Coefficient de transfert thermique

Coefficient de transfert thermique

Le coefficient de transfert thermique est un flux thermique au travers d'une surface d'échange. Il permet de calculer l'intensité de l'énergie échangée par unité de surface et unité de temps en fonction de la différence de température de part et d'autre de la surface d'échange. C'est un terme important dans l'équation d'un transfert thermique et permet d'indiquer la facilité avec laquelle l'énergie thermique passe au travers de la surface d'échange.

Sommaire

Définition

Mathématiquement on le définit de la manière suivante :

h = \frac{\Delta Q}{A \cdot \Delta T \cdot \Delta t}

avec

  • h - coefficient de transfert thermique, W/m2.K)
  • ΔQ - énergie transférée, J = W.s = kg.m2/s2
  • A - surface d'échange, m2
  • ΔT - différence de température de part et d'autre de la surface d'échange, K ou °C
  • Δt - intervalle de temps, s

Dans le système SI, les unités de ce coefficient sont W/m2.K. L'inverse du coefficient de transfert thermique correspond à la résistance thermique.

Détermination

Le coefficient de transfert thermique est le résultat de différents procédés de transfert de chaleur à une interface et dépendant de nombreux paramètres. Comme il est difficile de calculer tenir compte de tous ces paramètres, la valeur du coefficient de transfert thermique se fait à l'aide du nombre de Nusselt via la relation suivante:

Nu = \frac{h L_c}{k}

avec

De nombreuses corrélations empiriques fournissent une équation pour calculer le nombre de Nusselt d'où il est possible d'extraire le coefficient de transfert thermique.

Coefficient de transfert thermique global

Dans le cas d'une interface complexe composée de plusieurs surfaces d'échange placées en parallèle, il est possible d'additionner les coefficients pour obtenir le coefficient de transfert global de part et d'autre de l'interface. Ceci est particulièrement utilisé dans les échangeurs de chaleur où l'on trouve 2 interfaces et une résistance due à la paroi qui sépare les 2 fluides. L'addition se calcule en prenant la somme des inverses des différents coefficients avec les différentes résistances à la manière de l'addition des résistances électriques (en supposant que le flux est unidirectionnel).

Analogie du transfert thermique avec le courant électrique

Le coefficient de transfert global est en général noté U (Ug pour les vitrages seuls et Uw pour l'ensemble fenêtre avec vitrages montés), et pour les coefficients de transfert locaux ou de film, le symbole h est utilisé[1].

\frac{1}{U} = \frac{1}{h_{interface1}} + \frac{l}{\lambda}+ \frac{1}{h_{interface2}} \qquad (1)

avec :

  • U - coefficient de transfert thermique global (W/m2.K)
  • hinterface1 - coefficient de transfert thermique de film interne
  • hinterface2 - coefficient de transfert thermique de film externe
  • l - épaisseur du matériau séparant les 2 phases (m)
  • λ - conductivité thermique du matériau (W/m.K)

Toutefois ceci n'est valable que pour un cas idéal sans dépôt sur la surface d'échange qui augmente la résistance au transfert et pour une surface plane. Le cas plus général est donné par l'équation (2)[2]

\frac{1}{US} = \frac{1}{h_{interface1} S_1} + \frac{1}{h_{depot1} S_{d1}} + \frac{l}{\lambda S_m} + \frac{1}{h_{depot2}S_{d2}} + \frac{1}{h_{interface2}S_2} \qquad (2)

Notes et références

  1. ↑ Perry, R.H., Green, D.W., Perry's Chemical Engineers' Handbook, McGraw-Hill, 1997, 2581 p. (ISBN 978-0-07-049841-9), « 11 », p. 11-24 
  2. ↑ A. Bejan, A.D.Kraus, Heat Transfer Handbook, John Wiley & Sons, 2003, 1480 p. (ISBN 978-0-471-39015-2), « 11 », p. 799-804 

Voir aussi


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