Bibliographie & annexes
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En anglais
RÉSUMÉ
Garantir un environnement cryogénique, c'est d'une part limiter les apports de chaleur provenant de toute source dont le milieu ambiant et d'autre part assurer un échange thermique efficace nécessaire à l'évacuation de la chaleur. Cet article présente les spécificités qu'implique le domaine des basses températures dans la compréhension et l'estimation des transferts thermiques en cryogénie. Conduction, convection et rayonnement sont ainsi traités en considérant les deux objectifs complémentaires de réduction ou de promotion des échanges. Des exemples pratiques soutiennent les données techniques et chiffrées.
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Ensuring a cryogenic environment means first limiting heat loads from any source including the ambient environment. Second, it means ensuring an efficient heat exchange, which is necessary to remove heat. This article presents those characteristics of the low temperature domain that are needed for the understanding and estimation of heat transfer in cryogenics. Conduction, convection and radiation are examined in the light of the two complementary objectives of reducing and promoting heat exchanges. Practical examples are given to illustrate technical data.
Auteur(s)
-
Bertrand BAUDOUY : Docteur, Ingénieur-chercheur au Commissariat à l'Énergie Atomique et aux énergies alternatives (CEA) de Saclay au sein du Service des accélérateurs, de cryogénie et de magnétisme, France
-
Gérard DEFRESNE : Professeur agrégé, chargé de cours à l'Institut universitaire de technologie d'Orsay (Université de Paris Sud), membre du Laboratoire d'Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l'Ingénieur (LIMSI), France
-
Patxi DUTHIL : Docteur, Ingénieur de recherche du Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) au sein de l'Institut de Physique Nucléaire d'Orsay, France
-
Jean-Pierre THERMEAU : Ingénieur de recherche du Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) au sein de l'Institut de Physique Nucléaire d'Orsay, France
INTRODUCTION
Abasse température, on retrouve les trois types de transfert de chaleur (conduction, convection, rayonnement). Par contre, leur intensité est très différente de celle observée à température ambiante. Plusieurs paramètres expliquent cette différence. Les caractéristiques physiques des matériaux et des fluides varient de plusieurs ordres de grandeur entre la température ambiante et les basses températures. De plus, la plupart des variations de ces caractéristiques n'évoluent pas proportionnellement à la température. Cette évolution non linéaire des caractéristiques des fluides et des matériaux à basses températures complique l'évaluation des différents flux de chaleur échangés. Il est donc indispensable de connaître le comportement des matériaux et des fluides pour réaliser le bilan thermique d'un cryosystème.
De nombreuses installations industrielles et scientifiques fonctionnent à basse température et ont confirmé la validité des relations utilisées pour le dimensionnement thermique d'équipements dans ce domaine. L'apparition de nouveaux matériaux pour la construction (composites ayant une faible conductivité thermique) ou pour l'isolation (feuilles de superisolation) ont permis d'améliorer les performances thermique et thermodynamique des cryosystèmes. L'amélioration des performances énergétiques des cryosystèmes et des aimants supraconducteurs s'est accompagnée d'un développement important de certains équipements cryogéniques comme, par exemple, ceux utilisés pour l'imagerie médicale.
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KEYWORDS
heat intercepts | thermal shields | convection | heat transfers | thermal insulation
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Généralités
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5. Comparaison des différents modes de transfert thermique
Les puissances thermiques échangées par une surface supposée très grande, à température T sont représentées sur la figure 14. Ces puissances comparées sont générées sous une différence de température de 1 K :
-
par rayonnement entre deux parois ;
-
par conduction dans l'hélium entre deux parois séparées par 1 cm ;
-
par convection naturelle ou forcée dans l'hélium autour d'une tige horizontale de 1 cm de diamètre ; dans le cas de la convection forcée, l'hélium est supposé se déplacer autour de la tige avec une vitesse de 1 m/s.
Ci-dessus : Comparaison entre les différents transferts de chaleur entre deux surfaces d'échange soumises à un écart de température
de 1 K
On peut noter qu'au-dessous de 77 K (température d'ébullition de l'azote liquide à pression atmosphérique), le rayonnement thermique devient en général négligeable. Pour l'hélium gazeux à température ambiante, l'échange est le même en conduction pure qu'en convection naturelle. Au contraire, à 4,2 K, la convection naturelle donne une puissance transmise cent fois supérieure à celle échangée par conduction.
Les auteurs remercient pour leur aide P. Bredy et C. Meuris du CEA-Saclay et S. Buhler du CNRS IN2P3.
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Comparaison des différents modes de transfert thermique
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - VAN SCIVER (S.W.) - Developments in He II heat transfert and applications to superconducting magnets. - Fast RW, editor, Plenum Press, 27, p. 375-398 (1982).
-
(2) - KAPITZA (P.L.) - The study of heat transfer on He II. - USSR Journal of Physics, p. 4181 (1941).
-
(3) - POLLACK (G.L.) - Kapitza resistance. - Reviews of Modern Physics, 41(1), p. 48 (1969).
-
(4) - VAN SCIVER (S.W.) - Helium cryogenics. - Plenum Press (1986).
-
(5) - AMRIT (J.), FRANÇOIS (M.X.) - Heat flow at the niobium-superfluid helium interface : Kapitza resistance and superconducting cavities. - J. Low. Temp. Phys., 119(1-2), p. 27-40 (2000).
-
(6) - KASHANI (A.), SCIVER (S.W.V.) - High heat flux Kapitza conductance of technical copper with several different surface preparations. - ...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
Propriétés des matériaux à basse température.
ANNEXES
CryoComp © Eckels Engineering Inc. 1993-2012. Base de données des propriétés thermiques et électriques des matériaux. Logiciel distribué en France par Cryoforum http://www.cryoforum.com
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Cryogenic Engineering Conference (bisannuelle en alternance avec ICEC)
International Cryogenic Engineering Conference (bisannuelle en alternance avec CEC)
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Air Liquide http://www.airliquide.com
Institut Néel http://neel.cnrs.fr/
AFF-CCS http://affccs.grenoble.cnrs.fr
CERN http://home.web.cern.ch/fr
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