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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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Conduction
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1. Généralités
1.1 Objectifs
La mise en froid et le maintien à basse température d'un système nécessitent l'utilisation d'un dispositif thermodynamique fonctionnant en mode réfrigérateur sur le principe d'une pompe à chaleur : la consommation d'un travail W (en Joule) permet le transfert d'une certaine quantité de chaleur Q (en Joule) d'une source froide à la température TF vers une source chaude à la température TC .
L'application des premier et second principes de la thermodynamique donne alors la relation entre travail et chaleur :
avec :
- COP :
- coefficient opérationnel de performance du dispositif frigorifique.
On note que l'égalité stricte est vraie seulement pour une machine thermodynamique réversible (et idéale) dite de Carnot. Ainsi, il apparaît que plus la température de la source froide est petite plus le travail nécessaire à l'extraction de la chaleur de cette source est important. Autrement dit, plus un système fonctionne à basse température, plus il coûte cher de le maintenir à cette température.
Toute chaleur apportée à la source froide et provenant de la source chaude augmente la quantité Q à extraire, donc le travail à fournir et ainsi le coût de fonctionnement. De plus, à basse température, l'enthalpie latente de vaporisation des liquides cryogéniques est faible et la capacité calorifique des matériaux tend vers zéro lorsque la température tend vers zéro. Une conséquence immédiate est que tout apport de chaleur va entraîner une évaporation des liquides et des réchauffements importants des matériaux. Un premier objectif est donc de fournir au système une isolation...
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Généralités
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).
-
(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. - 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
CERN http://home.web.cern.ch/fr
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