Transfert de chaleur - Chapitre 1 Chap 1 - 1
Transfert de chaleur
Chapitre 1:
Introduction
TRANSFERT THERMIQUE
=
ÉNERGIE EN TRANSIT DÛ À UNE
DIFFÉRENCE DE TEMPÉRATURE
Transfert de chaleur - Chapitre 1 Chap 1 - 2
LES 3 MODES DE TRANSFERT DE CHALEURla conduction, la convection et le rayonnement
LA CONVECTIONTransport d’énergie avec le déplacement de la matière (écoulement de fluides gazeux ou liquides).
LE RAYONNEMENTPas de déplacement de matière, pas de contactentre les objets ou milieux qui échangent l’énergie; transport d’énergie (même dans levide) sous forme d’ondes électromagnétiques.
LA CONDUCTIONPas de déplacement de matière, et transport d’énergie dans la matière.
Transfert de chaleur - Chapitre 1 Chap 1 - 3
R+CD+CV
CD
CV
R: rayonnement CD: conduction CV: convection
R+CD+CV
CD
R+CD+CV
CV
petite expérience pour observer les 3 modes de transfert … à ne pas reproduire sans précaution !
cire
Tige métallique
Bec bunsen
Votre main
ventilateur
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cire
Tige métallique
Bec bunsen
Votre main
ventilateur
R
cire fondue
Arrêt ventilateur
Brûlures
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ébullition de l’eau
Convection avec changement de phase:liquide-vapeur ou vapeur-liquide
Condensation de vapeur
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La conduction
Pas de mouvement macroscopique de la matière. Elle résulte de:
- l'agitation moléculaire(pour gaz et liquides),
- les vibrations des réseaux cristallins(dans les solides non-conducteurs),
- le déplacement d'électrons libres(dans les métaux conducteurs).
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Jean-Baptiste Joseph Fourier(1768-1830)
propose en 1822 la loi de la conduction.
dx
dTkqx
Loi de Fourier :
q''x densité de flux de chaleur dans la direction x [W/m2]
Pour une conduction unidirectionnelle suivant l'axe des x:
dx
dTkqx
Signe - car flux de chaleur dans le sens des températures décroissantes
x position axiale [m ]
k conductivité thermique du milieu[W/(m.K) ou W/(m.°C)]
T température [K ou °C]
Transfert de chaleur - Chapitre 1 Chap 1 - 8
Cette relation indique que la densité de flux de chaleur est:
- proportionnelle au gradient de la température,
- augmente avec la conductivité k,
- et il se fait dans la direction des températures décroissantes.
dx
dTkqx
Quelques conductivités thermiques (W/ m.K)Liquides:
Acetone 0.20Alcohol, ethyl 0.17Mercury 8.7Oil, engine 0.15Water 0.58
Non Métalliques:
Asbestos 0.16Red Brick 0.63Cardboard 0.2Cement 0.30Earth's crust 1.7Glass 0.8Fiberglass 0.04
Gaz:
Air 0.026CO2 0.017Nitrogen 0.026Oxygen 0.027Argon 0.017
Solides Métalliques:
Iron 73Steel 46Aluminum 210Copper 386Silver 406Gold 293Yellow Brass 85
Transfert de chaleur - Chapitre 1 Chap 1 - 9
Exemple:Conduction dans une vitre
Vitre simple
Vitre doubleAir
k = 0.026 W/(m.K)
Verre k = 1.4 W/(m.K)
Pourquoi est-il préférable d’utiliser une vitre à double vitrage plutôt qu’une seule vitre ?
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… mais il existe plusieurs contributions aux pertes de chaleur par les fenêtres
Transfert de chaleur - Chapitre 1 Chap 1 - 10
La convectionDéplacement macroscopique de la matière.
Près de la surface, se développent les couches limites hydrodynamique et thermique dans lesquelles les variations de la vitesse et de la température s'observent.
Profil devitesse
Profil detempérature
Plaque chauffanteq"
Fluide en écoulement
Le transfert de chaleur de la plaque vers le fluide résulte de deux mécanismes:
* Juste à la surface là où la vitesse du fluideest nulle, il y a transfert par conduction versle fluide.
* Alors que loin de la surface le transfert résulte aussi du déplacement du fluide; il y a transfert par convection (ou advection).
Transfert de chaleur - Chapitre 1 Chap 1 - 11
Sur une surface, le phénomèneglobal de transfert de chaleurs'exprime d'une façon pratiquepar:
Newton(1643-1727)
h coefficient de transfert de chaleur[W/(m2.°C) ou W/(m2.K)]
TS température de la surface [K ou °C]T0 température loin de la surface [K ou °C]
)( 0T-Th=q S
La loi de refroidissementde Newton:
Flux sortant
Importance du coefficient h en hiver: le facteur de refroidissement éolien
Transfert de chaleur - Chapitre 1 Chap 1 - 12
La loi de Stefan - Bolztman
où la constante de Stefan-Boltzman σ,σ = 5.669x10-8 W/(m2.K4)
Le rayonnementLa chaleur passe d'un corps à haute température vers un corps à basse température sous forme d'un rayonnement électromagnétique (photon); les deux corps devant être dans un milieu transparent (comme l'air ou le vide).
La densité de flux maximale émise est donnée par:
4 max ST=q
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Si on a une surface idéale = corps noir
Si on a une surface réelle = corps grisl’émissivité (ε) vient réduire le
flux émis par la surface.
Dans le cas où cette surface est environnée d’une autre surface à une température Tenvir., l’échangenet de chaleur est alors:
4 max ST=q
4 ST=q
)( 4 .
4 envirS TT=q
q =1368W/m2Température de surface du soleil = 5800 K
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Four solaire: température maximale 3800 °C
Bilan d’énergie
Soit un volume de contrôle donné, à chaque instant, le bilan de conservation d'énergie s’écrit:
Ce quientre
Ce quisort
Ce quiest généré
Ce qui s’accumule- + =
terme d'accumulation: variation dans le temps (+) ou (-)
énergie générée: produite (+) ou consommée (-)
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IN OUT G ACCE E E E
Transfert de chaleur - Chapitre 1 Chap 1 - 15
EG:- Réactions chimiques exo ou endothermiques,- Réactions nucléaires,- Dissipation visqueuse,- Effet Joule dans une résistance électrique.
IN OUT G ACCE E E E
0IN OUT
IN OUT
E E
E E
* Au travers d’une surface (volume nul):
Méthode d'analyse d'un problème de transfert de chaleur
En général, le problème consiste d'abord àobtenir la variation spatiale et/ou temporellede la température
( , , ) ( ) ( , , , )T T x y z ou T T t ou T T x y z t
pour calculer ensuite les flux de chaleuréchangés.
Transfert de chaleur - Chapitre 1 Chap 1 - 16
Qu'est-ce qu'on connaît ?(comprendre l'énoncé)
Qu'est-ce qu'on veut trouver ?(comprendre la question)
Faire un schéma (identifier les modeset les lieux du transfert de chaleur)
Faire des hypothèses simplificatricespertinentes et définir le volume decontrôle
Faire le bilan de chaleur, poser lesconditions frontières puis résoudre
Discuter la solution obtenue (sensphysique)
Méthodologie