Radiateur (échangeur de chaleur)

Pour transférer efficacement de la chaleur, un radiateur doit être constitué d'un matériau ayant une forte conductivité thermique (d'où l'utilisation courante de métal) et posséder une grande surface d'échange entre les deux fluides, ce qui explique les formes souvent complexes employées. On fait parfois usage de convection forcée (ventilateur) qui accélère l'échange entre le radiateur et le milieu à chauffer.

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

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

Illustration de Notes on heating and ventilation, de John Robins Allen (1906).

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Le radiateur à eau est le plus ancien. Un fluide caloporteur est chauffé dans une chaudière et circule dans un circuit d'éléments qui transfèrent la chaleur de ce fluide à son environnement, essentiellement par transferts radiatif et convectif. Les contraintes techniques expliquant la forme et le fonctionnement d'un radiateur sont :

• transférer un maximum de chaleur du fluide vers son environnement, en optimisant les formes des surfaces de contact fluide caloporteur-paroi et paroi-environnement, afin de maximiser les échanges de chaleur et minimiser le volume du radiateur ;
• posséder une inertie thermique élevée permettant d’accumuler beaucoup de chaleur et de la relâcher lentement afin de chauffer continûment son environnement. Dans le cas contraire, une pièce deviendrait très chaude lorsque la chaudière fonctionne et très froide lorsque la chaudière est arrêtée ;
• utiliser un liquide possédant une capacité thermique importante, afin de limiter la baisse de la température du liquide entre la sortie de la chaudière et le radiateur, et permettant d’avoir un débit plus faible (moins de chute de pression). Ceci peut être réalisé, entre autres, en minimisant la quantité de bulles d’air dans l'eau afin d'optimiser la surface d’échange liquide caloporteur-interface (ces bulles ont aussi tendance à faire du bruit lorsqu’elles passent dans les tuyaux). Faire entrer l’eau par le bas du radiateur permet de le remplir lentement et de faire monter l'air vers le haut du radiateur et le tuyau de sortie et le robinet de purge. L’air accumulée en haut du radiateur devra être évacué en desserrant la molette de raccordement en haut du radiateur (et en la resserrant dès que l’eau suintera). Parfois, la purge est automatique et se fait au niveau de la chaudière.
• éviter que les saletés ne s’accumulent au bas des radiateurs n'obstruent les tuyaux en faisant entrer le fluide caloporteur par le bas ce qui permet que les grosses saletés décantent plus vite que l’eau ne les soulève et arrivent donc moins facilement dans les tuyaux ;
• être éteint/allumé et réglé en puissance à l'aide du 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 peut parfois s'agir d'un Robinet thermostatique ;
• assurer un chauffage homogène dans toute la maison en dépit de la chute de pression grâce au robinet, ou vis réglable, permettant de faciliter ou de 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 ne passe par le radiateur et ne court-circuite toute la maison. Ouvrir la vis du radiateur en bout de circuit (et donc avec peu de pression) permet de faciliter la rentrée de l’eau (et donc le chauffage) dans le radiateur.
• bloquer les entrées d’air froid d’une pièce en choisissant un emplacement favorisant les échanges thermiques entre le radiateur et son environnement. Ainsi, l'une des raisons pour lesquelles les radiateurs sont fréquemment placés sous les fenêtres est que cela permet d'augmenter le phénomène de convection naturelle, mélangeant l'air froid à l'air chaud ;
• un répartiteur de frais de chauffage extérieur peut également être installé à des fins réglementaires.

Tous les radiateurs dont la propagation calorifique est convective requièrent un nettoyage régulier. Si cette convection est assistée ou forcée, le nettoyage doit être fréquent^{[pourquoi ?][réf. nécessaire]}.

Convecteur

Un convecteur est un caisson de section souvent rectangulaire (horizontale ou verticale) et de dimension variée selon la puissance. Il est placé en général à 20 cm du sol. Les parties hautes et basses sont ouvertes (parfois grillagées); la grille basse est l'entrée d'air frais et la haute la sortie d'air chaud. la circulation de l'air s'effectue par convection naturelle. À l’intérieur du radiateur le chauffage de l'air est effectue par des résistances munies d'ailettes afin d'augmenter la surface de diffusion.

Radiateur à convection assistée

Fonctionnement identique au convecteur, décrit ci-dessus à l'exception de la circulation de l'air plus ou moins augmenté par une petite turbine.

Radiateur à convection forcée

La totalité de l'air traversant est mise en mouvement forcé et le flux est rarement vertical vers le haut. Très souvent, ce flux est projeté ou oscillant. Il est parfois à sens anti-méthodique vers le bas (par exemple, les rideaux d'air chaud de l'entrée des magasins). La turbine peut être aussi bien axiale que radiale. Autres exemples : aérothermes, radiateur soufflant, etc.

Radiateur rayonnant ou radiant

Un chauffage radiant électrique diffuse la chaleur sous forme de rayonnement par l’intermédiaire d’une plaque métallique chauffée électriquement. Les radiateurs rayonnants produisent une chaleur transmise par rayons infrarouges, diffusée de manière homogène et rapide. Le chauffage par rayonnant étant plus efficace que les radiateurs électriques ordinaires, ils ont un meilleur rendement de diffusion. Ces appareils électriques sont les plus couramment utilisés dans les habitations[1].

Radiateur à inertie

Les chauffages à inertie sont des radiateurs utilisant des corps de chauffe solides (inertie sèche) ou liquides (inertie à fluide caloporteur). Le principe est de garder le plus longtemps possible la chaleur produite électriquement dans le cas des chauffages électriques pour la diffuser dans l'habitat le plus longtemps possible. Les radiateurs à inertie font partie des modes de chauffage dits à chaleur douce[2].

Radiateur à accumulation

Un radiateur à accumulation chauffe quasi continuellement. Pour ce faire, il utilise la chaleur emmagasinée la nuit au tarif heures creuses pour la restituer le jour. Généralement équipé de briques réfractaires, il émet de la chaleur en journée sans consommer d'énergie[3].

Radiateur infrarouge

Permet un chauffage directionnel, mais ne chauffe que ce qui se trouve dans son axe, ce qui évite de disperser la chaleur pour les pièces avec de hauts plafonds. Ils sont conçus pour minimiser l'effet négatif de convection. Ces chauffages peuvent atteindre des rendements de 80 %[4].

Radiateur halogène

Il faut distinguer le « chauffage infrarouge long » et les « radiateurs halogènes », souvent commercialisés sous le nom de « radiateur à infrarouge ». Les seconds, aussi appelés simplement « halogènes », sont utilisés comme chauffage d'appoint pour de petites surfaces types salles de bain.

Radiateur à bain d'huile

Dans les radiateurs à bain d’huile, le chauffage est assuré par des résistances électriques. La capacité thermique de l’huile étant plus faible que celle de l’eau, il faut moins d’énergie pour la chauffer, ce qui permet une montée plus rapide en température ; en contrepartie, elle doit être réchauffée plus fréquemment, donc nécessite une régulation plus fine. La chaleur d'un radiateur à bain d'huile se transmet du liquide vers l'acier puis vers l'air par convection et radiation[5].

Plusieurs dispositifs permettant d'améliorer le fonctionnement d'un radiateur en régulant la température du fluide caloporteur :

• le flux d'air passant au travers du radiateur peut être accéléré par un ventilateur, entre autres lors de l'arrêt complet du véhicule, Le ventilateur peut être entraîné électriquement, et dans ce cas, il est souvent couplé a un thermocontact commandant son démarrage. Parfois il est entraîné mécaniquement avec la pompe à eau. Il est souvent aspirant, mais peut être monté soufflant, ce qui est plus efficace, mais pose des problèmes d'encombrements[8] ;
• le « calorstat » permet au moteur d'atteindre sa température optimum de fonctionnement plus rapidement en créant un circuit fermé ne passant pas par le radiateur jusqu'à ce que la température prévue[alpha 2] soit atteinte.

Dans d'autres cas, le fluide caloporteur peut être de l'huile, provenant du moteur, de la boîte de vitesses ou du pont.

Une autre utilisation du radiateur en automobile est sous forme d'échangeur air/air (souvent couplé à un dispositif de suralimentation), pour diminuer la température de l'air d'admission sortant d'un compresseur d'air, permettant d'améliorer le rendement de son cycle thermodynamique. En compétition, certains de ces échangeurs reçoivent des buses projetant de l'eau froide.

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