les transferts de chaleur
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Département Energétique de l’ICAM LES TRANSFERTS DE CHALEUR ========================= I Généralités I.1 Introduction aux transferts thermiques Le transfert de la chaleur est l’un des modes les plus communs d’échange d’énergie. Il intervient naturellement entre deux systèmes dès qu’existe entre eux une différence de température et cela quel que soit le milieu, même vide, qui les sépare. Les transferts thermiques jouent un rôle essentiel dans diverses applications technologiques, il devient même déterminant lorsqu’il est à l’origine des techniques utilisées (échangeurs, moteurs thermiques, calorifugeage, utilisation de l’énergie solaire...) I.2 Exemples de machines thermiques Avec une source de chaud et une source de froid, il y a donc toujours possibilité de récupérer de l'énergie. Les exemples abondent. Les machines à vapeur consomment du charbon, qui en brûlant, produit de la chaleur. Elles ont toutes une réserve d'eau, qui constitue la source de froid. L'eau est vaporisée, grâce à la chaleur dégagée par la combustion du charbon, et est mise sous pression, pour mettre des pistons en mouvement, c'est à dire fournir de l'énergie. Les centrales nucléaires sont en fait des machines thermiques : leur source de chaleur est le réacteur nucléaire. Elles sont placées à côté d'un lac ou d'une rivière qui sont légèrement réchauffés par la centrale, pour produire de l'électricité. I.3 Thermodynamique et transferts thermiques A la base de l’étude des transferts thermiques se trouve les concepts de quantité de chaleur et de différence de température. Ceux-ci sont définis par la thermodynamique par les principes suivants: Premier principe Equivalence de la chaleur et du travail comme forme particulières de l’énergie. Second principe Mesure du déséquilibre thermique relatif de deux systèmes par leur différence de température, la valeur de cette différence caractérisant le sens et l’intensité de l’énergie calorifique transférée. Un transfert de chaleur correspond donc à une variation d’énergie interne. La thermodynamique toutefois ne s’attache qu’à des états d’équilibre, négligeant les mécanismes d’échange qui y conduisent. L’étude de ceux-ci s’est donc développée parallèlement et, en raison même de son importance, avec suffisamment d’ampleur pour constituer une discipline indépendante, les transferts thermiques. Il existe 3 modes de transferts de chaleur qui peuvent intervenir indépendamment ou simultanément : - La conduction. Le rayonnement. La convection. II Grandeurs et unités II.1 La température Dans un objet, les molécules, les atomes qui le constituent bougent extrêmement rapidement, cette agitation désordonnée des particules est appelée agitation thermique. La température mesure le degré d'agitation des 1 Département Energétique de l’ICAM particules : plus les molécules d'un objet sont agitées, plus il est chaud. On mesure la température en degrés CELCIUS, KELVIN ou FAHRENHEIT. 5 CELCIUS - FAHRENHEIT TC T F 32 9 CELCIUS - KELVIN TK=TC + 273,15 On définit alors en chaque point M d’un corps (solide, liquide ou gazeux) une température, fonction scalaire des coordonnées du point et du temps M, t . Le lieu des points ayant à chaque instant la même température est appelé surface isotherme. II.2 Quantité de chaleur La chaleur représente l'énergie cinétique des molécules et des atomes de la matière. La mesure des quantités de chaleur, ou calorimétrie, est basée sur la mesure des transferts de chaleur. L'unité de quantité de chaleur est la calorie ou le joule (1 cal = 4,18 joules) par définition 1 calorie est la quantité de chaleur pour élever d'un degré un gramme d'eau. II.3 Flux de chaleur ou puissance calorifique C’est la quantité de chaleur échangée à travers une surface par unité de temps (unité : W). Q t II.4 Densité de flux de chaleur C’est la quantité de chaleur échangée par unité de surface et par unité de temps (unité : W/m2 ). S S : Surface d’échange III Les différents régimes Le régime de transmission de la chaleur peut ou non varier au cours du temps. Le régime est dit stationnaire (ou permanent) si la température qui existe en chaque point du corps est la même au cours du temps. Régime permanent : La température ne varie pas au cours du temps. (Régime établi) : 0 t Il s’agit d’une dérivée partielle car la température varie d’un point à un autre tout en restant constante en chaque point. Un régime instationnaire (ou transitoire) est caractérisé par une évolution temporelle de la température en chaque point du corps, en pratique, cela se produit lors d’un réchauffage ou refroidissement des corps. 0 t Remarque : En régime variable, les surfaces isothermes sont mobiles et déformables; en régime permanent, elles sont invariantes. Régime transitoire : La température varie en fonction du temps : IV Les différents modes de transfert de chaleur IV.1 La conduction C’est le phénomène décrit par la chaleur qui s’écoule à l’intérieur d’un milieu d’une région à haute température vers une région à basse température. L’énergie se propage par contact direct des particules sans déplacement 2 Département Energétique de l’ICAM appréciable de ces dernières. C’est le seul mécanisme au moyen duquel la chaleur peut s’écouler dans un corps solide. IV.2 Le rayonnement C’est le mécanisme qui permet à la chaleur de se transmettre d’un corps à haute température vers un corps à basse température lorsque ces corps sont séparés dans l’espace même s’il existe le vide entre eux. Le rayonnement met alors en jeu des phénomènes ondulatoires qui assurent le transport de l’énergie. La chaleur rayonnée se propage à la vitesse de la lumière (3 108 m/s dans le vide). Tout corps qui se trouve à une température supérieure à 0°K émet du rayonnement sous forme d’onde électromagnétiques. Le corps humain règle ses pertes de chaleur afin de maintenir sa température à 37°C. Un sujet au repos rayonne environ 75 W Un sujet en travail normal, assis environ 100 W Un homme fournissant un effort physique environ 150 W IV.3 La convection (solide fluide) Elle correspond au mouvement pris par un fluide sous l’influence d’une variation de température. On distingue la convection forcée, dans laquelle le mouvement du fluide est produit par une action extérieure (pompe, ventilateur...), de la convection libre (ou naturelle) , dans laquelle ce mouvement résulte simplement de la différence de densité entre les parties chaudes et froides du fluide. V Combinaisons des différents modes de transfert Ci-dessus, nous avons considéré séparément les trois modes de base des échanges thermiques. Dans la réalité les différents modes sont, le plus souvent, intimement liés : conduction et rayonnement dans le cas de solides non opaques (verres, matières plastiques...), ou encore conduction, convection et rayonnement dans les fluides. Par ailleurs, tout échange de chaleur se traduisant par une variation de température des corps concernés, il arrive souvent que se produise un changement de phase (vaporisation, condensation, fusion, congélation...) constituant une source (ou puits) de chaleur supplémentaire. Exemple : Si l’on chauffe de l’eau dans un récipient sur une flamme, l’énergie libérée par l’évaporation de l’eau contenue dans le récipient fait intervenir : La convection ainsi que le rayonnement dans le transfert entre les gaz chauds de la flamme et la paroi externe du récipient. La conduction à travers la paroi et les couches fluides très proches de celle-ci. La convection et aussi un peu la conduction au sien de la masse d’eau. Dès que l’échauffement devient suffisant, l’ébullition et ensuite la vaporisation interviennent et constituent des éléments essentiels de l’échange thermique. Comme dans l’exemple ci-dessus, la plupart des problèmes techniques qui se posent font intervenir une combinaison des différents modes de transferts. Toutefois, soit l’un des modes est prépondérant, et l’on néglige alors les autres, soit les différents modes ont une importance comparable, mais ils peuvent être découplés et traités séparément. Dans le cas où de telles approches ne sont pas possibles, il est nécessaire d’avoir recours à des méthodes de traitement numériques. 3
