Échangeur air/air

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 domestique en fonte

Origine

Le radiateur a été inventé en 1855 par Franz SanGalli, un Allemand né en Italie et vivant en Russie. Il breveta son système en Allemagne et aux États-Unis, peu après le radiateur devient l'équipement standard de chauffage dans les nouvelles constructions.

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, 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 : c'est un échangeur thermique par radiation infrarouge, appelé plus couramment radiateur. Voici une liste des contraintes techniques expliquant la forme et le fonctionnement d'un radiateur :

• transférer un maximum de chaleur de par et d'autre d'un liquide :
  • l'interface entre doit être la plus grande possible ; c’est pour cela que les radiateurs ont une surface bien supérieur à celle d’un tuyau d’eau chaude.
  • un maximum de liquide doit transférer sa chaleur et donc être en contact avec l’interface.
• 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)
  • un des liquide calorifique les plus efficace est l’eau additionnée de glycérine, mais l’eau seule est bien assez efficace (avec un rapport qualité/prix/disponibilité imbattable)
• 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 :
  • c’est pour cela que les radiateurs sont généralement placés sous les fenêtres, où par convection (oui, une partie de l’énergie reçue par un radiateur est transférée à l’environnement par convection, voir paragraphe suivant)
• 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. 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 un cas particulier : 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 et fonctionnent par rayonnement : un courant électrique passe dans des résistances qui chauffent l’air.

Radiateur automobile

Radiateur de moteur de voiture.

Les moteurs à explosion, équipant la plupart des automobiles actuelles, génèrent énormément de chaleur inutile. Dans la plupart des cas un liquide circule dans le moteur, passant au plus près des zones de production de chaleur, son but est de maintenir à une température (entre 70°C et 90°C) optimum le corps du moteur. Ce liquide 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, lorsque le véhicule est à l'arrêt, un ventilateur couplé a un thermocontact refroidissent le radiateur.

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

• Aéronautique : radiateur sur les ailes d'avion pour les empêcher de geler ;
• Industrie : dissipation de chaleur générée par un processus industriel ;
• ...

Fonctionnement d'un radiateur

Modes de transfert

La chaleur, d'une manière générale, est transmise selon trois voies :

• conduction,
• convection,
• rayonnement.

Malgré son nom, le radiateur n'émet pas son énergie uniquement sous forme de rayonnement.

Optimisation du transfert

Pour transmettre efficacement de la chaleur, un radiateur doit être un bon conducteur 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.

Notes et références

Articles connexes

• Échangeur de chaleur

Voir « radiateur » sur le Wiktionnaire.

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