CHAUFFAGE
Install Magazine 1002 – février 2025

Propriétés de l’eau dans les systèmes de chauffage et de refroidissement

Cet article revient sur les propriétés fondamentales de l’eau en tant que caloporteur dans les systèmes de chauffage et les systèmes frigorifiques. L’eau pure est le vecteur de chaleur le meilleur marché pour le chauffage et le refroidissement. Cependant, il ne peut être utilisé que jusqu’à une certaine limite inférieure en termes de température : environ 2 K au-dessus du point de congélation de O°C. Pour des températures plus basses, des solutions adaptées sont nécessaires.

Les données de base selon l’échelle de Celsius sont par définition les suivantes :

Point de fusion: 0°C

Point d’ébullition: 100°C

Densité: 1 g/cm³ à 4°C, 0,998203 g/cm³ à 20°C

Anomalie de densité de l’eau

L’eau affiche sa plus grande densité à 4°C. Par conséquent, l’eau des étangs se refroidit d’abord à 4°C pendant les mois froids de l’hiver. Au fur et à mesure que la température baisse, il se produit une différence de densité, de sorte qu’une couche de glace et d’eau plus froide se forme à la surface, tandis qu’une couche d’eau à 4°C s’accumule au fond de l’eau. C’est pourquoi les masses d’eau gèlent de haut en bas. Cette propriété spécifique est appelée anomalie de densité de l’eau. En raison de la dilatation due au gel, des dommages peuvent survenir. En effet, dans les conduites d’eau extérieures, cette dilatation peut provoquer l’éclatement des tuyaux. Les applications mobiles munies de flexibles en plastique sont moins sujettes à ce problème.

Capacité thermique spécifique

La capacité thermique décrit le rapport entre, d’une part, l’énergie thermique ajoutée, et d’autre part, l’augmentation de la température qui en résulte. Plus simplement exprimé, il s’agit de la quantité d’énergie qui est nécessaire pour réchauffer 1 kg d’une matière déterminée.

c = 4,18 kJ/(kg·K)

L’eau possède l’une des capacités thermiques les plus élevées de tous les fluides connus. Les mélanges eau-glycol ont toujours une capacité thermique plus basse que l’eau. Suivant le type et la concentration de l’antigel, la capacité thermique de tels mélanges se situe entre 3,4 et 3,7 kJ/kg à 20°C.

Chaleur d’évaporation – l’enthalpie de la vapeur d’eau

La chaleur d’évaporation, ou mieux exprimé, l’enthalpie de vaporisation de l’eau équivaut à la quantité d’énergie nécessaire pour passer d’une phase à l’autre de la phase liquide à la phase gazeuse, et ce à une pression et une température externes constantes. Si on veut convertir 4 kg d’eau à 100°C en vapeur chaude à 100°C, on a besoin de la quantité de chaleur suivante.

∆HV = 2.257 kJ/kg

La chaleur d’évaporation spécifique de l’eau est clairement plus élevée que celle des autres liquides. C’est entre autres pourquoi l’évaporation de l’eau dans une tour de refroidissement constitue une manière très efficace d’éliminer de la chaleur.

Conductivité thermique– possibilités de transport de l’eau

La conductivité thermique équivaut au transport de la chaleur entre des systèmes à température différente. La conductivité dépend de la température et augmente au fur et à mesure que celle-ci devient plus chaude. La conductivité thermique de l’eau est très élevée par rapport à d’autres fluides. Comparativement au métal, cette conductivité est toutefois faible. Les métaux affichent des valeurs de 10 à 100 fois supérieures. À 20°C, la conductivité thermique de l’eau s’élève à 0,60 W/ (m.K).

Valeur pH : d’acide à basique

La plage pH va de 0 (acide) à 7 (neutre) jusqu’à 14 (basique). La figure 1 montre des valeurs pH typiques pour différents liquides. Dans la plupart des applications industrielles dans lesquelles de l’eau est utilisée comme eau de process ou fluide de refroidissement, la valeur pH se situe dans la zone légèrement alcaline.

Figure 1: valeur pH typique de différents fluides. (Source: EnviroFalk GmbH)

Conductivité électrique σ

De nombreux sels, acides, soudes et gaz sont solubles dans l’eau. Les matières apolaires comme les graisses et les huiles sont par contre difficilement solubles. L’oxygène (O₂) a une solubilité de 0,001% ou 10 mg/l à 20°C. Le dioxyde de carbone (CO₂) a une solubilité de 0,17% ou 1.700 mg/l. Plus la température augmente, plus la solubilité des gaz dans l’eau diminue. Cette propriété permet le dégazage thermique, qui est par exemple souvent utilisé dans les chaudières à vapeur. La conductivité électrique de l’eau dépend de la concentration en sels dissous. Cette propriété est exprimée en Siemens par mètre (S/m). les ordres de grandeur usuels dans l’analyse de la qualité de l’eau sont les millisiemens par mètre (1 mS/m = 10^-3 S/m) et les microsiemens par mètre (1 µS/cm = 10^-4 S/m). Selon la règle empirique pour la conductivité, 1000 µS/cm correspond à 700 mg de sel par litre ou 0,7 g/l.

Éviter les dégâts dus au gel

Afin d’éviter des dommages permanents aux conduites et aux composants dus au gel, des mesures appropriées doivent être prises. Si la température de fonctionnement peut descendre en dessous de 1°C, il faut travailler avec des fluides résistants au gel. Toutefois, si seule la température des composants de l’installation ou de l’environnement peut descendre en dessous de 0°C, le gel peut être évité en faisant fonctionner les pompes en continu, en appliquant des rubans chauffants sur les tuyaux ou en utilisant d’autres systèmes de chauffage. Les fluides calorifiques résistants au gel sont principalement des mélanges contenant du monoéthylène glycol ou du propylène glycol. En ajustant la concentration de ces substances dans l’eau, il est possible d’atteindre un point de congélation prédéterminé. Ces mélanges sont généralement encore pourvus d’additifs pour la protection contre la corrosion et la stabilisation de la dureté. Ces inhibiteurs permettent d’éviter les réactions chimiques ou biologiques. Toute une gamme de fluides caloporteurs et frigorigène est disponible pour tous les niveaux de température. Lorsqu’ils sont utilisés dans l’industrie alimentaire, ils doivent évidemment être non toxiques.

Mélanges homogènes de caloporteurs

Les caloporteurs résistants au gel doivent toujours être ajoutés pré-mélangés dans le système, afin de garantir un mélange homogène et d’éviter des concentrations irrégulières. La concentration peut être établie à l’aide d’un hydromètre ou d’un réfractomètre. Chaque système hydraulique, avec du glycol ou non, doit être équipé d’un filtre (idéalement dans le bypass de la conduite principale). On ajoute en général du glycol :

Dans le cas de températures de fluides inférieures à 4°C et
En cas de risque de gel dans la zone d’installation (par ex. des groupes frigorifiques refroidis par air ou des échangeurs de chaleur pour installation en extérieur, du free-cooling, des batteries frigorifiques dans les centrales de traitement de l’air…).

Si on ajoute du glycol à de l’eau, il faut -en fonction de la concentration- tenir compte des effets positifs et négatifs suivants (tableau 1).

Le tableau 2 fournit une indication de la protection contre le gel en fonction du dosage.

L’eau reste le fluide caloporteur le plus utilisé dans les systèmes HVAC. Une meilleure compréhension des propriétés fondamentales permet d’en évaluer correctement les possibilités et les limites.

Par: Lars Keller