TRANSFERT DE CHALEUR À HAUTE TEMPÉRATURE À L’AIDE DE SELS FONDUS

Last updated on octobre 31st, 2022 at 07:06 pm

Introduction :

Composés de sels de fluorure, de chlorure et de nitrate, les sels fondus ont gagné du terrain en raison de leurs avantages et de leurs applications. Ils constituent un moyen privilégié pour les applications de transfert de chaleur, en particulier pour les hautes températures et le recuit (un processus de transfert de chaleur unique qui réduit la dureté et augmente la ductilité des métaux) et le chauffage des processus industriels, ainsi que pour le stockage thermique dans les centrales solaires. 

Les ingénieurs choisissent entre les sels fondus, les fluides caloporteurs (FTC) à base d’eau ou les fluides de transfert de chaleur à base d’huile en se basant sur des différenciateurs cruciaux, ce qui leur permet de choisir l’équipement de transfert de chaleur approprié. Les indicateurs comprennent les paramètres de conception, la température primaire du processus, l’efficacité du transfert de chaleur et les dépenses d’exploitation (OpEx). D’autres facteurs d’influence comme le point d’éclair, la pression de vapeur, les facteurs de sécurité d’inflammabilité, la toxicité et les dépenses d’investissement nécessaires (CAPEX) pour l’installation.

HTF à base d’eau par rapport au HTF à base d’huile ou de sel fondu

Le HTF à base d’eau est utilisé pour la plupart des applications à basse température et à paramètres moins complexes. Sa conductivité thermique est plus élevée et sa viscosité modérée. Cependant, il existe un inconvénient. La plage de températures d’application nécessite une pression élevée pour maintenir la phase liquide, généralement entre 0 °C et 100 °C. Lorsque la température dépasse 100 °C et réduit la pression de vapeur, on doit recourir à des tuyauteries et des réservoirs sous pression coûteux. 

Les huiles thermiques offrent au contraire de meilleures performances à haute température que les FTH à base d’eau, car elles sont capables de maintenir la phase liquide pour des températures allant jusqu’à 300 °C sans nécessiter de tuyauterie à haute pression.

Les fluides caloporteurs à base d’huile sont couramment utilisés comme moyen de chauffage pour les applications de recuit à basse température. Cependant, leur applicabilité diminue de façon exponentielle à des températures supérieures à 300 °C. En raison de leur décomposition à haute température, ils ont tendance à générer des vapeurs toxiques, sont inflammables et présentent un état réactif en raison de leur faible stabilité. Leur manipulation est donc difficile en cas de faible capacité thermique. 

Pour contrer les inconvénients de l’utilisation du HTF à base d’huile à des températures plus élevées, les sels ioniques sont apparus comme une source viable de stockage thermique et de fluide caloporteur. Ils présentent de faibles points de fusion, une faible volatilité, une large gamme de températures de fonctionnement et une faible pression de vapeur qui ne nécessite pas de tuyauterie à haute pression. 

La tendance plus faible des fumées réduit la toxicité et l’ininflammabilité. Les sels ioniques fondus présentent toutefois un inconvénient : leur plage de fonctionnement est limitée, mais leur densité de stockage thermique est élevée comme moyen de stockage de l’énergie thermique 

• La plage de fonctionnement typique des différents sels fondus est comprise entre 260 °C et 550 °C. 
• En dessous de 220 °C, il y a un risque de gel du sel ionique dans la tuyauterie du processus.
• À des températures supérieures à 600 °C, le risque de décomposition du sel augmente, entraînant la corrosion des tuyauteries du processus et des cuves à pression. 

Les sels ioniques à point de fusion bas (LMP)

Pour étendre la plage de fonctionnement des sels ioniques, les sels à point de fusion bas sont mélangés au liquide restant pour une large plage de température allant de 250 °C à 100 °C.

Un exemple typique d’une telle application est un mélange de 60 % de NaNO3 (nitrate de sodium) et 40 % de KNO3 (nitrate de potassium). Ces mélanges, connus sous le nom de système eutectique, sont des mélanges homogènes. Ils forment un super-réseau qui fond ou se solidifie à une température beaucoup plus basse que le point de fusion de chaque sel. 

Exemple du mélange de nitrate de sodium et de nitrate de potassium : le nitrate de sodium a un point de fusion de 307 °C, et le second a un point de fusion de 333 °C. Mais après avoir été formés en un mélange eutectique,  le point de fusion du mélange tombe à 222 °C, ce qui augmente l’applicabilité des sels pour les applications à haute température. 

Un autre mélange standard de sels fondus LMP est le mélange ternaire de nitrate de lithium, de nitrate de sodium et de nitrate de potassium, qui réduit encore le point de fusion du mélange eutectique à 130 °C ; cependant, le système eutectique ternaire a une température de fonctionnement maximale de 500 °C, ce qui peut limiter l’utilisation pour les applications à haute température car au-delà de cette température, le sel de lithium commence à se décomposer. Il s’agit également d’un système eutectique coûteux en raison du prix élevé du lithium, un matériau très recherché par les fabricants de batteries. 

Les sels fondus dans une application de micro-réseau

Les micro-réseaux sont des systèmes énergétiques indépendants, autosuffisants et intelligents qui fournissent de l’énergie à une installation localisée comme un hôpital, un lotissement résidentiel, un centre d’affaires ou un campus universitaire. 

En général, un micro-réseau est constitué d’une ou plusieurs sources d’énergie diverses, comme l’énergie éolienne ou solaire, couplées à un système de secours au diesel ou au gaz naturel. Il existe généralement un mécanisme de stockage de l’énergie, comme des batteries Li-ion ou des batteries à flux de fer, qui permet de stocker l’énergie excédentaire de la source d’énergie primaire pendant la période de production de pointe. 

Pour les micro-réseaux alimentés par l’énergie solaire via des centrales, les sels fondus sont apparus comme le HTF préféré en raison de leur capacité à supporter des températures élevées. Une situation courante dans les centrales solaires à concentration. Cela élimine le besoin de tuyauterie de traitement à haute pression et d’échangeurs de chaleur coûteux, qui seraient nécessaires si le HTF était un fluide à base d’eau ou d’huile.

Le seul risque que comporte cette application est que les températures peuvent baisser la nuit, ce qui augmente le risque de gel du système eutectique ou du mélange de sels ioniques binaires dans la tuyauterie de traitement. Dans ce cas, des systèmes de chauffage d’appoint au gaz naturel peuvent maintenir le mélange au-dessus du point de fusion. Le projet Gemasolar Torresol est l’un des premiers exemples de centrale solaire à concentration utilisant le HTF à sels fondus.

Considérations de conception lors de l’utilisation de sels fondus comme HTF

En raison des joints mécaniques et des garnitures, de nombreux systèmes de pompage ne sont pas compatibles avec le pompage de sels fondus. L’augmentation du risque de corrosion dans le système en raison de l’augmentation des températures de fonctionnement est observée dans le cas des centrales à concentration d’énergie solaire.

Les sels à base de nitrate sont souvent stables, mais ce sont des oxydants. De ce fait, en présence d’un feu ou d’une flamme nue, ils libèrent de l’oxygène. Comme ils causent et alimentent le feu, il est conseillé de les tenir éloignés des sources d’inflammation. Dans les centrales solaires à concentration, le sel ionique peut être chauffé directement dans le tube récepteur à concentration, recevant l’énergie par des miroirs paraboliques.

Cette disposition est privilégiée. Lorsque la température de fonctionnement est supérieure à 600 °C, il convient d’utiliser une combinaison de fluide synthétique à haute température avec le sel fondu, où le fluide synthétique HT est chauffé principalement dans le tube récepteur parabolique et transfère ensuite la chaleur aux réservoirs de stockage du sel fondu.