Transfert de chaleur

S. BENSAADA M. T. BOUZIANE TRANSFERT DE CHALEUR SOMMAIRE 1. MODES DE 2. CONDUCTION UNIDIMENTIONNELLE EN REGIME PERMANENT…. _ 3. CONDUCTION BIDIMENTIONNELLE EN Svipe View next page REGIME PERMANENT 4. CONDUCTION EN 5. RAYONNEMENT T 6. RELATION NUMERI 0 7. NOTIONS DE CONVECTION LIBRE…….. 8. TRANS ECCHANGEMENTDE PHASE. 77 9. NOTIONS SUR LES ECHANGEURS TUBULAIRES…. ……………… 79 10. MACHINES THERMIQUES.. p RE FACE Les multiples procédés utilisés dans l’industrie sont très souvent le siège d’échanges de chaleur, soit parce que c’est le but recherché (fours, coulée, ?changeurs, thermoformage, induction, lits fluidisés, trempe, refroidissement), soit parce que Maitriser les procédés et donc la qualité des produits. Les co-auteurs 3 1. MODES DE CONDUCTION 1. 1. Généralités le siège déchanges de ceux-ci Interviennent d’une manière inévitable (chocs thermiques, pertes de chaleurs, rayonnement).

Des connaissances de base en ce domaine sont donc nécessaires à l’ingénieur de production ou de développement pour : – Comprendre les phénomènes physiques qu’il observe. – Maitriser les procédés et donc la qualité des produits. Le deuxième principe de la thermodynamique admet que la chaleur (ou énergie thermique) ne peut passer que d’un corps chaud vers un corps froid, c’est-à-dire d’un corps ? température donnée vers un autre à température plus basse, donc Un transfert de chaleur qu’il convient d’appeler transfert thermique ou transfert par chaleur est un transit d’énergie sous forme microscopie désordonnée.

Deux corps ayant la même température sont dits en « équilibre thermique Si leur température est différente, le corps le plus chaud cède de l’énergie au corps le plus froid : il y a transfert thermique, ou par haleur. L’étude des transferts thermiques complète l’étude de la thermodynamique en décrivant la manière d 2 situation de non équilibre ainsi que sur les valeurs de flux de chaleur.

La thermodynamique établit les conditions de cette transmission de chaleur et détermine les conséquences qui en résultent, mais elle ne se préoccupe pas de la vitesse de cette transmission. En thermodynamique classique, les transformations réversibles supposent essentiellement le voisinage de l’équilibre et par conséquent, les échanges ne peuvent s’effectuer qu’entre corps à températures très voisines 4 1. Modes de transfert thermiques De tous temps, les problèmes de transmission d’énergie, et en particulier de la chaleur, ont eu une importance déterminante pour l’étude et le fonctionnement d’appareils tels que les générateurs de vapeur, les fours, les échangeurs, les évaporateurs, les condenseurs, etc. , mais aussi pour des opérations de transformations chimiques. En effet, dans certains systèmes réactionnels, c’est la vitesse des échanges de chaleur et non la vitesse des réactions chimiques qui détermine le coût de l’opération (cas de réactions fortement endo- ou exothermique).

En utre, de nos jours, par suite de l’accroissement relatif du prix de revient de l’énergie, on recherche dans tous les cas à obtenir le rendement maximal dune installation pour une dépense d’énergie minimale. Les problèmes de transfert de chaleur sont nombreux, et on peut essayer de les différencier par les buts poursuivis dont les principaux sont: 3 OF de chaleur, La réduction ou l’augmentation du passage d’un débit de chaleur d’un milieu à un autre. e potentiel qui provoque le transport et le transfert de l’énergie thermique est la température.

Si deux points matériels placés dans un milieu hermiquement isolé sont à la même température, on peut affirmer qu’il n’existe aucun échange thermique global entre ces deux points dits en équilibre thermique (il s’agit bien d’un équilibre thermique car chacun des points matériels émet une énergie thermique nette de même module, mais de signe opposé). Le transfert de chaleur au sein d’une phase où, plus généralement, entre deux phases, se fait suivant 3 modes: – Par conduction. – par rayonnement. – ET par convection. 1. 2. 1 .

Transfert par conduction 1- Soit par contact: c’est la conduction thermique; On chauffe l’extrémité d’une tige étallique. La chaleur se propage dans la tige. On dit qu’il y a conduction lorsque la chaleur (transport d’énergie) se propage sans transport de matière. 5 • On sait que : – Les molécules/atomes sont en perpétuelle agitation thermique. 4 OF interagit (fig. l Fig. 1 • Ainsi : – La molécule 1 va choquer la molécule 2 et globalement lui céder une partie de son énergie. – La molécule 2 va choquer la molécule 3, etc. ?? Une partie de l’énergie de la molécule 1 va donc être transférée vers la droite, vers les molécules moins excitées (donc de température inférieure) et ceci sans éplacement de cette molécule 1. – D’où un transfert de chaleur, dans la matière, sans transfert de matière • NOTA : 1. Les molécules effectuent un très grand nombre de chocs, les transferts ci-dessus sont donc des bilans sur l’ensemble des chocs. 6 2. des molécules de même excitation (donc de même température) échangent de l’énergie lors des chocs, mais le bilan global est nul (transferts équivalents de chaque côté).

Seul-e la conduction assure un bon transfert de chaleur à travers les solides. Par exemple, lorsqu’on chauffe un barreau métallique à l’une de ses extrémités, ‘autre extrémité s’échauffe progressivement. Si l’on chauffe suffisamment longtemps, l’objet métallique aura la même température en tout point. La chaleur s’est propagée à partir de l’extrémité chauffée dans tout le reste du matériau. Le barreau métallique a « conduit »de la chaleur : cette propriété s’a elle la conduction thermique. ubitement de chauffer conduction thermique.

Les bons conducteurs de chaleur sont souvent de bons conducteurs électriques. Dans les métaux, la conduction fait intervenir les électrons libres qui les rendent bons conducteurs de la chaleur. En revanche dans les isolants, la conduction se fait mal. En résumé, il y a une forte correspondance entre les propriétés thermiques et électriques des solides. La conduction s’observe aussi dans des fluides au repos mais elle est beaucoup plus faible que dans un métal. De plus, elle est souvent dominée par la convection. (par exemple pour le calcul des déperditions à travers une parois) parol plane . ylindrique . Q = quantité de chaleur en Watt, – Coeff. de conduction du matériaux en W/m. K S = surface du matériaux en m 2, CC ou T = écart de température entre les 2 parois en Kl = longueur de la paroi cylindrique en rn, R et extérieur et intérieur de la paroi en m. rayon 7 6 OF milieu intermédiaire matériel. Le rayonnement thermique est caractérisé par des longueurs d’ondes comprises entre, il inclut le domaine du visible (ondes lumineuses ou lumière de et n’occupe qu’une faible portion du spectre d’ondes électromagnétiques.

Remarque : bien qu’il soit plus avantageux de rapporter les grandeurs monochromatiques à la fréquence _ qui est Indépendante du milieu matériel transparent où l’onde se propage, l’habitude est de se référer à la longueur d’onde _ qui dépend de ‘indice du milieu est la longueur d’onde dans le vide; pour l’air . Cette manière de faire ne présente d’inconvénient majeur que pour les milieux semi- transparents non homogènes. un point matériel chauffé émet un rayonnement électromagnétique dans toutes les directions situées d’un même côté du plan tangent au point matériel.

Lorsque ce rayonnement frappe un corps quelconque, une partie peut être réfléchie, une autre transmise à travers le corps (dit diathermique si tout est transmis), et le reste est quantitativement absorbé sous forme de chaleur. Si on place dans une enceinte deux corps capables ‘émettre un rayonnement OF de chaleur est analogue à la propagation de la lumière, et il ne nécessite aucun support matériel, contrairement aux écoulements. Les gaz, les liquides et les solides sont capables d’émettre et d’absorber les rayonnements thermiques.

Dans de nombreux problèmes de transformation d’énergie thermique, les trois modes de transfert de chaleur coexisteront mais, généralement, au moins une des trois formes pourra être négligée, ce qui simplifiera le traitement mathématique de l’appareil de transfert. Nous pouvons dire dès à présent, qu’aux températures ordinaires, le transport par ayonnement est négligeable, mais il peut devenir notable et prépondérant lorsque le niveau de température augmente. En outre, signalons que certains transferts thermiques sont accompagnés d’un transfert de matière entre deux phases.

Le flux de chaleur transféré en présence d’un changement de phase dépend de la nature et des propriétés physico-chimiques des phases en présence. Cest le cas de l’ébullition, de la condensation, mais aussi des problèmes d’humidification, de séchage, de cristallisation,etc.. Ce mode de transfert Intervient chaque fois qu’on est en présence de lumière et, plus énéralement, d’ondes électromagnétiques : ondes radio et de télévision, ondes radar, rayonnement infrarouge, lumière visible, rayonnement ultraviolet, rayonnement X, rayonnement.

Le transfert d’énergie par rayonnement peut se faire sur de très grandes distances et même dans le vide ; c’est ainsi que nous recevons l’énergie rayonnante du Soleil. Le transfert d’énergie par chaleur ne eut se faire que sur de petites distances et iamais d’énergie par chaleur ne peut se faire que sur de petites distances et jamais dans le vide. La quantité d’énergie transférée du Soleil à la Terre sous forme de ayonnement est très importante : la puissance correspondante est, au mieux, de 1 kW/ m2.

Ceci explique l’intérêt des capteurs solaires qui permettent de chauffer, au moins en partie, une maison, ou d’obtenir de l’eau chaude. De là aussi l’intérêt des cellules solaires : elles transforment directement l’énergie rayonnante en énergie électrique. En fait, tous les systèmes perdent de l’énergie par rayonnement, mais plus ou moins ; tous les corps « rayonnent ». Ainsi, le corps humain perd 50% de son énergie par rayonnement : la puissance correspondante est de quelques dizaines e watts par mètre carré.

Dans un grand nombre de cas, ce n’est pas la quantité d’énergie transférée par rayonnement qui est intéressante ; le rayonnement, en effet, sert essentiellement 9 à transmettre de l’information : forme et couleur des objets perçus par lloeil, messages transmis par les ondes radio et de télévision, etc Tout corps, à la température T différente de zéro, émet des ondes e. m ; on parle de « rayonnement thermique ». A l’inverse, de même qu’il s absorbe tout auxquelles on associe des énergies. Les électrons sont donc répartis sur des « niveaux d’énergie » fig. 2

Normalement, les électrons sont dans leur état énergétique de base (ou de repos) d’énergie donnée El . Au cours dun choc, un électron peut être placé (par échange d’énergie) sur un niveau d’énergie E2 > El . Fig. 2 Cet électron tendra à redescendre sur son état de base, quand il le voudra (c. à. d « spontanément ») en restituant l’énergie: E2 – El sous forme de rayonnement électromagnétique de fréquence: (E2 – El h . ABSORPTION. Inversement, si un rayonnement e. m arrive sur l’électron à l’état de repos, alors ce rayonnement sera utilisé pour placer l’électron dans l’état excité E2 tel que : (E2- El) 10 FE. 3 0 0