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English
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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Lire l’articleAuteur(s)
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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
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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
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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
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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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Convection
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2. Conduction
Dans les solides ou les fluides au repos (gaz, liquide à l'intérieur desquels la vitesse ou le débit de masse sont nuls), le transfert de chaleur s'effectue par diffusion. C'est également le cas dans la couche limite d'un fluide développée à proximité d'une paroi, lieu où le transport diffusif est prédominant par rapport au transport advectif. La conduction thermique est décrite par la loi de Fourier (2). La conductivité thermique k (W · m–1 · K–1) dépend du matériau dans lequel s'effectue le transfert conductif et est une fonction de la température. La notation vectorielle de la relation indique que le phénomène est tridimensionnel. Il est donc possible d'avoir un tenseur définissant la conductivité thermique d'un matériau pour les trois dimensions de l'espace. Le signe négatif indique que la chaleur circule spontanément (c'est-à-dire sans impliquer le possible travail d'un dispositif thermodynamique) de la partie la plus chaude vers la partie la plus froide.
Dans la conception de systèmes cryogéniques, il faut préférer des matériaux à haute conductivité thermique lorsqu'on veut :
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réduire les inhomogénéités du champ de température et donc avoir un faible gradient de température au sein d'un matériau (soumis à un flux) ;
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accroître la puissance thermique transférée à partir d'un potentiel thermique donné ;
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avoir un bon contact thermique.
À l'inverse, pour limiter des transferts de chaleur que l'on considère comme parasites, le choix se porte sur des matériaux à faible conductivité.
2.1 Conduction dans les solides
2.1.1 Conduction dans un matériau homogène isotrope
Les courbes de conductivités de différents matériaux solides sont données pour des températures cryogéniques dans l'article ...
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Conduction
BIBLIOGRAPHIE
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(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).
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(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).
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(6) - KASHANI (A.), SCIVER (S.W.V.) - High heat flux Kapitza conductance of technical copper with several different surface preparations. - Cryogenics,...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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
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