coefficient de transfert thermique

La chaleur se transmet essentiellement par 3 cheminements (rayonnement, conduction, convection) Chacun de ces transfertsrencontre quelque difficulté à modifier l'état énergétique du système qu'il pénètre et on définit, pour chaque cas, un coefficient (ou une constante) qui exprime la résistance du milieu sollicité

1-pour le TRANSFERT de CHALEUR par rayonnement

1.1.on insère la constante de rayonnement (ou constante de Stefan-Boltzmann)

dimension M.T-3.Q-4 symbole Krvaleur constante (= 5,6704004.10-8 W/m².K4)

relation usuelle >>> Et = Kr.S.t.T4

Et(J)= énergie thermique rayonnée pendant le temps t(s) à travers une surface émettrice de la source S(m²) dont la température absolue est T(K)

 

2-pour le TRANSFERT de CHALEUR par CONDUCTION

On utilise:

2.1.le coefficient de conduction dimension L².T-3.Q-1  symbole  k*  valeur variable (= 50 à 100) W/kg-K

relation usuelle >>> k*= P / m.T (puissance massique par température)

2.2. le coefficient d'effusivité (ou coefficient d'arrachement de chaleur)

est une résistance au passage de la puissance à forte vitesse

Equation aux dimensions: M.T-5/2.Q-1     Symbole de désignation : Kz

Valeurs pratiques (en W/m²-K-s1/2): bois 400--acier 1800

Sa formule de définition est Kz = c* / (νt)1/2= (c*.ρ'.c’p)½

c*(W/m-K)= résistance linéique thermique du corps

c’p(J/kg)= sa capacité thermique massique à pression constante

νt (m²/s)= constante de diffusion

ρ'(kg/m3)= sa masse volumique

2.3.le nombre de Biot (ou coefficient de Biot) qui est un nombre sans dimension

exprimant l'évolution du transfert de chaleur d'un matériau entre sa surface et son intérieur

dimension néantsymboleyBi  valeurs entre 0 et 1

--si la valeur de yBi est < 0,1, donc faible, la résistance interne est faible et la température du corps sera uniforme

--si yBi est > 0,8, donc forte, le fluide externe va tenter d'imposer sa température au corps

relation usuelle >>>    yBi = h1.lc / l*

où yBi (--)= nombre de Biot

l*(W/m-K)= conductivité (ou résistance linéique thermique)

lc(m)= longueur caractéristique

h1(W/m²-K)= coefficient de transfert thermique

 

3.pour lE TRANSFERT de CHALEUR par conVECTion

On utilise:

3.1.le coefficient de convection

dimension M.T-1.Q-1   symbole  d’   Unité le (kg/s-K)

C'est donc une convection temporelle, surfacique et calorique

3.2.le coefficient de transfert thermique, qui est nommé aussi coefficient convectif de chaleur ou coefficient d'échange ou coefficient de transmission thermique ou coefficient de résistance surfacique   

dimension M.T-3.Θ- 1 symbole h1 (mais ce coefficient est souvent symbolisé Uw dans les notices commerciales

unité S.I.+ le(W/m²-K)

Relations avec autres unités :

1 kilocalorie par seconde-mètre²-degré vaut 4,185.103 W/m²-K

1 calorie par seconde-mètre carré-degré vaut 4,185 W/m²-K

1 kilocalorie par heure-mètre carré-degré vaut 1,162 W/m²-K

1 calorie par heure-m²-dg vaut 1,162.10-3 W/m²-K

1 erg par seconde-centimètre carré degré vaut 10-3  W/m²-K

Relation usuelle >>> h1 =  ΔP / S.ΔT

h1(W/m²-K)= coefficient de transfert

S(m²)= aire de la surface de réception

ΔT(K)= différence de température entre matériau et milieu

ΔP(W)= variation de puissance calorifique

3.3.on trouve parfois utilisée la grandeur inverse de h1 (dont l'unité est le clo valant 6,45 W/m²-K)

 

Relations avec la résistance et la résistivité thermiques

h1  = f* / V     et    h1 = Q* / S

où f*(W-m/K)= résistivité thermique

V(m3)= volume

Q*(W/K)= résistance thermique

S(m²)= surface de contact

Relation entre le coefficient de transfert et la chaleur

h1 =  ΔEq / S.t.ΔT

ΔEq(J)= chaleur échangée pendant le temps t(s)

Autres symboles idem ci-dessus

Relation entre le coefficient de transfert et la résistance linéique thermique

h1 = l*.l / S

l*(W/m-K)= résistance linéique thermique

l(m)= distance

S(m²)= section ou aire

Quelques valeurs de h1 

ces valeurs dépendent de l’épaisseur lé du matériau (elles diminuent de 20% dès que l’épaisseur double)

Elles sont données ci-dessous en W/m²-K et pour des cas d’épaisseur courante (lé)

Solides >>> verre(6 pour lé = 1 cm)--cloisons en bois(5 pour lé = 1 cm et 2 si lé = 10 cm)--

brique(2 pour lé =10 cm, puis 1,6 pour lé = 20 cm, puis 1,2 pour lé= 40 cm)--

béton(3 pour lé= 10 cm, puis 2 pour lé= 20 cm, puis 1,5 pour lé= 40 cm)--

bétons cellulaires = 70% du béton normal

Liquides >>> eau calme(500)--eau vive(2000)--eau bouillante(5000)--

Gaz >>> au repos(10 à 30)--gaz très agité(100 à 300 )--vapeur d’eau(6.000 à 12.000)