Radiateur

Un radiateur domestique fonctionnant avec un dispositif de chauffage central.

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, nommé plus fréquemment 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 envisageable ; 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 par conséquent être en contact avec l'interface.
• avoir une inertie thermique élevée. Cela permet d'accumuler énormément de chaleur et de la relâcher lentement : l'environnement est chauffé «doucement». Dans le cas opposé, une pièce deviendrait particulièrement chaude quand la chaudière fonctionne et particulièrement froide quand 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 quand 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). Quelquefois, 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 par conséquent moins aisément 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 sert à favoriser 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 par conséquent avec peu de pression) sert à favoriser la rentrée de l'eau (et par conséquent le chaufage) dans le radiateur.
• bloquer les entrées d'air froid d'une pièce :
  • c'est pour cela que les radiateurs sont le plus souvent positionnés 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 spécifique : 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 aussi dans la pièce. Les convecteurs sont le plus souvent électriques et fonctionnent par effet Joule : un courant électrique passe dans des résistances qui chauffent l'air.

Radiateur de moteur de voiture.

Les moteurs à explosion, équipant la majorité des automobiles actuelles, génèrent énormément de chaleur inutile. Dans la majorité 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 le plus souvent face à la route, l'air extérieur au véhicule traverse le radiateur transférant l'énergie indésirable du moteur à l'air ambiant, quand le véhicule est à l'arrêt, un ventilateur couplé a un thermocontact refroidissent le radiateur.

Exemple de radiateurs utilisés pour le refroidissement en électronique.

L'électronique et l'informatique produisent de la chaleur qu'il est indispensable de dissiper sous peine d'endommager le matériel. Ces domaines utilisent des petits radiateurs nommés 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.

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

La chaleur, en général, est transmise selon trois voies :

• conduction,
• convection,
• rayonnement.

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

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 dispositifs, ce qui explique les formes fréquemment complexes employées pour maximiser les échanges thermiques. On fait quelquefois usage de convection forcée (ventilateur).

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

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