Transfert de chaleur

Cours

Présenté par

Mme Souad ABDERAFI

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Introduction aux transferts

thermiques

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PLAN DU COURS Chapitre 1 : Introduction aux transferts thermiques

• Définitions des transferts thermiques

• Exemples des transferts thermiques

• Lois des transferts thermiques

Chapitre 2 : Conduction

• Loi de Fourier et conductivité thermique

• Conduction dans les solides en régime permanant et transitoires

• Ailettes

Chapitre 3: Convection

• Analyse dimensionnelle

• Corrélations

Chapitre 4: Rayonnement

• Définitions

• Les lois régissant l’émission du rayonnement thermique

• Réflexion, absorption et transmission du rayonnement par un corps

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Transferts thermiques ?

Sciences de base de l'ingénieur

Connaître

les principes fondamentaux

Évaluer l’importance transfert

dans un problème particulier

Échange de calories du milieu chaud vers milieu froid

Étudier la propagation de la chaleur

Énergie en transit due à une différence de température

=

Rôle dans les domaines industriels

(solide, liquide, gaz ou même dans le vide)

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Les différents modes du transfert thermique

3 Modes de transferts de chaleur

Conduction Rayonnement Convection

Transport d’énergie

sans

déplacement de matière

Transport d’énergie

avec

déplacement de la matière

Matériaux solides Fluides en mouvement

ou Fluides en contact

avec surface rigide

Transport d’énergie

sans déplacement de matière

sans contact entre milieu

Transfert dans le vide

vibrations électromagnétiques

Fluides:

liquide et gaz

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Exemple 1

Chauffage d’une barre métallique à l'une de ses extrémités

Mode

de

transfert

?

Bougie

Barre d’acier

Transfert de chaleur par conduction

Өc Өf Ф

gradӨ

A B

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Exemple 2

Mouvement de l’eau chauffée dans une casserole

gra

dӨ

Ф

Ec

Ef

Mode

de

transfert

?

Transfert de chaleur par convection

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Exemple 3

Cuisson d’un poulet à l’aide d’une micro-onde

Transfert de chaleur par rayonnement

Mode

de

transfert

?

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Exemple 4

Chauffage de l 'eau dans une casserole

Mode

de

transfert

?

Présence des 3modes de transfert de chaleur

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Exemple 4

Porte en verre, séparant deux milieux

Air chaud Air froid

Mode

de

transfert

?

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Conception d’une cheminée

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Exemples des isolants

Matières plastiques

et la laine

Laines de verre

Principe du double vitrage

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Loi de la conduction (1822)

Jean-Baptiste Joseph Fourier

(1768-1830)

Loi de Fourier:

grad

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Quelques conductivités thermiques

Liquide (W/m.K)

Acetone 0,2

Alcohol 0,17

Mercure 8,7

eau 0,58

Gaz (W/ m.K)

Air 0,026

CO2 0,017

Azote 0,026

Oxygène 0,027

Solides Métalliques (W/ m.K)

Fer 73

Acier 46

Aluminium 210

Cuivre 386

Argent 406

Or 293

Cuivre jaune (Laiton) 85

Solides non Métalliques (W/ m.K)

Amiante 0,16

Brique rouge 0,63

Carton 0,2

Ciment 0,3

Croûte terrestre 1,7

Verre 0,81

Laine de verre 0,041

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Loi de la Convection (1701)

Newton (1643-1727)

Loi de Newton:

φ= h (TS -T)

• h coefficient de transfert de chaleur

[W/(m2.°C) ou W/(m2.K)]

• TS température de la surface [K ou °C ]

• T température loin de la surface [K ou °C]

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Loi du rayonnement (1884-1901)

La loi de Stefan - Bolztman

4

max ST

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Loi du rayonnement (1884-1901)

4

max ST

4

ST

)( 44

envS TT

• Si on a une surface idéale = corps noir

Où, σ = 5.669 x 10-8 W/(m2.K4)

• Si on a une surface réelle = corps gris

l’émissivité (ε) vient réduire le flux émis par la surface

• Dans le cas où cette surface est environnée d’une autre surface à Tenv, l’échange net de chaleur est alors:

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Bilan d’énergie

accgoutin EEEE

Pour un volume de contrôle donné, à chaque instant,

le bilan de conservation d'énergie s’écrit:

Ein : Ce qui entre

Eout: Ce qui sort

Eacc: terme d'accumulation: variation dans le temps (+) ou (-)

Eg: énergie générée: produite (+) ou consommée (-)

Au travers d’une surface (volume nul):

0 outin EE

• Réactions chimiques exo ou endothermiques,

• Réactions nucléaires,

• Dissipation visqueuse,

• Effet Joule dans une résistance électrique

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Analyse d'un problème de transfert de chaleur

Profil de température

Ө(x,y,z) Ө(t)

Flux de chaleur échangé

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Méthodologie

Comprendre l'énoncé et voir les données du problèmes

comprendre la question et ce qu'on cherche à déterminer ?

Faire un schéma et identifier les modes et les lieux du transfert de chaleur

Faire des hypothèses simplificatrices pertinentes et définir le volume de contrôle

Faire le bilan de chaleur, poser les conditions limites puis résoudre le problème

Discuter la solution obtenue

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