Le but de ce document est de vous aider à prendre une décision éclairée lors du choix d’un fluide caloporteur. Bien que la plupart des applications soient uniques, ce guide devrait vous fournir suffisamment d’informations pour faciliter le choix d’un fluide adapté à votre application.

Il existe aujourd’hui sur le marché une grande variété de fluides caloporteurs haute température, vous avez donc le choix entre de nombreuses options. Certains de ces fluides sont recommandés pour les systèmes ouverts à l’atmosphère, d’autres non. Certains sont homologués pour une utilisation jusqu’à 398 °C (750 °F), tandis que d’autres ne sont recommandés que pour des températures allant jusqu’à 232 °C (450 °F).

Tous prétendent transférer efficacement la chaleur, mais quels autres facteurs devez-vous prendre en considération pour prendre une décision éclairée ?

La plupart des systèmes d’une capacité supérieure à environ 950 litres ou 250 gallons sont conçus pour protéger le fluide caloporteur contre des éléments tels que l’oxydation et la dégradation thermique. Les réservoirs d’expansion sont souvent recouverts d’un tampon ou d’un gaz inerte afin de réduire l’oxydation. Il existe souvent de nombreuses autres mesures de sécurité, telles que des coupures en cas de faible débit ou de niveau bas, qui contribuent à protéger davantage le fluide contre la dégradation thermique.

Alors, comment se décomposent les fluides ?

Oxydation

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.

Quatre groupes de fluides

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.

Je suis prêt à faire mon choix. Par où commencer ?

Le premier élément à prendre en compte lors du choix d’un fluide caloporteur est la température de fonctionnement requise. Cela inclut la température maximale de fonctionnement, ainsi que toute considération relative à la température minimale pour le traitement ou la capacité de pompage à température ambiante.

Les systèmes fonctionnant à une température inférieure à 315 °C (600 °F) offrent un choix beaucoup plus large de fluides.

Les systèmes fonctionnant entre 315 °C et 332 °F (600 °F et 630 °F) offrent moins de choix, et ceux qui nécessitent des températures supérieures à 343 °C (650 °F) sont encore plus limités. En général, plus la température est élevée, moins vous avez de choix et plus le fluide sera coûteux.

Les fluides caloporteurs à base de pétrole sont souvent les mieux adaptés aux applications nécessitant des températures inférieures à 315 °C (600 °F) pour des raisons de coût, d’impact environnemental et de performance.

Si votre système fonctionne entre 315 °C (600 °F) et 332 °C (630 °F), les options de fluides sont limitées à certains fluides pétroliers haut de gamme, aux aromatiques chimiques et à certaines silicones.

Les systèmes nécessitant un fluide pour fonctionner à une température supérieure à 332 °C (630 °F) sont essentiellement limités aux fluides chimiques aromatiques et à quelques fluides silicones.

Il est assez courant de voir un fluide à haute température (343 °C ou 650 °F) utilisé dans des applications où la température ne dépasse pas 204 °C (400 °F). Bien qu’il ne soit pas inutile de prévoir une marge de température, surdimensionner un fluide peut nuire à d’autres choix plus judicieux en termes de performances, d’économie ou d’environnement.

J’ai déterminé ma plage de température de fonctionnement. Y a-t-il autre chose que je devrais prendre en considération ?

Quelle est la durée de vie prévue de votre processus ou système ?

Si un système est mis en service pour une courte période seulement, disons quelques années, alors la durée de vie d’un fluide caloporteur est évidemment moins importante et le coût devient le facteur déterminant dans votre décision. Cependant, si vous prévoyez d’entretenir et d’exploiter votre système pendant plusieurs années, alors la durée de vie d’un fluide et les coûts associés doivent devenir le facteur prépondérant.

Par exemple, les fluides chimiques aromatiques ont souvent des pressions de vapeur plus élevées, en particulier lorsqu’ils se rapprochent de leur température maximale d’utilisation. Si un système n’est pas « scellé » de manière inerte ou sous pression, ces vapeurs s’échapperont dans l’atmosphère par le réservoir d’expansion. Toute perte de vapeur nécessitera alors un appoint de fluide frais afin de maintenir des niveaux suffisants dans le système.

Les huiles minérales ne résistent généralement pas très bien lorsqu’elles atteignent leur température maximale d’utilisation. Lorsqu’elles sont utilisées à leur limite ou près de celle-ci, elles ont tendance à se dégrader thermiquement et, si elles ne sont pas isolées de l’atmosphère, elles s’oxydent rapidement. Cela est dû à la présence de certains distillats dans le fluide après raffinage et souvent à un manque d’additifs.

Les huiles blanches, et en particulier les fluides à base de paraffine pure, restent efficaces jusqu’à leurs températures maximales recommandées. Si ces températures maximales sont dépassées, ces fluides subiront également une dégradation thermique. Les fractions légères qui en résultent devront être évacuées du système. Cela pourrait entraîner des problèmes similaires à ceux liés aux composés aromatiques chimiques en ce qui concerne la composition du fluide au fil du temps. Ces fluides présentent également des degrés variables de sensibilité à l’oxydation, ce qui doit être pris en compte si votre système n’est pas scellé à l’azote.

Votre processus nécessite-t-il un fluide de qualité alimentaire ?

Parmi tous les fluides caloporteurs disponibles sur le marché, seuls quelques-uns sont classés comme étant de qualité alimentaire (USDA, USP, H1, etc.).

Cela peut faciliter quelque peu le processus de sélection, mais il est important de comprendre que certains composants des fluides caloporteurs de qualité alimentaire sont soumis à des restrictions. Cela limite souvent les performances du produit par rapport à un fluide équivalent de qualité non alimentaire. Il convient donc d’examiner de plus près la résistance à la dégradation d’un fluide de qualité alimentaire, en particulier à l’oxydation.

Il convient également de noter que les fluides de qualité alimentaire sont souvent spécifiés alors qu’ils ne sont en réalité pas nécessaires. Il convient d’examiner attentivement l’application, car la fabrication d’un fluide de qualité alimentaire entraîne souvent des limitations en termes de performances et/ou de longévité du fluide.

Vous êtes préoccupé par l’environnement ?

Lors du choix d’un fluide, il est important de tenir compte de son impact sur l’environnement, ainsi que de ses implications en matière de santé et de sécurité.

Les organismes de réglementation tels que l’EPA, l’OSHA ou d’autres organismes locaux doivent être consultés concernant l’utilisation, l’élimination et la déclaration des fuites de fluides caloporteurs dans le cadre de toute utilisation ou application prévue de ces fluides. Si votre système est ouvert à l’atmosphère ou s’il s’agit d’un type de système qui oblige le personnel de l’usine à s’exposer régulièrement au fluide ou qui présente un risque de fuite, les problèmes potentiels liés à la sécurité environnementale et à la sécurité au travail doivent être traités avant de s’engager à utiliser un fluide caloporteur.

Les fluides chimiques aromatiques ont souvent une odeur nauséabonde et présentent des risques évidents et distincts pour la santé.

Les huiles blanches ou les fluides à base de paraffine (et la plupart des huiles minérales) sont généralement les fluides caloporteurs les plus « propres » et sont faciles à utiliser et à éliminer.

Les matières synthétiques (PAO et silicones) sont également généralement considérées comme « respectueuses de l’environnement ».

N’oubliez pas l’élimination des déchets

Quel que soit le fluide caloporteur que vous choisirez finalement, il arrivera toujours un moment où vous devrez en éliminer une petite quantité (en cas de fuite du système ou lors de la maintenance) ou la totalité lorsque le fluide aura atteint la fin de sa durée de vie. Il est donc important de prendre en compte les coûts liés à l’élimination du fluide.

Les composés aromatiques chimiques doivent généralement être séparés des autres fluides usagés et peuvent devoir être éliminés comme des déchets dangereux, ce qui peut s’avérer très coûteux.

Les silicones peuvent également nécessiter un tri sélectif, mais ne doivent pas être considérées comme dangereuses. Les PAO ainsi que les fluides à base de pétrole peuvent généralement être mélangés à d’autres « huiles » usagées et sont, dans la plupart des régions, les plus faciles et les plus économiques à éliminer.