Le refroidissement à eau ( en anglais) est une branche du refroidissement liquide ayant pour particularité d’utiliser l’eau comme liquide caloporteur. C’est un système de refroidissement largement répandu dans l’industrie automobile et la production d’énergie. Plus récemment, le refroidissement à eau a fait son apparition dans le secteur de l'informatique (micro-informatique et centres de données) pour pallier les inconvénients du refroidissement à air.
Description thumb|upright|Utilisation d'un système de refroidissement à cycle ouvert lors d'une expérience de chimie.
On retrouve ce procédé sous deux architectures différentes : les systèmes « à cycle ouvert » : ( ou OTC en anglais) utilisés pour des installations temporaires ou lorsque de grandes quantités d’eau sont disponibles ; les systèmes « à recirculation » : les plus fréquemment utilisés du fait du peu d'eau consommée. Dans cette configuration, la même eau est utilisée en cycle fermé et doit donc être refroidie.
Un système classique de refroidissement à eau à recirculation est composé des éléments suivants.
Le premier échangeur thermique Ce premier échangeur thermique (en anglais ), permet l'échange de chaleur entre l'élément à refroidir et le liquide caloporteur. Sur certains systèmes comme les moteurs à explosion, le bloc moteur comporte de nombreux canaux et fait office d'échangeur de chaleurL'avantage des bloc en alliage d'aluminium est non seulement la légèreté mais aussi la bonne conductivité thermique..
Le second échangeur thermique Ce deuxième échangeur thermique aussi appelé radiateur ou dissipateur permet l'évacuation de la chaleur du circuit dans l’air ambiant par exemple. Cet échangeur peut être passif ou actif (on accélère le refroidissement mécaniquement à l’aide de ventilateurs ou de systèmes de réfrigération).
Le réservoir Il permet de stocker l’eau, d’absorber les fluctuations de volume dues aux variations de température, de pallier les fuites et l'évaporation résiduelle du circuit et éventuellement à capturer les bulles qui pourraient se former dans le circuit. Le réservoir est généralement doté d’un bouchon permettant la vidange ou le remplissage du système.
La pompe Elle assure une bonne circulation du liquide dans le circuit. Il est important de souligner que les premiers systèmes de refroidissement à eau, notamment dans le secteur automobile, ne disposaient pas de pompe et que la circulation du fluide était assurée par le phénomène de thermosiphon.
Le liquide caloporteur Ici c'est l'eau qui est utilisée comme liquide caloporteur, servant littéralement à « transporter la chaleur » entre les deux échangeurs thermiques. L'inertie thermique du système croît avec la quantité d’eau utilisée, autrement dit, un système doté d’un grand réservoir ou de longues tuyauteries aura une inertie thermique plus importante. En pratique, des additifs sont généralement ajoutés à l’eau, qui ont notamment pour but d’abaisser la température de solidification (gel) ou d'éviter la formation d’algues. Le fluide transite à travers les éléments du circuit via un réseau de tuyauteries. Selon la nature et le nombre d'éléments à refroidir, on peut adopter un montage en série ou en parallèle.
Avantages et inconvénients Avantages La principale alternative à un système de refroidissement à eau est l’utilisation d’un refroidissement à air. L’utilisation de l’eau présente cependant l’avantage d’avoir une bien meilleure conductivité thermique que l’air et est un bien meilleur caloporteur. Concrètement, cela permet de refroidir un même système plus efficacement avec une surface d'échange équivalente tout en ayant un débit et un déplacement de fluide moindre.
Ce procédé présente également la possibilité de déporter le système de refroidissement loin de la source de chaleur, lorsque celle-ci se dégage dans un espace restreint ou inadapté par exemple. C’est pourquoi cette configuration s'avère particulièrement avantageuse lors du refroidissement de composants informatiques.
Plus généralement, l’eau présente l’avantage d'être non toxique, fluide et relativement peu chère.
On peut également lui trouver des avantages lors d’utilisations plus spécifiques, par exemple, l’eau de refroidissement qui enveloppe un moteur à explosion apporte une isolation sonore supplémentaire.
Inconvénients
Un système de refroidissement à eau est généralement plus complexe à mettre en œuvre qu’un système de refroidissement à air, surtout pour de petites installations. En particulier, l'utilisation de liquides et leur proximité avec les éléments à refroidir impose dans la majorité des cas une excellente étanchéité du système.
Un second problème apparaît quand des plaques ou tuyaux métalliques de métaux différents sont utilisés au sein d’un même circuit. Il s’agit de l'oxydoréduction et de phénomènes de corrosion favorisés par la conduction électrique. Si ce phénomène n'est pas contrôlé, il peut mener à long terme à l'apparition de fuites généralisées, une obstruction du système, des détériorations au niveau de la pompe, voire une destruction des pièces métalliques. Ce phénomène est à envisager dès la conception du système. Les solutions classiques sont l'anodisation, l’utilisation du même métal au sein de toute l'installation, ou le remplissage du système avec un liquide caloporteur empêchant ce phénomène. L’eau déminéralisée possède par exemple un fort pouvoir isolant permettant de réduire les risques d'oxydoréduction et de minimiser les dégâts en cas de fuite.
Enfin, si l'échange thermique a lieu avec le milieu naturel, il peut en changer la température. Ainsi le refroidissement des installations nucléaires réchauffe-t-il significativement le milieu (fleuve, rivière, mer) autour et en aval de leurs points de rejet. En outre, pour protéger les circuits de refroidissement, l'eau est souvent l'objet de traitements, généralement au chlore, qui peut tuer de nombreux micro-organismes et contribuer au développement de phénomènes de chlororésistance chez des microbes éventuellement pathogènes.
Performances thumb|Animation illustrant la formation d'une sous-couche laminaire. La puissance dissipée en watts par un tel système peut être calculée grâce à la loi de refroidissement de Newton :
où : est la puissance dissipée en watts par le système ; est le coefficient de transfert convectif en W/m².K ; est la surface d'échange disponible ; est la différence de température entre le fluide et la surface.
Un des phénomènes pouvant diminuer les performances du système est l'apparition d'un écoulement laminaire. Ce phénomène dépend de la viscosité du fluide utilisé, de la géométrie des canaux et de la vitesse de déplacement du fluide.
Contrairement à un écoulement turbulent, un écoulement laminaire désigne un déplacement du fluide uniforme où toutes les particules ont la même vitesse et sont immobiles les unes par rapport aux autres. Par exemple, un fluide plutôt visqueux transitant dans une tuyauterie droite sans variation de diamètre avec un débit relativement faible aura un écoulement laminaire.
Dans le cas d’un système de refroidissement, le problème posé est celui de la perte de vitesse par friction des particules proches des parois du conduit. Il faut absolument éviter la création de cette « sous-couche laminaire » au sein des échangeurs thermiques car la couche de fluide se déplaçant à faible vitesse contre les parois agira comme un isolant thermique empêchant les échanges de chaleur avec la portion du fluide se déplaçant à grande vitesse au centre du conduit.
Les solutions permettant de briser cette couche laminaire sont généralement une bonne vitesse de déplacement du fluide dans le circuit et le placement d’obstacles sur le passage du fluide au sein des échangeurs. Cela explique pourquoi la majorité des échangeurs du commerce possèdent des canaux de forme relativement complexe et sont munis d'une pompe.
Domaines d’application Moteurs thermiques
Lors du démarrage, les moteurs thermiques doivent monter rapidement en température pour atteindre un rendement acceptable. Mais, passés les , certaines pièces du moteur commencent à se dégrader. Pour les maintenir à bonne température (entre 75 et ) le moteur a donc besoin d’être refroidi.
Quand cela est possible, les fabricants de moteurs thermiques font appel au refroidissement liquide pour maintenir leurs machines dans une plage thermique acceptable. Cette régulation permet un refroidissement uniforme, qui améliore le rendement du moteur, donc sa consommation et ses émissions, sa puissance et sa fiabilité« Circuit de refroidissement d'un moteur : comment ça marche ? », sur fiches-auto.fr (consulté le 18 décembre 2016)..
Dans ces cas-là, le circuit de refroidissement à eau comprend, entre autres, les durites, la pompe à eau, le vase d'expansion, le radiateur, le ventilateur et le calorstat, qui régule la température.
Micro-informatique Un avantage principal du refroidissement par eau pour refroidir les composants informatiques est qu'il transporte la chaleur de la source vers une surface de refroidissement secondaire, ce qui permet l'utilisation de grands radiateurs de conception plus optimale et moins bruyante, qui peuvent remplacer de petites ailettes bien moins efficaces montées directement sur la source de chaleur.
Apparition
Les circuits intégrés qui composent un ordinateur, le processeur (en anglais ou CPU) et le processeur graphique (en anglais ou GPU) notamment, sont des composants actifs dont une grosse partie de l'énergie qu’ils consomment est convertie en chaleur, ce qui explique la nécessité de refroidir ces composants.
. Lors de la conception de cette machine destinée à effectuer d’imposants calculs, les ingénieurs ont été confrontés au problème de la densité des composants. En effet, afin d’obtenir les performances visées, le système devait posséder une importante densité de circuits intégrés dans un espace restreint. La première solution trouvée consistait à utiliser de grands circuits imprimés sur lesquels étaient brasés les circuits intégrés en grande quantité. Cela rendait la réalisation de ces cartes très complexe mais ne permettait pourtant pas d’atteindre les objectifs de performance visés.
La solution innovante imaginée par Seymour Cray lui-même consistait en la réalisation de petites cartes connectées les unes aux autres. De fait, la densité de composants était considérablement augmentée mais cela posait un nouveau problème : avec cette densité de composants, il n'y avait aucune chance que les systèmes de refroidissement à air conventionnels puissent fournir des résultats satisfaisants.
C’est pourquoi les circuits du Cray-2 furent tout simplement immergés dans du Fluorinert, un liquide de refroidissement spécialement conçu pour l'informatique par la société 3M et présentant un fort pouvoir isolant. Un module annexe à la machine était chargé de faire circuler et de refroidir le liquide.
Évolution
À partir des années 1990 est apparu le refroidissement liquide dans les ordinateurs personnels traditionnellement équipés de refroidissements à air (ventirads). Mais les composants de l'époque générant relativement peu de chaleur, son utilisation ne s’est avérée réellement justifiée que quelques années plus tard, avec la démocratisation de l'overclocking.
Les précurseurs du refroidissement à eau utilisaient généralement du matériel de récupération ou adaptaient des systèmes existants à leur installation.
Des pompes d'aquarium étaient d'abord utilisées et les waterblocks étaient de fabrication artisanale. De même, les radiateurs de voiture étaient souvent utilisés, en particulier ceux de la Renault Twingo ou de l'Opel Corsa.