Chapitre 3 La convection thermique
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<strong>Chapitre</strong> 3<br />
<strong>La</strong> <strong>convection</strong> <strong>thermique</strong><br />
MPh 2008-2009<br />
1
1-Origine physique de la <strong>convection</strong><br />
Est-ce que les transferts <strong>thermique</strong>s par <strong>convection</strong><br />
nécessitent un support matériel ?<br />
peuvent avoir lieu dans le vide ?<br />
Quel peut-être la nature de ce support matériel ?<br />
Solide<br />
liquide<br />
gaz ?<br />
Est-ce que le support matériel subit un déplacement d<br />
lors<br />
des transferts <strong>thermique</strong>s par <strong>convection</strong> ?<br />
Oui<br />
Non<br />
2
Connaissez-vous des exemples quotidien lors<br />
desquels vous utilisez la <strong>convection</strong> <strong>thermique</strong> ?<br />
Sèche-cheveux,<br />
cheveux,<br />
Quand on souffle sur la soupe !<br />
Quand on agite sa tasse de café<br />
Vents ascendants en météo, m<br />
Chauffage central domestique : convecteur<br />
Refroidissement d'équipements : voitures, oscillo, , PC…<br />
3
Une petite expérience<br />
rience…<br />
<strong>La</strong> température de surface de la fenêtre est-elle elle identique à<br />
celle de l’amphi l<br />
?<br />
Oui<br />
Non<br />
Conclusion, de manière générale g<br />
: T surface ≠ T pièce
T<br />
T pièce<br />
T surface int<br />
Zones de <strong>convection</strong><br />
T surface ext<br />
T ext<br />
Fenêtre<br />
Zone de conduction<br />
x<br />
Schéma équivalent<br />
R conv int R cond<br />
R conv ext<br />
Φ<br />
T pièce T surf int<br />
T surf ext<br />
T ext<br />
5
2-Loi de Newton<br />
Le flux échangé dans la zone de <strong>convection</strong> intérieure<br />
vaut :<br />
Φ= = h S ( T pièce<br />
–T surface intérieure<br />
)<br />
h s’appelle s<br />
le coefficient de<br />
<br />
<br />
transmission <strong>thermique</strong> (CTT)<br />
d’échanges superficiels (CES)<br />
unité du CTT ?<br />
W.m - 2 .K -1<br />
6
3-Résistance <strong>thermique</strong> de <strong>convection</strong><br />
Analogie électrique<br />
U = V 1 -V 2 = RI<br />
T 1 -T 2 = R Φ<br />
Loi de Newton<br />
Φ= = h S ( T pièce<br />
–T surface intérieure<br />
T pièce<br />
–T surface int = Φ/ / h S<br />
rieure )<br />
Donc la résistance r<br />
<strong>thermique</strong> de <strong>convection</strong> est égale<br />
à<br />
R = 1 / hS<br />
7
4-Evaluation expérimentale du CTT<br />
A votre avis, de quoi peut dépendre d<br />
le CTT ?<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
De l’él<br />
’état des surfaces<br />
• qualité : rugueuse, lisse…<br />
• orientation : verticale, horizontale, oblique.<br />
De la nature du fluide<br />
• viscosité,<br />
• masse volumique,<br />
• Capacité <strong>thermique</strong> massique.<br />
De la température du fluide : h diminue si T diminue<br />
De la nature de l'écoulement : laminaire, turbulent<br />
<br />
Ordre de grandeur de h dans l’air l<br />
calme, à 20 °C C : 15 W.m - 2 .K -1<br />
8
Ordre de grandeur<br />
5 10 100 500 1000 15000<br />
Convection libre<br />
5 à 25 W.m-²K -1<br />
CTT<br />
W.m-²K-1<br />
air<br />
Convection forcée<br />
10 à 500 W.m-²K -1<br />
eau<br />
Convection libre<br />
100 à 900 W.m - ²K -1<br />
Convection forcée<br />
100 à 15 000 W.m - ²K -1<br />
huile<br />
Convection forcée<br />
50 à 2 000 W.m - ²K -1<br />
9
5-Conception d’un d<br />
bon isolant <strong>thermique</strong><br />
<br />
On obtient une bonne isolation <strong>thermique</strong> lorsque<br />
<br />
<br />
<strong>La</strong> conduction <strong>thermique</strong> est<br />
<strong>La</strong> <strong>convection</strong> <strong>thermique</strong> est<br />
importante faible ?<br />
importante faible ?<br />
<br />
Les gaz sont<br />
<br />
<br />
de bons / mauvais conducteurs <strong>thermique</strong>s.<br />
Mais très s facilement mis en mouvement<br />
<br />
Pour les utiliser comme isolant <strong>thermique</strong>, il faut donc lutter contre c<br />
leur <strong>convection</strong>. Comment ?<br />
Il faut immobiliser le fluide. Comment ?<br />
Les gaz sont emprisonnés s dans de PETITS espaces : alvéoles,...<br />
10
Avez-vous vous des exemples qui vous viennent<br />
à l’esprit ?<br />
Double vitrage<br />
lame d’air d<br />
emprisonnée e entre 2 épaisseurs de verre.<br />
Polystyrène<br />
Bulles d’air d<br />
immobilisées<br />
<strong>La</strong>ine<br />
Air piégé et immobilisé entre les fibres<br />
Briques alvéol<br />
olées<br />
11
6-Isolation d’une d<br />
tuyauterie<br />
Un fluide, de température 200 °C C circule dans une<br />
canalisation entourée e d’air d<br />
à 15 °C.<br />
<strong>La</strong> mécanique m<br />
des fluides a imposé pour avoir<br />
l’écoulement souhaité une canalisation<br />
<br />
<br />
en acier (conductivité <strong>thermique</strong> λ a )<br />
de rayon extérieur r a ,<br />
Un isolant entoure cette canalisation en acier. Ses<br />
caractéristiques ristiques sont :<br />
épaisseur e,<br />
conductivité <strong>thermique</strong> λ i
Que pensez-vous de l’affirmation l<br />
suivante ?<br />
Le flux <strong>thermique</strong> qui sort de la canalisation diminue si on<br />
augmente l’él<br />
’épaisseur d’isolant d<br />
autour de la canalisation.<br />
Φ<br />
λ i<br />
λ a<br />
fluide λ a<br />
λ i<br />
Φ<br />
e<br />
e<br />
13
Ce qu’on sait<br />
En géomg<br />
ométrie cylindrique<br />
• R cond = ( lnr ext - ln r int ) / λ 2π L<br />
• R conv = 1 / hS avec S = 2 π r ext L<br />
• Le flux <strong>thermique</strong> s’és<br />
’écoule radialement<br />
λ i > R cond métal<br />
Schéma<br />
équivalent<br />
Φ<br />
R conv int R cond métal R cond isolant R conv ext<br />
14
Interprétation<br />
tation<br />
Lors de l’ajout l<br />
de l’isolant, l<br />
r ext augmente donc<br />
<br />
<br />
<br />
R conv int<br />
augmente diminue reste identique ?<br />
augmente diminue reste identique ?<br />
augmente diminue reste identique ?<br />
• R conv = 1 / hS avec S = 2 π r ext L et S ext augmente<br />
R cond isolant<br />
R conv ext<br />
Conclusion : il y a compétition entre<br />
<br />
<br />
R cond qui augmente d’oùd<br />
la diminution des transferts <strong>thermique</strong>s<br />
par conduction<br />
R conv ext qui diminue car la surface d’éd<br />
’échange augmente d’oùd<br />
l’augmentation des transferts <strong>thermique</strong>s par <strong>convection</strong>.<br />
15
Conséquence<br />
L’étude de la résistance r<br />
<strong>thermique</strong> totale en fonction du<br />
rayon extérieur total présente un minimum pour<br />
r ext = λ isolant / h ext<br />
R <strong>thermique</strong> tot<br />
0 λ i / h e<br />
r ext<br />
16
Premier cas : λ isolant / h ext < r acier<br />
R <strong>thermique</strong> tot<br />
R <strong>thermique</strong> sans isolant<br />
0 λ i / h e<br />
r a<br />
l’ajout d’isolant d<br />
aura toujours tendance à augmenter la<br />
résistance <strong>thermique</strong><br />
r ext<br />
17
Second cas : λ isolant / h ext > r acier<br />
R <strong>thermique</strong> tot<br />
R <strong>thermique</strong> sans isolant<br />
0 r a<br />
λ i / h e r ext<br />
r ext<br />
<br />
<br />
L’ajout d’isolant d<br />
aura d’abord d<br />
tendance à diminuer la résistance r<br />
<strong>thermique</strong>.<br />
Ce n’est n<br />
qu’à<br />
partir d’une d<br />
certaine épaisseur d’isolant d<br />
que la<br />
résistance <strong>thermique</strong> totale deviendra plus grande avec isolant que<br />
sans isolant (e = r ext – r a ).<br />
18
Diamètre critique<br />
D c = 2 λ isolant / h ext<br />
C’est le diamètre total de la canalisation isolée e pour<br />
lequel<br />
<strong>La</strong> résistance r<br />
<strong>thermique</strong> est minimale<br />
Le flux <strong>thermique</strong> (Φ)(<br />
) est maximum.<br />
19
7-Que retenir de ce cours ?<br />
<strong>La</strong> loi de Newton : ………………………<br />
<br />
<br />
le CTT h ; unités s :……:<br />
R conv : ………………….<br />
<br />
Comment concevoir un isolant <strong>thermique</strong><br />
<br />
Ordre de grandeur de h<br />
<br />
<br />
Dans l’air l<br />
calme………………………<br />
……………………….<br />
En <strong>convection</strong> forcée e air ……………….et eau …………………<br />
<br />
<strong>La</strong> notion de diamètre critique<br />
D c<br />
=<br />
Comprendre et savoir appliquer cette notion !<br />
20
Transmission de la chaleur par turbulence.<br />
Un volume d’air d<br />
réchauffr<br />
chauffé présente une densité moindre que l’air l<br />
ambiant.<br />
Il va donc s’és<br />
’élever et subir une accélération aussi longtemps qu’il<br />
reste plus chaud que l’air l<br />
ambiant.<br />
Plus le réchauffement r<br />
est important par rapport à l’atmosphère<br />
environnante et plus ce volume d’air d<br />
atteint une altitude élevée.<br />
e.<br />
Le contraste extrême de températures entre l’air l<br />
froid au-dessus des<br />
surfaces couvertes de neige et l’air l<br />
réchauffr<br />
chauffé au-dessus des<br />
surfaces dégagd<br />
gagées offre un potentiel intéressant de déclenchement<br />
d<br />
<strong>thermique</strong>.<br />
Les différences de nature du sol dans un espace restreint peuvent<br />
ainsi être à l’origine de contrastes de températures considérables et<br />
de <strong>thermique</strong>s intenses, mais agités.<br />
22
Φ<br />
h e<br />
T surface int<br />
= 190°C<br />
T int<br />
=200°C<br />
h i<br />
r i<br />
h i h e<br />
T surface<br />
= 18°C<br />
T ext<br />
= 15°C<br />
Φ<br />
r a<br />
200°C<br />
R conv int<br />
190°C<br />
R cond acier<br />
18°C 15°C<br />
R conv ext<br />
Φ<br />
Association de résistances <strong>thermique</strong>s en série car le même flux<br />
traverse successivement chaque R <strong>thermique</strong><br />
R totale sans isolant = R conv int + R cond acier + R conv ext<br />
23
T surface int<br />
= 190°C<br />
T surface<br />
= 18°C<br />
T int<br />
=200°C<br />
T ext<br />
= 15°C<br />
Φ<br />
h i<br />
h e<br />
Φ<br />
Schéma équivalent<br />
r i<br />
r a<br />
e<br />
r e = r a + e<br />
200°C<br />
190°C<br />
18°C<br />
15 °C<br />
Φ<br />
R conv int<br />
R cond acier<br />
R contact<br />
R cond iso<br />
R conv ext<br />
24
Transfert <strong>thermique</strong> avec transfert de matière<br />
Entre<br />
• solide-liquide<br />
liquide<br />
• solide-gaz<br />
• dans un fluide<br />
<br />
Convection naturelle<br />
<br />
<br />
due aux différences de densité :<br />
ρ gaz (Τ)<br />
L’air chaud « monte »<br />
<br />
Convection forcée<br />
soufflerie,<br />
26