Chapitre 3 La convection thermique

Chapitre 3
La convection thermique
MPh 2008-2009
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1-Origine physique de la convection
Est-ce que les transferts thermiques par convection
nécessitent un support matériel ?
peuvent avoir lieu dans le vide ?
Quel peut-être la nature de ce support matériel ?
Solide
liquide
gaz ?
Est-ce que le support matériel subit un déplacement d
lors
des transferts thermiques par convection ?
Oui
Non
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Connaissez-vous des exemples quotidien lors
desquels vous utilisez la convection thermique ?
Sèche-cheveux,
cheveux,
Quand on souffle sur la soupe !
Quand on agite sa tasse de café
Vents ascendants en météo, m
Chauffage central domestique : convecteur
Refroidissement d'équipements : voitures, oscillo, , PC…
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Une petite expérience
rience…
La température de surface de la fenêtre est-elle elle identique à
celle de l’amphi l
?
Oui
Non
Conclusion, de manière générale g
: T surface ≠ T pièce

T
T pièce
T surface int
Zones de convection
T surface ext
T ext
Fenêtre
Zone de conduction
x
Schéma équivalent
R conv int R cond
R conv ext
Φ
T pièce T surf int
T surf ext
T ext
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2-Loi de Newton
Le flux échangé dans la zone de convection intérieure
vaut :
Φ= = h S ( T pièce
–T surface intérieure
)
h s’appelle s
le coefficient de
transmission thermique (CTT)
d’échanges superficiels (CES)
unité du CTT ?
W.m - 2 .K -1
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3-Résistance thermique de convection
Analogie électrique
U = V 1 -V 2 = RI
T 1 -T 2 = R Φ
Loi de Newton
Φ= = h S ( T pièce
–T surface intérieure
T pièce
–T surface int = Φ/ / h S
rieure )
Donc la résistance r
thermique de convection est égale
à
R = 1 / hS
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4-Evaluation expérimentale du CTT
A votre avis, de quoi peut dépendre d
le CTT ?
De l’él
’état des surfaces
• qualité : rugueuse, lisse…
• orientation : verticale, horizontale, oblique.
De la nature du fluide
• viscosité,
• masse volumique,
• Capacité thermique massique.
De la température du fluide : h diminue si T diminue
De la nature de l'écoulement : laminaire, turbulent
Ordre de grandeur de h dans l’air l
calme, à 20 °C C : 15 W.m - 2 .K -1
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Ordre de grandeur
5 10 100 500 1000 15000
Convection libre
5 à 25 W.m-²K -1
CTT
W.m-²K-1
air
Convection forcée
10 à 500 W.m-²K -1
eau
Convection libre
100 à 900 W.m - ²K -1
Convection forcée
100 à 15 000 W.m - ²K -1
huile
Convection forcée
50 à 2 000 W.m - ²K -1
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5-Conception d’un d
bon isolant thermique
On obtient une bonne isolation thermique lorsque
La conduction thermique est
La convection thermique est
importante faible ?
importante faible ?
Les gaz sont
de bons / mauvais conducteurs thermiques.
Mais très s facilement mis en mouvement
Pour les utiliser comme isolant thermique, il faut donc lutter contre c
leur convection. Comment ?
Il faut immobiliser le fluide. Comment ?
Les gaz sont emprisonnés s dans de PETITS espaces : alvéoles,...
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Avez-vous vous des exemples qui vous viennent
à l’esprit ?
Double vitrage
lame d’air d
emprisonnée e entre 2 épaisseurs de verre.
Polystyrène
Bulles d’air d
immobilisées
Laine
Air piégé et immobilisé entre les fibres
Briques alvéol
olées
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6-Isolation d’une d
tuyauterie
Un fluide, de température 200 °C C circule dans une
canalisation entourée e d’air d
à 15 °C.
La mécanique m
des fluides a imposé pour avoir
l’écoulement souhaité une canalisation
en acier (conductivité thermique λ a )
de rayon extérieur r a ,
Un isolant entoure cette canalisation en acier. Ses
caractéristiques ristiques sont :
épaisseur e,
conductivité thermique λ i

Que pensez-vous de l’affirmation l
suivante ?
Le flux thermique qui sort de la canalisation diminue si on
augmente l’él
’épaisseur d’isolant d
autour de la canalisation.
Φ
λ i
λ a
fluide λ a
λ i
Φ
e
e
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Ce qu’on sait
En géomg
ométrie cylindrique
• R cond = ( lnr ext - ln r int ) / λ 2π L
• R conv = 1 / hS avec S = 2 π r ext L
• Le flux thermique s’és
’écoule radialement
λ i > R cond métal
Schéma
équivalent
Φ
R conv int R cond métal R cond isolant R conv ext
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Interprétation
tation
Lors de l’ajout l
de l’isolant, l
r ext augmente donc
R conv int
augmente diminue reste identique ?
augmente diminue reste identique ?
augmente diminue reste identique ?
• R conv = 1 / hS avec S = 2 π r ext L et S ext augmente
R cond isolant
R conv ext
Conclusion : il y a compétition entre
R cond qui augmente d’oùd
la diminution des transferts thermiques
par conduction
R conv ext qui diminue car la surface d’éd
’échange augmente d’oùd
l’augmentation des transferts thermiques par convection.
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Conséquence
L’étude de la résistance r
thermique totale en fonction du
rayon extérieur total présente un minimum pour
r ext = λ isolant / h ext
R thermique tot
0 λ i / h e
r ext
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Premier cas : λ isolant / h ext < r acier
R thermique tot
R thermique sans isolant
0 λ i / h e
r a
l’ajout d’isolant d
aura toujours tendance à augmenter la
résistance thermique
r ext
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Second cas : λ isolant / h ext > r acier
R thermique tot
R thermique sans isolant
0 r a
λ i / h e r ext
r ext
L’ajout d’isolant d
aura d’abord d
tendance à diminuer la résistance r
thermique.
Ce n’est n
qu’à
partir d’une d
certaine épaisseur d’isolant d
que la
résistance thermique totale deviendra plus grande avec isolant que
sans isolant (e = r ext – r a ).
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Diamètre critique
D c = 2 λ isolant / h ext
C’est le diamètre total de la canalisation isolée e pour
lequel
La résistance r
thermique est minimale
Le flux thermique (Φ)(
) est maximum.
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7-Que retenir de ce cours ?
La loi de Newton : ………………………
le CTT h ; unités s :……:
R conv : ………………….
Comment concevoir un isolant thermique
Ordre de grandeur de h
Dans l’air l
calme………………………
……………………….
En convection forcée e air ……………….et eau …………………
La notion de diamètre critique
D c
=
Comprendre et savoir appliquer cette notion !
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Transmission de la chaleur par turbulence.
Un volume d’air d
réchauffr
chauffé présente une densité moindre que l’air l
ambiant.
Il va donc s’és
’élever et subir une accélération aussi longtemps qu’il
reste plus chaud que l’air l
ambiant.
Plus le réchauffement r
est important par rapport à l’atmosphère
environnante et plus ce volume d’air d
atteint une altitude élevée.
e.
Le contraste extrême de températures entre l’air l
froid au-dessus des
surfaces couvertes de neige et l’air l
réchauffr
chauffé au-dessus des
surfaces dégagd
gagées offre un potentiel intéressant de déclenchement
d
thermique.
Les différences de nature du sol dans un espace restreint peuvent
ainsi être à l’origine de contrastes de températures considérables et
de thermiques intenses, mais agités.
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Φ
h e
T surface int
= 190°C
T int
=200°C
h i
r i
h i h e
T surface
= 18°C
T ext
= 15°C
Φ
r a
200°C
R conv int
190°C
R cond acier
18°C 15°C
R conv ext
Φ
Association de résistances thermiques en série car le même flux
traverse successivement chaque R thermique
R totale sans isolant = R conv int + R cond acier + R conv ext
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T surface int
= 190°C
T surface
= 18°C
T int
=200°C
T ext
= 15°C
Φ
h i
h e
Φ
Schéma équivalent
r i
r a
e
r e = r a + e
200°C
190°C
18°C
15 °C
Φ
R conv int
R cond acier
R contact
R cond iso
R conv ext
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Transfert thermique avec transfert de matière
Entre
• solide-liquide
liquide
• solide-gaz
• dans un fluide
Convection naturelle
due aux différences de densité :
ρ gaz (Τ)
L’air chaud « monte »
Convection forcée
soufflerie,
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