Un système fonctionnant à des températures cryogéniques n'est pas la version réduite d'un système à température ambiante. Plusieurs choses changent qualitativement.
Les propriétés des matériaux ne sont pas constantes
Autour de la température ambiante, traiter la conductivité thermique et la chaleur massique comme des constantes est généralement raisonnable. Dans le domaine cryogénique, non : la chaleur massique varie de plusieurs ordres de grandeur avec la température, et la conductivité passe par un maximum dans bien des matériaux.
La conséquence directe : employer des propriétés constantes dans une analyse instationnaire fausse nettement le temps de refroidissement et la distribution de température. Les propriétés doivent être définies en fonction de la température.
Le bilan des entrées de chaleur
Quelques watts qui seraient négligeables à température ambiante peuvent représenter une part importante de la charge frigorifique d'un système cryogénique — parce que le travail nécessaire pour évacuer ce watt est, par la limite de Carnot, bien plus grand.
Le but de l'analyse n'est donc généralement pas « quelle est la température » mais « quelle est l'entrée de chaleur totale, et d'où vient-elle ». Les postes : conduction par les supports, convection par le gaz résiduel, rayonnement entre surfaces, passages de câbles et de tuyauteries.
Le rayonnement compte plus que prévu
Comme le vide supprime presque entièrement la convection, le rayonnement devient le canal principal. L'isolation multicouche et les écrans de rayonnement sont donc au cœur de la conception cryogénique, et l'émissivité des surfaces fixe directement la performance. Voir la note sur le rayonnement.
Le côté fluide
Les fluides cryogéniques travaillent près du point critique ; masse volumique et chaleur massique varient fortement pour de faibles variations de pression. Deux phases se forment aisément et le risque de cavitation dans les pompes est élevé. Voir la note sur la cavitation.
La contraction thermique n'est pas négligeable non plus : les dimensions diffèrent entre l'état froid et l'état chaud, ce qui affecte à la fois l'étanchéité et la résistance de contact. Voir la note sur la résistance thermique de contact.
Références
- Modest, M. F. & Mazumder, S. (2021). Radiative Heat Transfer, 4th ed. Academic Press. ISBN 978-0-323-98406-5.
- Shah, R. K. & Sekulić, D. P. (2003). Fundamentals of Heat Exchanger Design. John Wiley & Sons. DOI: 10.1002/9780470172605