Radiateur

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Les radiateurs sont des échangeurs de chaleur utilisés pour transférer l’énergie thermique d’un milieu à un autre à des fins de refroidissement et de chauffage. La majorité des radiateurs sont construits pour fonctionner dans les automobiles, les bâtiments et l’électronique. Le radiateur est toujours une source de chaleur pour son environnement, bien qu’il puisse servir soit à chauffer cet environnement, soit à refroidir le fluide ou le liquide de refroidissement qui lui est fourni, comme pour le refroidissement du moteur. Malgré leur nom, la plupart des radiateurs transfèrent la majeure partie de leur chaleur par convection plutôt que par rayonnement thermique.

L’hypocauste romain est un exemple précoce d’un type de radiateur pour le chauffage des bâtiments. Franz San Galli, un homme d’affaires russe d’origine prussienne vivant à Saint-Pétersbourg, est crédité d’avoir inventé le radiateur de chauffage vers 1855, après avoir reçu un brevet de radiateur en 1857, mais l’Américain Joseph Nason a développé un radiateur primitif en 1841 et reçu plusieurs brevets américains pour le chauffage à eau chaude et vapeur.

Rayonnement et convection

Le transfert de chaleur à partir d’un radiateur s’effectue par tous les mécanismes habituels : rayonnement thermique, convection dans l’air ou le liquide en circulation, et conduction dans l’air ou le liquide. Un radiateur peut même transférer de la chaleur par changement de phase, par exemple en séchant une paire de chaussettes. Dans la pratique, le terme « radiateur » désigne un certain nombre de dispositifs dans lesquels un liquide circule dans des conduites exposées (souvent avec des ailettes ou d’autres moyens d’augmenter la surface spécifique). Le terme « convecteur » désigne une classe d’appareils dans laquelle la source de chaleur n’est pas directement exposée.

Pour augmenter la surface disponible pour l’échange de chaleur avec l’environnement, un radiateur aura plusieurs ailettes, en contact avec le tube transportant le liquide pompé par le radiateur. L’air (ou tout autre fluide extérieur) en contact avec les ailettes dégage de la chaleur. Si le flux d’air est obstrué par de la saleté ou des dommages aux ailettes, cette partie du radiateur n’est pas efficace pour le transfert de chaleur.

Chauffage

Les radiateurs sont couramment utilisés pour chauffer les bâtiments. Dans un système de chauffage central, de l’eau chaude ou parfois de la vapeur est produite dans une chaudière centrale et circulée par des pompes à travers des radiateurs à l’intérieur du bâtiment, où cette chaleur est transférée aux environs.

Refroidissement du moteur

Les radiateurs sont utilisés pour refroidir les moteurs à combustion interne, principalement dans les automobiles, mais aussi dans les avions à pistons, les locomotives ferroviaires, les motocycles, les motocycles, les centrales électriques fixes et autres endroits où ces moteurs sont utilisés.

Pour refroidir le moteur, on fait passer un liquide de refroidissement dans le bloc moteur, où il absorbe la chaleur du moteur. Le liquide de refroidissement chaud est ensuite introduit dans le réservoir d’entrée du radiateur (situé soit sur le dessus du radiateur, soit le long d’un côté), à partir duquel il est distribué à travers le noyau du radiateur par des tubes vers un autre réservoir à l’extrémité opposée du radiateur. Lorsque le liquide de refroidissement traverse les tubes du radiateur en direction du réservoir opposé, il transfère une grande partie de sa chaleur aux tubes qui, à leur tour, transfèrent la chaleur aux ailettes qui sont logées entre chaque rangée de tubes. Les ailettes libèrent ensuite la chaleur dans l’air ambiant. Les ailettes sont utilisées pour augmenter considérablement la surface de contact des tubes avec l’air, augmentant ainsi l’efficacité de l’échange. Le liquide de refroidissement refroidi est renvoyé au moteur et le cycle se répète. Normalement, le radiateur ne ramène pas la température du liquide de refroidissement à la température de l’air ambiant, mais il est suffisamment refroidi pour empêcher le moteur de surchauffer.

Ce liquide de refroidissement est habituellement à base d’eau, avec l’ajout de glycols pour prévenir le gel et d’autres additifs pour limiter la corrosion, l’érosion et la cavitation. Cependant, le liquide de refroidissement peut également être une huile. Les premiers moteurs utilisaient des thermosiphons pour faire circuler le liquide de refroidissement ; aujourd’hui, cependant, tous les moteurs sauf les plus petits utilisent des pompes.

Jusqu’aux années 1980, les noyaux des radiateurs étaient souvent en cuivre (pour les ailettes) et en laiton (pour les tubes, les collecteurs et les plaques latérales, tandis que les réservoirs pouvaient aussi être en laiton ou en plastique, souvent un polyamide). À partir des années 1970, l’utilisation de l’aluminium s’est répandue et a fini par s’imposer dans la grande majorité des applications de radiateurs pour véhicules. Les principales incitations pour l’aluminium sont la réduction du poids et du coût.

Comme l’air a une capacité calorifique et une densité inférieures à celles des liquides de refroidissement, un débit volumique assez important (par rapport à celui du liquide de refroidissement) doit être soufflé dans le noyau du radiateur pour capter la chaleur du liquide de refroidissement. Les radiateurs ont souvent un ou plusieurs ventilateurs qui soufflent de l’air à travers le radiateur. Pour économiser la consommation d’énergie des ventilateurs dans les véhicules, les radiateurs se trouvent souvent derrière la calandre à l’avant d’un véhicule. L’air du bélier peut fournir une partie ou la totalité du débit d’air de refroidissement nécessaire lorsque la température du liquide de refroidissement reste inférieure à la température maximale prévue du système et que le ventilateur reste désengagé.

Électronique

Comme les appareils électroniques deviennent de plus en plus petits, le problème de la dispersion de la chaleur perdue devient plus difficile. De minuscules radiateurs connus sous le nom de dissipateurs thermiques sont utilisés pour acheminer la chaleur des composants électroniques dans un flux d’air de refroidissement. Les dissipateurs thermiques n’utilisent pas d’eau, mais conduisent plutôt la chaleur de la source (les dissipateurs thermiques haute performance ont du cuivre pour mieux conduire). La chaleur est transférée dans l’air par conduction et convection ; une proportion relativement faible de la chaleur est transférée par rayonnement en raison de la basse température des dispositifs semi-conducteurs par rapport à leur environnement.

Vaisseau spatial

Les radiateurs sont des composants de certains engins spatiaux. Ces radiateurs rayonnent l’énergie thermique sous forme de lumière (généralement dans l’infrarouge compte tenu des températures auxquelles les engins spatiaux essaient de fonctionner), car dans le vide de l’espace, ni la convection ni la conduction ne peuvent servir à transférer la chaleur. Sur la Station spatiale internationale, on peut les voir clairement comme de grands panneaux blancs fixés à la poutrelle principale. On peut les trouver sur les embarcations avec ou sans équipage.

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