MEG 40 % — eau glycolée : densité, Cp, viscosité

Qu'est-ce que le MEG 40 % ?

Le monoéthylène glycol (MEG, 1,2-éthanediol, CAS 107-21-1) est le principal antigel des circuits fermés de génie climatique. Mélangé à l'eau — on parle alors d'eau glycolée — il abaisse le point de congélation et relève le point d'ébullition du fluide caloporteur.

Le 40 % s'entend en volume, convention des fiches techniques de fluides et des réfractomètres de chantier : 40 litres de glycol pur pour 60 litres d'eau. Comme le glycol pur est plus dense que l'eau (1113 contre 998 kg/m³ à 20 °C), cela représente 42,6 % en masse — un écart qu'il ne faut pas confondre, sous peine de se tromper de plusieurs degrés sur la protection annoncée.

C'est la concentration des circuits qui travaillent franchement en négatif, là où le 30 % ne suffit plus :

• boucles de pompe à chaleur géothermique en climat continental ou de montagne ;
• capteurs solaires thermiques exposés, et circuits extérieurs non purgeables l'hiver ;
• chambres froides négatives, saumures et circuits de refroidissement industriels ;
• réseaux enterrés faiblement profonds et antennes traversant des locaux non chauffés.

Protection antigel : quel pourcentage de glycol ?

La dépression du point de congélation croît avec la concentration, mais pas proportionnellement — elle s'accélère au-delà de 35 %. Voici les valeurs couramment publiées pour le monoéthylène glycol.

Les cinq grandeurs de la table

Toutes les valeurs sont données pour du monoéthylène glycol à 40 % en volume dans l'eau. La température est le seul paramètre d'entrée, de −20 à 175 °C par pas de 5 °C. Les valeurs citées ci-dessous sont celles de la ligne 20 °C.

• Masse volumique ρ (kg/m³) — 1063 kg/m³ à 20 °C, soit une densité de 1,063. Elle décroît régulièrement avec la température, de 1079 kg/m³ à −20 °C jusqu'à 979 kg/m³ à 175 °C. C'est elle qui convertit un débit volumique en débit massique.
• Chaleur massique Cp (J/kg·K) — 3497 J/kg·K, soit 3,497 kJ/kg·K ou 0,835 kcal/kg·°C. Contrairement à l'eau, dont le Cp est quasi constant, celui du mélange croît nettement avec la température : de 3380 J/kg·K à −20 °C à 3969 J/kg·K à 175 °C.
• Viscosité dynamique μ (Pa·s) — 0,003126 Pa·s, soit 3,126 mPa·s ou 3,126 cP. La viscosité cinématique correspondante vaut ν = μ/ρ = 2,94 mm²/s (2,94 cSt). C'est la grandeur la plus sensible à la température : elle est divisée par 43 entre −20 et 175 °C.
• Conductivité thermique λ (W/m·K) — 0,443 W/m·K, soit 0,381 kcal/h·m·°C. C'est la seule des cinq à ne pas varier de façon monotone : elle plafonne à 0,444 W/m·K entre 30 et 40 °C, puis redescend jusqu'à 0,429 W/m·K à 175 °C. La raison est physique — la conductivité de l'eau croît avec la température, celle du glycol pur décroît ; à 40 % de glycol, les deux effets se neutralisent presque, et la courbe reste plate à ± 2 % sur toute la plage.
• Pression de vapeur Ps (Pa abs.) — 1961 Pa. La colonne relative, exprimée en bar par rapport à l'atmosphère normale (1,01325 bar), reste négative jusqu'à 100 °C et change de signe à 105 °C : c'est là que le mélange bouillirait à l'air libre.

Ce que le glycol change par rapport à l'eau

À 40 %, les écarts à l'eau ne sont plus des corrections de second ordre : ils dimensionnent le circuit. Et celui qui compte le plus n'est pas celui auquel on pense.

30 % ou 40 % : ce que coûte réellement le surdosage

C'est la question qui amène le plus souvent sur cette table. Passer de 30 à 40 % de glycol achète 10 K de protection — de −16 à −26 °C. Voici la facture, mesurée entre les deux tables du site à la même température.

• Sur l'échange et le transport, c'est modéré. À 20 °C, la chaleur massique perd 4,8 %, la conductivité thermique 7,7 %, la masse volumique gagne 1,6 %. Le débit à faire circuler pour la même puissance n'augmente que de 3,2 % — largement dans la tolérance d'un circuit déjà dimensionné pour de l'eau glycolée.
• Sur l'hydraulique, c'est net. À 20 °C, le mélange à 40 % est 1,33 fois plus visqueux que celui à 30 % ; à −10 °C le rapport monte à 1,41. C'est le circulateur qui encaisse le surdosage, et il l'encaisse au moment le plus défavorable — au démarrage par temps froid.
• La conclusion pratique. Ne monter à 40 % que si la température minimale réellement atteinte par le fluide le justifie, et vérifier alors le point de fonctionnement de la pompe à froid, pas au régime nominal. Si le 30 % suffit, la table MEG 30 % donne les propriétés correspondantes ; le palier intermédiaire est tabulé dans la table MEG 35 %.

MEG ou MPG à 40 % : une décision de froid, puis de toxicité

À concentration égale, le monoéthylène glycol est le meilleur caloporteur des deux — et à 40 %, la comparaison est franche précisément là où l'on met du glycol.

• À −20 °C, le MPG 40 % est 2,37 fois plus visqueux que le MEG 40 %. Le rapport tombe à 2,00 à −10 °C, 1,36 à 20 °C, puis les deux fluides se valent : au-delà de 60 °C, la table MPG passe même légèrement en dessous. L'avantage du MEG est donc un avantage de froid, et il se paie sur le circulateur d'une boucle géothermique bien plus que sur un circuit de chauffage.
• Le MEG conduit mieux la chaleur jusqu'à 65 °C. Au-delà, les deux tables se croisent et l'écart s'inverse : sur un circuit chaud, la conductivité ne départage plus les deux familles.
• La toxicité tranche le reste. L'éthylène-glycol est classé nocif en cas d'ingestion — mention de danger H302 (INRS, fiche toxicologique n° 25, mise à jour d'août 2023). Le monopropylène glycol est admis au contact alimentaire. Dès qu'un échangeur peut mettre le fluide en relation avec de l'eau potable, un process agroalimentaire ou un bassin, c'est le MPG qui s'impose.

Contrôler la concentration en service

La concentration se vérifie au réfractomètre, gradué pour le glycol employé — une échelle MPG lue sur un mélange MEG donne un résultat faux. Un densimètre convient également, la masse volumique du mélange étant une fonction monotone de la concentration : c'est précisément ce que la colonne ρ de cette table permet de faire, en lisant à l'envers la densité mesurée à température connue.

Le contrôle ne s'arrête pas là. Ce qui met fin à la vie d'un mélange n'est presque jamais la disparition du glycol, mais l'épuisement des inhibiteurs de corrosion : le fluide s'acidifie et attaque les métaux du circuit. Le pH et la réserve d'alcalinité font donc partie du contrôle périodique, au même titre que la concentration. Au-delà de 120 à 140 °C selon les formulations — un régime que connaissent les capteurs solaires en stagnation — la dégradation s'accélère nettement.

Comment ces valeurs sont vérifiées

La table est couverte par une suite de 25 tests automatisés. Le principe : elle est comparée à des références externes réimplémentées indépendamment dans le fichier de test — jamais à ses propres sorties. Les écarts ci-dessous sont ceux que les tests mesurent réellement.

• Pression de vapeur — loi de Raoult et IAPWS-IF97. C'est le contrôle le plus complet. La fraction molaire d'eau du mélange (0,823) est recalculée à partir des seules masses molaires et masses volumiques des corps purs, puis multipliée par la pression de saturation de l'eau pure donnée par l'équation de la région 4 d'IAPWS-IF97, réécrite avec ses dix coefficients. Sur les 36 lignes de 0 à 175 °C, la table se tient entre +1,65 % et +2,76 % de cette référence. C'est la constance de ce biais sur près de 200 kelvins, bien plus que sa valeur, qui exclut une erreur de modèle ou d'unité.
• Conversions d'unités — définitions exactes. Chaque colonne secondaire doit être la conversion de la colonne principale : 1 kcal = 4186,8 J, 1 kcal/(h·m·°C) = 1,163 W/(m·K), 1 Pa·s = 3600 kg/(m·h), et la pression relative doit valoir la pression absolue moins 1,01325 bar. Les 40 lignes passent : l'écart maximal est de 8,0·10⁻⁴ kcal/kg·°C sur le Cp et 9,7·10⁻⁴ kcal/h·m·°C sur λ, soit moins d'une unité du dernier chiffre affiché. C'est le contrôle qui attrape une coquille de saisie.
• Cohérence avec les tables voisines du site. À chaque température commune, le MEG 40 % doit se placer au-dessus du MEG 35 % sur ρ et μ, en dessous sur Cp et λ, et au-dessus de l'eau pure sur ρ et μ, en dessous sur Cp. Des tables saisies indépendamment servent ainsi de contrôle croisé — une erreur sur une ligne casse cet ordre.
• Comportements physiques et structure. Les tests imposent la couverture complète −20 à 175 °C de 5 en 5 sans trou ni doublon, la décroissance stricte de ρ et μ, la croissance stricte de Cp et de la pression de vapeur, et le fait que celle-ci reste sous celle de l'eau pure à toute température.

Références

• IAPWS R7-97(2012) — Revised Release on the IAPWS Industrial Formulation 1997 for the Thermodynamic Properties of Water and Steam, International Association for the Properties of Water and Steam (révision du 29 mai 2018). Sa région 4 fournit l'équation de saturation de l'eau pure utilisée comme étalon de la colonne pression de vapeur.
• NIST Chemistry WebBook, SRD 69 — 1,2-Ethanediol, National Institute of Standards and Technology. Fiche de référence du corps pur : formule C₂H₆O₂, CAS 107-21-1, masse molaire 62,068 g/mol — la valeur utilisée pour calculer la fraction molaire du mélange. webbook.nist.gov
• INRS — Fiche toxicologique n° 25, « Éthylène-glycol » (mise à jour d'août 2023). Institut national de recherche et de sécurité. Classification et précautions d'emploi de l'éthylène-glycol (CAS 107-21-1) : c'est la source de la mention H302 et du critère de toxicité qui départage MEG et MPG. inrs.fr
• CRC Handbook of Chemistry and Physics — propriétés des corps purs à 20 °C employées comme étalons de mélange : éthylène glycol (ρ 1113 kg/m³, Cp 2385 J/kg·K, λ 0,252 W/m·K, μ 20,9 mPa·s) et eau (998,2 kg/m³, 4182 J/kg·K, 0,598 W/m·K, 1,002 mPa·s).
• Celsius Process — Caractéristiques physiques des fluides thermiques, fiche « MEG 40 % » (PDF mis en ligne en janvier 2020). Table constructeur au même format que celle-ci, utile pour recouper une ligne. Le document est un PDF image : il se lit à l'écran, mais son contenu n'est pas extractible automatiquement.
• ABC Clim — Ethylène (PEG) et Monopropylène glycol (PG), mise à jour du 21 janvier 2025. Source du tableau de points de congélation par concentration reproduit plus haut.