute et basse température. Ce terme englobe également les fluides de coupe . Ces derniers sont généralement classés en deux catégories : les liquides de refroidissement solubles dans l'eau et les fluides de coupe purs. Les liquides de refroidissement solubles dans l'eau sont des émulsions d'huile dans l'eau. Leur teneur en huile est variable, allant jusqu'à zéro (liquide de refroidissement synthétique).

Ce fluide frigorigène peut soit conserver son état (liquide ou gazeux), soit subir une transition de phase , la chaleur latente contribuant alors à l'efficacité du refroidissement. Ce dernier, lorsqu'il est utilisé pour atteindre une température inférieure à la température ambiante , est plus communément appelé fluide frigorigène .

Un réservoir de liquide de refroidissement recueille le surplus de liquide de refroidissement dans un système de refroidissement.

L'air est un fluide frigorigène courant. Le refroidissement par air utilise soit un flux d'air convectif (refroidissement passif), soit une circulation forcée à l'aide de ventilateurs .

L'hydrogène est utilisé comme fluide caloporteur gazeux haute performance. Sa conductivité thermique est supérieure à celle de tous les autres gaz, et il possède une capacité thermique massique élevée , une faible densité et, par conséquent, une faible viscosité , ce qui constitue un avantage pour les machines rotatives sensibles aux pertes par frottement . Les turbogénérateurs refroidis à l'hydrogène sont actuellement les générateurs électriques les plus courants dans les grandes centrales électriques.

Les gaz inertes sont utilisés comme fluides caloporteurs dans les réacteurs nucléaires refroidis au gaz . L'hélium a une faible tendance à absorber les neutrons et à devenir radioactif . Le dioxyde de carbone est utilisé dans les réacteurs Magnox et AGR .

L'hexafluorure de soufre est utilisé pour le refroidissement et l'isolation de certains systèmes électriques à haute tension ( disjoncteurs , interrupteurs , certains transformateurs , etc.).

La vapeur peut être utilisée lorsqu'une capacité thermique massique élevée est requise sous forme gazeuse et que les propriétés corrosives de l'eau chaude sont prises en compte.

Certains fluides frigorigènes sont utilisés à la fois sous forme liquide et gazeuse dans le même circuit, tirant parti de la chaleur latente spécifique élevée du changement de phase ébullition/condensation , de l' enthalpie de vaporisation , en plus de la capacité thermique du fluide sans changement de phase .

Les fluides frigorigènes sont des réfrigérants utilisés pour atteindre de basses températures grâce à un changement de phase entre l'état liquide et l'état gazeux. Les halométhanes , notamment le R-12 et le R-22 , étaient fréquemment utilisés, souvent associés à du propane liquéfié ou à d'autres haloalcanes comme le R-134a . L'ammoniac anhydre est couramment employé dans les grands systèmes commerciaux, et le dioxyde de soufre était utilisé dans les premiers réfrigérateurs mécaniques. Le dioxyde de carbone (R-744) est utilisé comme fluide frigorigène dans les systèmes de climatisation automobile, résidentielle, commerciale et les distributeurs automatiques. De nombreux fluides frigorigènes, pourtant performants, sont progressivement abandonnés pour des raisons environnementales (les CFC en raison de leurs effets sur la couche d'ozone ; aujourd'hui, nombre de leurs successeurs sont soumis à des restrictions liées au réchauffement climatique, comme le R-134a).

Les caloducs sont une application particulière des fluides frigorigènes.

L'eau est parfois utilisée de cette manière, par exemple dans les réacteurs à eau bouillante . L'effet de changement de phase peut être recherché ou, au contraire, nuisible.

Les matériaux à changement de phase utilisent l'autre transition de phase entre l'état solide et l'état liquide.

Les gaz liquides peuvent se condenser à cet endroit, ou se transformer en fluides frigorigènes, car leur température est souvent maintenue par évaporation. L'azote liquide est l'exemple le plus connu rencontré en laboratoire. Le changement de phase peut ne pas se produire à l'interface refroidie, mais à la surface du liquide, là où la chaleur est transférée par convection ou par écoulement forcé.

L'eau est le fluide caloporteur le plus courant. Sa capacité thermique élevée et son faible coût en font un fluide de transfert de chaleur approprié. Elle est généralement utilisée avec des additifs, tels que des inhibiteurs de corrosion et de l'antigel . L'antigel, une solution aqueuse d'un composé organique approprié (le plus souvent de l'éthylène glycol , du diéthylène glycol ou du propylène glycol ), est utilisé lorsque le fluide caloporteur à base d'eau doit résister à des températures inférieures à 0 °C ou lorsque son point d'ébullition doit être augmenté. La bétaïne est un fluide caloporteur similaire, à la différence qu'elle est fabriquée à partir de jus de plante pur et qu'elle n'est ni toxique ni difficile à éliminer de manière écologique.

• L'eau déminéralisée très pure , en raison de sa conductivité électrique relativement faible, est utilisée pour refroidir certains équipements électriques, souvent des émetteurs de forte puissance et des tubes à vide de forte puissance .
• L'eau lourde est un modérateur de neutrons utilisé dans certains réacteurs nucléaires ; elle sert également de fluide caloporteur . Les réacteurs à eau légère , qu'il s'agisse de réacteurs à eau bouillante ou à eau pressurisée (les plus courants), utilisent de l'eau ordinaire (légère) . Certains réacteurs, comme le CANDU , utilisent les deux types d'eau : l'eau lourde dans le réservoir de la calandre non pressurisée comme modérateur et fluide caloporteur d'appoint, et l'eau légère comme principal fluide caloporteur.

Le polyalkylène glycol (PAG) est utilisé comme fluide caloporteur à haute température et thermiquement stable, présentant une forte résistance à l'oxydation. Les PAG modernes peuvent également être non toxiques et non dangereux.

Le fluide de coupe est un liquide de refroidissement qui sert également de lubrifiant pour les machines-outils de mise en forme des métaux .

Les huiles sont souvent utilisées dans des applications où l'eau est inadaptée. Leur point d'ébullition étant supérieur à celui de l'eau, elles peuvent être portées à des températures considérablement plus élevées (supérieures à 100 °C) sans générer de fortes pressions dans le récipient ou le circuit concerné. De nombreuses huiles sont utilisées pour le transfert de chaleur, la lubrification, le transfert de pression (fluides hydrauliques), et parfois même comme carburant, voire pour plusieurs de ces fonctions simultanément.

• Les huiles minérales servent à la fois de fluides de refroidissement et de lubrifiants dans de nombreux engrenages mécaniques. Certaines huiles végétales, comme l' huile de ricin, sont également utilisées. Grâce à leurs points d'ébullition élevés, les huiles minérales sont employées dans les radiateurs électriques portables pour applications résidentielles, ainsi que dans les systèmes en circuit fermé pour le chauffage et le refroidissement des procédés industriels. L'huile minérale est souvent utilisée dans les systèmes informatiques immergés car, étant non conductrice, elle ne risque pas de provoquer de courts-circuits ni d'endommager les composants.
  • Les huiles de polyphényléther conviennent aux applications exigeant une grande stabilité thermique, une très faible volatilité, un pouvoir lubrifiant intrinsèque et/ou une résistance aux radiations. Les huiles de perfluoropolyéther constituent leur variante chimiquement plus inerte.
  • Un mélange eutectique d' éther diphénylique (73,5%) et de biphényle (26,5%) est utilisé pour sa large plage de températures et sa stabilité jusqu'à 400 °C.
  • Les biphényles polychlorés et les terphényles polychlorés étaient utilisés dans les applications de transfert de chaleur, privilégiés en raison de leur faible inflammabilité, de leur résistance chimique, de leur hydrophobie et de leurs propriétés électriques favorables, mais sont maintenant progressivement abandonnés en raison de leur toxicité et de leur bioaccumulation .
• Les huiles de silicone et les huiles fluorocarbonées (comme le fluorinert ) sont appréciées pour leur large plage de températures de fonctionnement . Cependant, leur coût élevé limite leurs applications.
• L'huile pour transformateurs est utilisée pour le refroidissement et l'isolation électrique supplémentaire des transformateurs électriques de forte puissance . On utilise généralement des huiles minérales. Les huiles de silicone sont employées pour des applications spécifiques. Les polychlorobiphényles (PCB) étaient couramment utilisés dans les anciens équipements, qui peuvent désormais présenter un risque de contamination.

Les carburants sont fréquemment utilisés comme fluides de refroidissement pour les moteurs. Un carburant froid circule sur certaines parties du moteur, absorbant sa chaleur résiduelle et étant préchauffé avant la combustion. Le kérosène et d'autres carburants pour réacteurs sont fréquemment utilisés à cette fin dans les moteurs d'aviation. L'hydrogène liquide est utilisé pour refroidir les tuyères des moteurs de fusée .

Le liquide de refroidissement sans eau est utilisé comme alternative aux liquides de refroidissement conventionnels à base d'eau et d'éthylène glycol. Grâce à son point d'ébullition plus élevé que celui de l'eau (environ 188 °C), cette technologie de refroidissement résiste aux débordements. Ce liquide prévient également la corrosion .

Les fréons étaient fréquemment utilisés pour le refroidissement par immersion, par exemple, des composants électroniques.

Les alliages fusibles liquides peuvent servir de fluides caloporteurs dans des applications exigeant une grande stabilité thermique, comme certains réacteurs nucléaires surgénérateurs à neutrons rapides . Le sodium (dans les réacteurs à neutrons rapides refroidis au sodium ) ou l'alliage sodium- potassium NaK sont fréquemment utilisés ; le lithium peut être employé dans certains cas particuliers . Le plomb , notamment dans les réacteurs à neutrons rapides refroidis au plomb , ou un alliage plomb- bismuth , sont d'autres métaux liquides utilisés comme fluides caloporteurs . Certains des premiers réacteurs à neutrons rapides utilisaient du mercure .

Pour certaines applications, les tiges des soupapes à champignon automobiles peuvent être creuses et remplies de sodium pour améliorer le transport et le transfert de chaleur.

Pour les applications à très haute température, comme les réacteurs à sels fondus ou les réacteurs à très haute température , les sels fondus peuvent être utilisés comme fluides caloporteurs. Une des combinaisons possibles est le mélange de fluorure de sodium et de tétrafluoroborate de sodium (NaF-NaBF₄ ₎ . D'autres options incluent le FLiBe et le FLiNaK .

Les gaz liquéfiés sont utilisés comme fluides de refroidissement pour les applications cryogéniques , notamment la cryo-microscopie électronique , le surcadençage des processeurs d'ordinateurs, les applications utilisant des supraconducteurs ou des capteurs extrêmement sensibles et des amplificateurs à très faible bruit .

Le dioxyde de carbone (formule chimique CO₂ ₎ est utilisé comme fluide de coupe de substitution _{. Le CO₂} assure un refroidissement contrôlé à l'interface de coupe, maintenant ainsi l'outil et la pièce à usiner à température ambiante. Son utilisation prolonge considérablement la durée de vie des outils et, sur la plupart des matériaux _, permet d'accélérer l'usinage. Cette méthode est considérée comme très respectueuse de l'environnement, notamment comparée à l'utilisation d'huiles de pétrole comme lubrifiants ; les pièces restent propres et sèches, ce qui permet souvent d'éviter les opérations de nettoyage secondaires.

L'azote liquide , qui bout à environ −196 °C (77 K), est le fluide frigorigène le plus courant et le moins coûteux. L'air liquide est moins utilisé en raison de sa teneur en oxygène liquide , qui le rend susceptible de provoquer des incendies ou des explosions au contact de matériaux combustibles (voir oxyliquides ).

Des températures plus basses peuvent être atteintes en utilisant du néon liquide , qui bout à environ −246 °C. Les températures les plus basses, utilisées pour les aimants supraconducteurs les plus puissants , sont atteintes en utilisant de l'hélium liquide .

L'hydrogène liquide à une température de −250 à −265 °C peut également être utilisé comme fluide caloporteur. Il est aussi utilisé comme carburant et comme fluide caloporteur pour refroidir les tuyères et les chambres de combustion des moteurs de fusée .

Une nouvelle classe de fluides caloporteurs est celle des nanofluides , composés d'un liquide porteur, tel que l'eau, dans sont dispersées de minuscules particules nanométriques appelées nanoparticules . Des nanoparticules spécialement conçues, par exemple de CuO , d'alumine , dioxyde de titane , nanotubes de carbone , de silice ou de métaux (par exemple des nanobâtonnets de cuivre ou d'argent ), dispersées dans le liquide améliorent les capacités de transfert thermique du fluide caloporteur obtenu par rapport au liquide porteur seul. Cette amélioration peut théoriquement atteindre 350 %. Cependant, les expériences n'ont pas permis de démontrer de telles améliorations de la conductivité thermique, mais ont mis en évidence une augmentation significative du des fluides caloporteurs.

Des améliorations significatives sont possibles ; par exemple, des nanobâtonnets d’argent de 55 ± 12 nm de diamètre et de 12,8 µm de longueur moyenne, à une concentration de 0,5 % en volume, augmentent la conductivité thermique de l’eau de 68 %, et celle d’un fluide de refroidissement à base d’éthylène glycol de 98 %. Des nanoparticules d’alumine à 0,1 % peuvent accroître le flux thermique critique de l’eau jusqu’à 70 % ; ces particules forment une surface poreuse et rugueuse sur l’objet refroidi, ce qui favorise la formation de nouvelles bulles. Leur nature hydrophile contribue ensuite à les repousser, empêchant ainsi la formation d’une couche de vapeur. Un nanofluide à une concentration supérieure à 5 % se comporte comme un fluide non newtonien .

Dans certaines applications, des matériaux solides servent de fluides caloporteurs. Ces matériaux nécessitent une énergie importante pour se vaporiser ; cette énergie est ensuite évacuée par les gaz vaporisés. Cette approche est courante dans le domaine spatial , notamment pour les boucliers de rentrée atmosphérique ablatifs et pour le refroidissement des tuyères de moteurs de fusée . Elle est également employée pour la protection incendie des structures, grâce à l'application de revêtements ablatifs.

La glace carbonique et la glace d'eau peuvent également servir de fluides caloporteurs, en contact direct avec la structure à refroidir. On utilise parfois un fluide caloporteur supplémentaire ; l'eau glacée et la glace carbonique dans l'acétone sont deux mélanges courants.

La sublimation de la glace d'eau a été utilisée pour refroidir la combinaison spatiale du projet Apollo .

La plupart des animaux à sang chaud dépendent de fluides frigorigènes pour maintenir une température corporelle constante. L'un des plus courants se trouve chez les mammifères, chez lesquels le corps libère de l'eau salée qui s'évapore rapidement .