Radiateur

Un radiateur est un dispositif qui permet l'échange de chaleur entre deux milieux. Il a pour fonction, soit d'évacuer la chaleur d'un objet pour éviter sa surchauffe, soit de chauffer un espace ou un objet. Le radiateur opère généralement par convection, mais aussi par rayonnement, c'est à ce dernier mode de transfert thermique qu'il doit son nom.

Ancien radiateur à eau chaude domestique en fonte

Domaines d'utilisation

Les domaines d'utilisation des radiateurs sont très vastes. Les radiateurs sont utilisés dès qu'il y a la nécessité d'échanger une grande quantité de chaleur dans un volume restreint.

Radiateur domestique

Un radiateur domestique.

Les radiateurs domestiques ont pour but de chauffer un local et le maintenir à une certaine température de confort. Il existe plusieurs types de radiateurs domestiques.

Le radiateur à eau est le plus ancien. Un fluide caloporteur est chauffé dans une chaudière et ensuite amené dans un élément qui va communiquer la chaleur de ce liquide à son environnement, essentiellement par transferts radiatifs et convectifs. Voici une liste des contraintes techniques expliquant la forme et le fonctionnement d'un radiateur :

• transférer un maximum de chaleur du liquide vers son environnement :
  • optimiser les formes des surfaces de contact fluide caloporteur-paroi et paroi-environnement afin de maximiser les échanges de chaleur et minimiser le volume du radiateur.
• avoir une inertie thermique élevée. Cela permet d’accumuler beaucoup de chaleur et de la relâcher lentement : l’environnement est chauffé « doucement ». Dans le cas contraire, une pièce deviendrait très chaude lorsque la chaudière fonctionne et très froide lorsque la chaudière est arrêtée.
• avoir un liquide avec un maximum d’énergie calorifique :
  • évite une trop grande baisse de la température du liquide entre la sortie de la chaudière et le radiateur
  • permet d’avoir un débit plus faible (moins de chute de pression)
• minimiser les bulles d’air qui diminuent la surface d’échange liquide caloporteur/interface. (ces bulles ont aussi la tendance à faire du bruit lorsqu’elles passent dans les tuyaux) :
  • la solution est de faire rentrer l’eau par le bas du radiateur. Elle va le remplir tranquillement et chasser l’air par le tuyau de sortie. Dans ce cas l’air sera évacué en desserrant la molette de raccordement en haut du radiateur (et en la resserrant dès que l’eau suintera). Parfois, la purge est automatique et se fait au niveau de la chaudière.
• éviter que les saletés s’accumulant au bas des radiateurs bouchent les tuyaux :
  • ici aussi, la solution est de faire rentrer le fluide caloporteur par le bas : les grosses saletés décantent plus vite que l’eau ne les soulève et arrivent donc moins facilement dans les tuyaux.
• assurer un chauffage homogène dans toute la maison en dépit de la chute de pression :
  • une vis (pouvant être assimilée à un robinet) réglable permet de faciliter ou freiner l’entrée de l’eau dans le radiateur. Resserrer la vis des radiateurs proche de la chaudière permet d’éviter que toute l’eau du circuit passe par le radiateur, court-circuitant ainsi toute la maison. Ouvrir la vis du radiateur en bout de circuit (et donc avec peu de pression) permet de faciliter la rentrée de l’eau (et donc le chauffage) dans le radiateur.
• bloquer les entrées d’air froid d’une pièce :
  • choisir un emplacement favorisant les échanges thermiques en le radiateur et son environnement (ainsi, l'une des raisons pour lesquelles les radiateurs sont fréquemment placés sous les fenêtres est que cela permet d'augmenter le phénomène de convection naturelle)
• diminuer la puissance/éteindre le radiateur :
  • cette fonction est remplie par le robinet en sortie de radiateur (en haut) à tourner à la main (tourner dans le sens des aiguilles d’une montre ferme le radiateur).

Il existe aussi des radiateurs à bain d’huile, où le chauffage est assuré par des résistances électriques. La capacité calorifique de l’huile étant plus faible que l’eau, il faut moins d’énergie pour la chauffer. Le radiateur est ainsi plus rapide à monter en température.

Il existe aussi des cas particuliers : les convecteurs , qui ne sont pas des radiateurs car au lieu de chauffer une pièce par émission d’un rayonnement infrarouge (perçu comme une chaleur), ils chauffent physiquement l’air qui les traverse. Cet air chaud, plus léger remonte par convection et s’installe alors dans la pièce un courant d’air (très léger) qui monte du convecteur, longe le plafond, se refroidit, descend le long du mur opposé, longe le sol et repasse dans le convecteur. En parallèle de ce circuit, l’air chaud se diffuse également dans la pièce. Les convecteurs sont généralement électriques : un courant électrique passe dans des résistances pourvues d'ailettes qui chauffent l’air.

Fonctionnement d'un radiateur

La plupart du temps les radiateurs ont un bouton, soit poussoir soit avec un côté marche un côté arrêt. Il y a aussi une molette permettant de régler la température de l'appareil en fonction des besoins (souvent entre 14°C et 30°C)

Optimisation du transfert

Pour transférer efficacement de la chaleur, un radiateur doit être constitué d'un matériau ayant une forte conductivité thermique (d'où l'utilisation courante de métal) et posséder une grande surface de contact entre les deux systèmes, ce qui explique les formes souvent complexes employées afin de maximiser les échanges thermiques. On fait parfois usage de convection forcée (ventilateur).

La dissipation de chaleur par rayonnement dépend fortement de la température (en T⁴, cf loi de Stefan-Boltzmann).

Bien gérer les radiateurs

D'autres facteurs interviennent dans le maintien d'une température de confort: l'isolation du bâtiment, la présence de vanne thermostatique, etc.

Radiateur automobile

Radiateur de moteur de voiture.

Les moteurs à explosion, équipant la plupart des automobiles actuelles, génèrent énormément de chaleur inutile. La quasi totalité des moteurs récents sont équipés d'un circuit de refroidissement, et donc d'un radiateur. Dans ce cas, un liquide circule dans le bloc moteur ainsi que dans la culasse, passant au plus près des zones de production de chaleur, son but est de maintenir à une température optimum le corps du moteur (entre 75°C et 95°C^[1]). Ce fluide caloporteur est forcé par une pompe centrifuge dans des durits jusqu'à un radiateur, monté généralement face à la route, l'air extérieur au véhicule traverse le radiateur transférant l'énergie indésirable du moteur à l'air ambiant. Ce radiateur peut-être en aluminium, ou en cuivre, qui bien que plus lourd, dissipe mieux l'énergie^[2].

Dispositif associés pour la régulation de la température

Plusieurs dispositifs permettant d'améliorer le fonctionnement d'un radiateur en régulant la température du fluide caloporteur.

• Le flux d'air passant sur le radiateur peut-être par accéléré par un ventilateur. Celui-ci permet de refroidir le véhicule, même à l'arrêt. Le ventilateur peut-être entraîné électriquement, et dans ce cas, il est souvent couplé a un thermocontact commandant son démarrage. Ou il peut-être aussi entrainé mécaniquement avec la pompe à eau.

Il est souvent aspirant, mais peut-être monté soufflant, ce qui est plus efficace, mais pose des problèmes d'encombrements^[1].

• De même, un calorstat permet généralement au moteur d'atteindre sa température de fonctionnement plus rapidement en créant un circuit fermé ne passant pas par le radiateur.

Autres utilisations dans le domaine automobile

Dans d'autres cas, le fluide caloporteur peut-être de l'huile, provenant du moteur, de la boîte de vitesse ou du pont.

Une autre utilisation du radiateur en automobile est sous forme d'échangeur air/air (souvent couplé à un dispositif de suralimentation), pour diminuer la température de l'air d'admission, permettant d'améliorer le rendement de son cycle thermodynamique. En compétition, certains de ces échangeurs reçoivent des buses projetant de l'eau froide.

Composant électronique

Exemple de radiateurs utilisés pour le refroidissement en électronique.

L'électronique et l'informatique produisent de la chaleur qu'il est nécessaire de dissiper sous peine d'endommager le matériel. Ces domaines utilisent des petits radiateurs appelés dissipateur thermique qui peuvent être couplés à des ventilateurs (voir photo ci-dessous). Dans ce domaine on parle d'aircooling.

Radiateurs couplés à des ventilateurs (ventirads) pour le refroidissement de microprocesseurs.

Autres domaines d'utilisation

Le radiateur principal de la station spatiale internationale peut évacuer 75 kW de chaleur qui est véhiculée par un circuit dans lequel coule de l'ammoniac

• Aéronautique : radiateur sur les ailes d'avion pour les empêcher de geler ;
• Industrie : dissipation de chaleur générée par un processus industriel ;
• Astronautique : des radiateurs sont utilisés pour évacuer la chaleur générée par les composants électroniques (tous les engins spatiaux) et l'activité humaine (engins habités).

Notes et références

Articles connexes

• Échangeur de chaleur
• Chauffage électrique
• Brasero
• Chaufferette

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