Le présent document a pour objectif de fournir des informations de base sur le secteur afin de permettre une prise de décision éclairée lors du choix d’un fluide caloporteur. Bien que chaque application soit différente, ce guide vous fournira suffisamment d’informations pour faciliter le choix du fluide adapté à votre application spécifique.

Il existe aujourd’hui sur le marché de nombreux fluides caloporteurs à haute température. Certains sont recommandés pour les systèmes ouverts à l’atmosphère, d’autres non. Certains sont homologués pour une utilisation à des températures de fonctionnement pouvant atteindre 398 °C (750 °F) et d’autres à des températures aussi basses que 232 °C (450 °F). Tous transfèrent efficacement la chaleur, mais quels autres critères faut-il prendre en compte ?

Pour les systèmes d’une capacité inférieure à quelques centaines de gallons, il est courant de constater qu’ils sont ouverts à l’atmosphère et qu’il n’y a pas de tampon inerte (couverture d’azote) entre le fluide et l’atmosphère (généralement au niveau du réservoir ou du vase d’expansion). Ces types de systèmes nécessitent des considérations particulières pour le choix du fluide.

Pour commencer, il existe essentiellement 4 types généraux de fluides caloporteurs à haute température :

Huiles minérales : Généralement disponibles auprès des grandes raffineries, les huiles minérales sont généralement peu coûteuses et polyvalentes, sans additifs ou avec très peu d’additifs ajoutés pour une protection « supplémentaire ». Ces produits sont généralement peu raffinés et contiennent donc souvent des distillats de pétrole ou des hydrocarbures aromatiques tels que le naphtalène, le xylène, le toluène et le benzène. Ces fluides peuvent également contenir du soufre, des cires et d’autres composants qui contribuent à réduire leur durée de vie globale, en particulier à des températures élevées.

Huiles blanches/paraffiniques : Au cours des 20 dernières années, le processus de raffinage du pétrole brut a considérablement évolué, permettant d’obtenir des huiles de base blanches hautement raffinées et des huiles paraffiniques pratiquement pures, exemptes d’hydrocarbures aromatiques. Bien qu’il existe de nombreuses qualités ou « coupes », certaines de ces huiles de base se sont révélées particulièrement adaptées aux applications de transfert thermique. De plus, quelques entreprises ont spécialement conçu des mélanges de ces huiles de base avec des additifs afin d’offrir une protection améliorée et une durée de vie prolongée dans les applications de transfert thermique exigeantes d’aujourd’hui.

Synthétiques (PAO et silicones) : Généralement les fluides les plus coûteux, les PAO (similaires à ceux utilisés dans les huiles moteur synthétiques) ont démontré qu’ils offraient intrinsèquement une stabilité oxydative et thermique (jusqu’à environ 287 °C, 550 °F) dans les applications de transfert de chaleur.

Les silicones sont relativement nouvelles sur le marché du transfert thermique ; bien que coûteuses, elles présentent une résistance extrême à la dégradation thermique et oxydative. L’utilisation de silicones dans certains environnements de fabrication peut toutefois poser des problèmes au niveau de la finition des produits (peinture ou revêtement, par exemple) si du silicone ou ses vapeurs sont introduits à la surface avant ou pendant la finition.

Produits chimiques/aromatiques synthétiques : généralement composés de structures chimiques à base de benzène, ils présentent des caractéristiques thermiques très variées et peuvent souvent être utilisés jusqu’à 398 °C (750 °F). Bien qu’ils offrent de bonnes caractéristiques thermiques, ils ont tendance à être coûteux et moins respectueux de l’environnement et de la santé et la sécurité des travailleurs. Ils sont également souvent déconseillés dans les systèmes ouverts.

Il y a également quelques éléments à comprendre concernant la manière dont un fluide se dégrade généralement. Cela peut être résumé en deux catégories :

Dégradation oxydative (la plus courante)

D’un point de vue scientifique, la dégradation oxydative est la réaction de l’oxygène (présent dans l’air) avec le fluide par un mécanisme de radicaux libres. Ce processus forme des molécules plus grosses qui finissent par devenir des polymères ou des solides. Ces éléments peuvent alors épaissir le fluide, augmentant ainsi sa viscosité. Plus un fluide devient visqueux, plus il sera difficile à pomper. Ses caractéristiques de transfert thermique seront également compromises, et l’acidité ou l’indice d’acidité totale (TAN) du fluide augmentera, ce qui augmentera le risque de formation de coke dans le système.

Comme pour beaucoup de réactions chimiques, l’oxydation se produit plus rapidement lorsque la température augmente. La vitesse de réaction est difficilement mesurable à température ambiante, mais à mesure que la température augmente, le risque de dégradation oxydative augmente de manière exponentielle en l’absence de mesures spéciales telles que l’inertage des réservoirs d’expansion.

En termes simples, l’oxydation se produit lorsque un fluide chaud entre en contact avec l’air. Les signes d’oxydation du fluide deviennent évidents avec la formation de boues dans le système, en particulier dans les zones à faible débit telles que les réservoirs ou les vases d’expansion.

Dégradation thermique

La dégradation thermique, ou craquage thermique, est la rupture des liaisons carbone-carbone sous l’effet de la chaleur dans les molécules fluides. Cela forme des fragments plus petits appelés « radicaux libres » et, dans certains cas, la réaction s’arrête là. Dans d’autres cas, les fragments peuvent réagir entre eux pour former des molécules polymères plus grandes.

Dans le domaine du transfert thermique, ces résultats sont appelés « low boilers » (faible rendement) et « high boilers » (haut rendement).

Chaudières à basse température : La présence de chaudières à basse température se traduit par une diminution mesurable du point d’éclair et de la viscosité du fluide thermique, ainsi que par une augmentation de la pression de vapeur. L’augmentation de la pression de vapeur peut affecter l’efficacité globale du système et provoquer une cavitation de la pompe, entraînant une défaillance prématurée. La réduction du point d’éclair peut également être à l’origine de graves problèmes de sécurité et de fonctionnement.

Chaudières à haute température : Si une dégradation thermique se produit à des températures extrêmes, supérieures à 400 °C (752 °F), cela entraîne non seulement la rupture des liaisons carbonées, mais également la séparation des atomes d’hydrogène de leurs atomes de carbone, ce qui conduit à la formation de coke. Les bouilleurs à haute température entraînent une augmentation de la viscosité du fluide tant qu’ils restent en solution. Cependant, une fois leur limite de solubilité dépassée, ils commencent à former des solides qui peuvent encrasser les surfaces de transfert de chaleur. Dans ce cas, l’encrassement des surfaces de transfert de chaleur est très rapide et le système cesse rapidement de fonctionner.

En termes simples, la dégradation thermique résulte d’une surchauffe de l’huile au-delà de son point d’ébullition. Lorsque le fluide bout, il produit un composant plus léger, généralement sous forme de vapeurs. Une surchauffe ou une craquage continu peut entraîner une réduction de la viscosité. Cela peut également poser des problèmes de sécurité liés à la création de composants plus légers. Cela réduit à son tour le point d’éclair, le point d’inflammation et les températures d’auto-inflammation globaux du fluide, ce qui peut poser un grave problème de sécurité.

Bien qu’il soit essentiel de choisir un fluide capable de fonctionner dans les plages de température requises, de nombreux autres facteurs doivent également être pris en compte.

1. Coût du fluide par rapport à la durée de vie
2. Stabilité thermique et son incidence sur la durée de vie
3. Stabilité oxydative et son incidence sur la durée de vie
4. Environnement / Sécurité des travailleurs

Coût

Bien que le coût puisse être un facteur de motivation important, en matière de fluides caloporteurs, le vieil adage « on en a pour son argent » s’avère souvent vrai. Les fluides caloporteurs sont disponibles à des prix allant de moins de 8 dollars américains le gallon à plus de 50 dollars américains le gallon.

Qu’est-ce qui les différencie ?

Fluides à moindre coût (entre 12 et 15 dollars le gallon)

En général, ces fluides sont légèrement raffinés, à base d’huile minérale et offrent très peu de protection supplémentaire grâce à l’utilisation d’additifs. Bien que ces fluides aient leur place dans les systèmes protégés contre des éléments tels que l’oxydation, leur utilisation dans des applications ouvertes à l’atmosphère doit être envisagée avec prudence, car leurs inconvénients ne se limitent pas à une durée de vie réduite, mais comprennent également leur tendance à produire des boues et du carbone qui peuvent finalement entraîner une défaillance du système.

Ces fluides ont toutefois leur place dans les systèmes ouverts qui perdent du fluide par attrition en raison de changements constants de moules ou de matrices (ou de fuites), ainsi que dans les systèmes fonctionnant à des températures plus basses et/ou fermés à l’atmosphère.

Fluides à base de pétrole à prix moyen (entre 15 et 20 dollars le gallon)

Les fluides de gamme moyenne sont composés d’huiles blanches ou paraffiniques hautement raffinées, voire fortement hydrotraitées. La plupart de ces fluides offrent un niveau de protection inhérent, mais certains sont encore améliorés grâce à l’ajout d’additifs tels que des antioxydants.

Ces fluides sont tous bien adaptés aux applications fermées ; cependant, certains sont spécialement conçus pour être utilisés dans des applications ouvertes grâce à l’ajout d’additifs. Bien que ces fluides ne soient pas tous identiques, ils ont généralement tendance à fonctionner plus proprement et plus longtemps que les fluides à base d’huile minérale à bas prix.

Huiles synthétiques (généralement plus de 35 $ le gallon)

Les huiles synthétiques sont similaires aux bases utilisées pour fabriquer les huiles moteur synthétiques (PAO) couramment utilisées aujourd’hui. Bien qu’elles soient très stables à basse température, les huiles synthétiques pour transfert thermique ont généralement une plage de température de fonctionnement plus basse que leurs homologues non synthétiques (huiles paraffiniques).

Bien qu’ils offrent une bonne résistance à la dégradation oxydative, le coût de ces fluides peut constituer un facteur limitant dans les applications sujettes aux fuites (transformation des plastiques, moulage sous pression, etc.). De plus, il a été démontré que les fluides à base de paraffine, plus économiques et contenant des additifs spécifiques, peuvent dans certains cas offrir de meilleures performances que les fluides à base de PAO. Silicones (50 à 90 dollars le gallon)

Les silicones sont désormais formulées pour être utilisées dans diverses applications de transfert thermique. Ces fluides ont tendance à être coûteux, mais lorsqu’ils sont utilisés dans des systèmes spécialement conçus pour les silicones, ils offrent souvent une durée de vie extrêmement longue, car ils sont pratiquement insensibles à l’oxydation et à la dégradation thermique.

Fluides chimiques aromatiques (généralement plus de 25 $ le gallon)

Ils ne sont généralement pas recommandés pour une utilisation dans des applications ouvertes à l’atmosphère, et ce pour deux raisons principales : les pressions environnementales et les pressions de vapeur (voir ci-dessous pour plus d’informations).

Stabilité à l’oxydation

C’est probablement l’un des facteurs les plus importants à prendre en compte pour les systèmes ouverts à l’atmosphère. Dans tout système ouvert, il existe toujours un point où le fluide entre en contact avec l’air. Plus la température à laquelle cela se produit est élevée, plus le taux d’oxydation est important. L’oxydation entraîne la formation de boues et de carbone dans le système qui, si elles ne sont pas contrôlées, peuvent provoquer une défaillance complète du système en raison de conduites obstruées, de réchauffeurs encrassés ou d’un débit insuffisant.

Les fluides caloporteurs ne sont généralement pas affectés par l’oxydation à des températures inférieures à 93 °C (200 °F). Cependant, pour chaque augmentation de 8 °C (15 °F) au-dessus de 93 °C (200 °F), le taux d’oxydation double effectivement. Plus la température est élevée, plus la protection nécessaire est importante. Il est donc extrêmement important de tenir compte de la conception de votre système et des conditions d’exposition lors du choix d’un fluide caloporteur.

Les fluides à base de pétrole offrent une certaine protection inhérente contre l’oxydation. Cependant, ils ne sont pas tous égaux, car certains fluides durent plus longtemps et fonctionnent plus proprement que d’autres. L’utilisation d’additifs ces dernières années a contribué à améliorer considérablement la longévité et la propreté des fluides.

Les fluides synthétiques PAO offrent également une bonne protection contre l’oxydation, similaire à celle des fluides pétroliers bien conçus. Les fluides silicones peuvent, s’ils sont utilisés correctement, offrir une protection presque imperméable contre l’oxydation.

Les composés aromatiques chimiques sont recommandés pour les systèmes fermés et, dans la plupart des cas, offrent très peu de protection contre l’oxydation.

Stabilité thermique

Il est essentiel de toujours choisir un fluide dont la température maximale d’utilisation est supérieure à votre température de fonctionnement.

Bien que les fluides à base de pétrole puissent fonctionner à des températures pouvant atteindre 332 °C (630 °F), les effets de la chaleur élevée doivent être pris en compte, en particulier avec les petits systèmes chauffés électriquement. Il est important de garder à l’esprit que même si votre température de fonctionnement est bien inférieure à la température maximale d’utilisation de votre fluide, avec un chauffage électrique, le point d’impact peut être plusieurs centaines de degrés plus chaud que votre température de fonctionnement.

Les fluides à base de pétrole se dégradent thermiquement (se fissurent ou bouillent) s’ils sont exposés à une température excessive et forment un composant plus léger. En général, cela ne pose pas de problème dans le cas de causes accidentelles, car les composants légers sont évacués du système. Il convient toutefois de tenir compte des effets à long terme d’une surchauffe prolongée.

Bien que les fluides PAO offrent une bonne stabilité, leur température maximale d’utilisation est généralement inférieure à celle de leurs homologues à base de pétrole. Ils ne sont donc pas recommandés à des températures supérieures à 260 °C à 288 °C (500 °F à 550 °F).

Les silicones peuvent offrir des limites de température supérieure extrêmement élevées. Cependant, dans certains cas, elles présentent des caractéristiques de transfert thermique inférieures en raison de leur indice de viscosité naturellement élevé, ce qui signifie qu’elles ne s’amincissent pas autant lorsque la température augmente.

Bien que la température maximale élevée des composés aromatiques chimiques puisse être attrayante, les autres préoccupations exposées dans le présent document doivent être prises en considération avant de s’engager à les utiliser comme option.

Impact environnemental/Sécurité des travailleurs

Les fluides à base de pétrole (minéraux, blancs ou paraffiniques) sont généralement les plus « propres » de tous les fluides caloporteurs. Ils sont faciles à utiliser et à éliminer. Ils ne nécessitent généralement pas de manipulation particulière et peuvent être éliminés avec les autres huiles usagées.

Les huiles synthétiques (PAO) offrent des propriétés environnementales similaires à celles de leurs homologues à base de pétrole. Cependant, leur élimination avec d’autres huiles usagées mélangées doit être vérifiée auprès de votre service, car un tri sélectif peut être nécessaire.

Les composés aromatiques chimiques peuvent être constitués de composants chimiques qui, lorsqu’ils sont exposés à des températures élevées, peuvent produire des composés cancérigènes ou cancérigènes. Les fuites et l’élimination peuvent également être préoccupantes sur le lieu de travail du point de vue de la déclaration et des coûts.

Une autre préoccupation liée aux fluides aromatiques chimiques est leur pression de vapeur élevée. À température ambiante, ces fluides produisent des vapeurs pouvant atteindre parfois 15 psia. Dans un système ouvert qui ne contient pas ces vapeurs en interne, la perte de fluide peut être excessive et mettre en danger la sécurité des travailleurs exposés. La perte de vapeur nécessite également un appoint proportionnel en fluide neuf.