Pourquoi l’acier inoxydable est meilleur que l'aluminium dans la cryogénie ?

Dans le domaine de la cryogénie, la plupart des échangeurs de chaleur sont en aluminium. Cependant, l’acier inoxydable offre des avantages bien plus significatifs et reste moins connu.

Cet article propose une comparaison entre les échangeurs de chaleur en aluminium et en acier inoxydable (Température ambiante : 25°C).

Conductivité thermique

Si l’écart de température entre les deux flux est très faible, la convection axiale dépasse la convection radiale : un effet d’ailette est généré, ce qui nécessite un échangeur de chaleur plus long. Conséquences :

Plus de pertes de charge
Moins de compacité
Coût plus élevé

De plus, il est possible d’effectuer un polissage électrolytique de l’acier inoxydable pour réduire l’émissivité sur la surface externe de l’échangeur de chaleur. L’environnement aura ainsi un effet négligeable sur l’échangeur. (Cela permet de réduire encore plus l’émissivité d’un échangeur en acier inoxydable, qui est déjà plus faible que celle d’un échangeur en aluminium en raison de leur différence de taille.)

Aluminium	150 à 220 W.m⁻¹.K⁻¹
Acier inoxydable	14 W.m⁻¹.K⁻¹

Résistance mécanique (Limite d’élasticité)

L’épaisseur de l’échangeur en aluminium doit être plus grande pour compenser sa plus faible résistance mécanique.

Aluminium	50 à 150 MPa
Acier inoxydable	220 à 270 MPa

Densité

L’aluminium est moins dense, mais comme son épaisseur et son volume doivent être augmentés pour assurer une résistance mécanique suffisante, cet avantage devient peu significatif, voire inexistant.

Aluminium	2,7 t/m³
Acier inoxydable	8 t/m³

Fabrication (Procédé de soudage)

Le brasage nécessite un four spécial, ce qui entraîne un investissement conséquent et peut poser problème si l’échangeur est de grande taille. Seul l’acier inoxydable, combiné au soudage TIG, permet d’atteindre un très faible taux de fuite : jusqu’à 10⁻⁹ mb.l.s⁻¹. Autre avantage : Un échangeur soudé TIG est plus facile à réparer qu’un échangeur brasé.

Aluminium	Brasage
Acier inoxydable	Brasage / Soudage TIG (D.A.T.E.)

Soudage de l’interface des tuyaux

Le soudage de l’aluminium avec l’acier inoxydable est difficile et a une durée de vie plus courte. À température cryogénique, les coefficients de dilatation très différents de ces matériaux entraîneront des fuites.

Aluminium	Aluminium vers Acier inoxydable
Acier inoxydable	Acier inoxydable vers Acier inoxydable

Avantage supplémentaire :

Le temps de refroidissement d’un échangeur en acier inoxydable soudé TIG permet de supporter des gradients de température plus importants par rapport aux échangeurs en aluminium et en acier inoxydable brasé. Cela se traduit par :

Un refroidissement plus rapide
Une meilleure résistance à la fatigue thermique (plus de cycles thermiques possibles)

Plage d'utilisation (dépend du design)

Plage de température	1,5K – 750K
Plage de pression	Jusqu’à 50 bar
Débit massique	Généralement inférieur à 500 g/s, pouvant aller jusqu’à plusieurs kg/s dans des cas particuliers
Pertes de charge	Peuvent descendre à quelques pascals