CONVECTION (ou CONVEXION)

-convection (ou convexion)

La convection -parfois notée convexion- est le transfert (lent) d’énergie entre les diverses parties d’un corps fluide: de petits volumes de matière (paquets de molécules) s’agitent sous l’impulsion de la température, transfèrent (par chocs avec leurs voisins), leur énergie cinétique qui se transforme en chaleur

Exemples : un volume d'eau s’échauffant dans une casserole ou un volume d'air d'un appartement chauffé par le sol ou un volume d'air climatique dénommé vent

Dans une convection, il y a tendance à équilibrer les températures entre les divers éléments alentour (qui forment un système)

La convection dépend de la pesanteur >> quand on chauffe de l'eau, il y a mouvement des particules d'eau chaude vers le haut, car la pesanteur fait descendre l'eau froide, qui a une meilleure masse volumique que la chaude

Quand on chauffe de l'air, c'est la même chose (l'air chaud monte)

Nota 1: la convection naturelle se fait par échange de proximité entre une zone et une autre, différentiées par leur seule température

Par exemple, la convection du manteau terrestre (zone pâteuse, vers 2000 km de profondeur) crée des courants , qui d’ailleurs entraînent les plaques tectoniques

Nota 2: la convection forcée (non naturelle) active la conduction (échange du milieu avec des corps externes).

Exemple de convection forcée : un ventilateur pulsant une source chaude, cause rapide conduction sur les corps rencontrés (en chocs moléculaires avec l'air)

Nota 3 : la convection est le plus efficace des transferts de chaleur (mieux que conduction ou rayonnement)

 

NOTIONS de BASES pour la CONVECTION

-la convection proprement dite est une énergie thermique

Equation aux dimensions structurelles : L2.M.T-2    Symbole de désignation : E

Unité S.I.+ : Joule J

 

-le flux convectif (ou de convection) est la puissance correspondante

Dimension de ce flux L².M.T-3 (exprimée en Watts) = convection / temps

C'est Pc = k'.S.DTk' est le coefficient de transfert thermique (ou coeff d'échange convectif), S (m²) est la surface et DT la différence de température

On peut aussi écrire Pc = r.(yn/m).S.E.vr(kg/m³) est la masse volumique du fluide, (yn/m exprimé en kg-1) est le pourcentage massique, v(m/s) la vitesse de déplacement dans le fluide, S(m²) la surface et E (J) l’énergie,

 

-le coefficient de convection

est une convection temporelle, surfacique et calorique

Equation aux dimensions  : M.T-1.Θ-1  

Symbole de désignation  δ'             Unité S.I.+ : kg/s-K

--Ce coefficient de convection est en relation avec la vitesse de convection

δ= Pc / v².ΔT

où Pc(W)= puissance de convection (ou flux convectif)

v(m/s)= vitesse de convection  et mêmes autres notations

--Le coefficient d'une convection (naturelle) -par exemple pour un fluide en écoulement (comme l'air) rencontrant un corps solide et qui échange de la chaleur avec ce solide- est:

δ= E/ ΔT).(t / S)

δ(kg/s-K)= coefficient de convection

ΔEq(J)= énergie transportée par convection (quantité de chaleur)

ΔT(K)= variation de température, pendant le temps t(s)

ΔEq/ ΔT est la capacité thermique

S(m²)=  surface (normale) du solide rencontrée par le fluide

 

-les mouvements de convection

sont les mouvements des volumes élémentaires du fluide, soumis à la chaleur, créant par ailleurs des variations de structures (densité, dilution, mélanges moléculaires....)

La convection dépend alors essentiellement de paramètres relatifs aux éléments structurels en question >>

Ces paramètres sont tous fonctions des conditions ambiantes (gravité, viscosité, température.…) et sont dimensionnels. Les principaux sont >>>

1-le nombre de Rayleigh qui montre l'importance de la pesanteur et des caractéristiques du fluide dans l'apparition d'une convexion

n= α'.g.ΔT.t3/ ν.β'

où α'(K-1)= coefficient de dilatation isobare, g(m/s²)= pesanteur,

ΔT(K)= différence de température entre haut et bas de l'écoulement,

ν(m²/s)= viscosité cinématique, β'(Pa-1)= compressibilité isotherme

La valeur critique du nombre na est de 2000 (kg-K/m²-s)

Ce qui signifie que la convection apparaît dans >>>

-un cm d'eau au fond d'une casserole d'eau qui chauffe dès que ΔT > 1 millième de degré (10-3 °)

-à un m d'altitude, dans une pièce d'habitation, dès que ΔT > (10-6 degré)

-100 km de magma dans le manteau terrestre, dès que ΔT > 1 degré)

2-le nombre de NUSSELT

introduisant l’importance des températures:

c’est le rapport [Tu(transfert par conduction) + Tc(transfert par convection) / Tu]

Donc quand la conduction est prépondérante, il tend vers l'infini, quand la conduction est égale à la convection,

il est égal à 1,5 et quand la convection est faible, il est égal à 1

3-le nombre de PRANDTL

est le rapport (viscosité cinématique / constante de diffusion)

S'il est faible, la convexion est lente (métaux en fusion, par ex.)

4-le nombre de GRASHOF

est le rapport (α.g.l.ρ'².ΔT) / η²

avec α(K-1)= coeff. de dilatation, g(m/s²)= pesanteur, l(m)= longueur caractéristique, ρ'(kg/m3)= masse volumique,

T(K)= température, η(pl)= viscosité dynamique

5-le nombre de PECLET

est le rapport (l.v / nd) avec

l(m)= longueur caractéristique, v(m/s)= vitesse d'écoulement

nd(m²/s)= coefficient de diffusivité

Quand le nombre de Peclet > 1 on a surtout de la convection

Quand le nombre de Peclet < 1 on a surtout de la diffusion brownienne

6-le nombre d’ECKERT

est égal à v² / c’.DT où v(m/s) est la vitesse, c’(J/kg-K) est la capacité thermique massique et DT la variation de température (en °K)

 

CONVECTEURS

Les appareils permettant un chauffage par convection sont des convecteurs, dont :

-les convecteurs ordinaires

Leur énergie primaire est en général l'électricité, mais ce peut être l'eau chaude, la vapeur, l'air chaud. Ils sont munis d'ailettes ou chicanes, pour meilleure diffusion

Ils exigent environ 100 Watts par m² de surface à chauffer

-les convecteurs radiants (ou irradiants ou rayonnants) stockent l'énergie primaire qu'on leur communique, pour la restituer sous forme de rayonnements infra-rouges et ils deviennent donc des réémetteurs de rayons I.R.(ils chauffent alors les objets qu'ils visent)

Ces convecteurs sont dits "à inertie" ou "à accumulation": la chaleur est stockée dans des matériaux réfractaires (céramiques) ou des matériaux à forte inertie thermique (fontes) ou des fluides caloporteurs (huiles) ou des briques (réfractaires)

Ils sont parfois équipés d'un ventilateur soufflant

Ces radiants peuvent être des panneaux muraux ou même un plancher

Ils exigent environ 60 Watts par m² de surface à chauffer

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