transmission de chaleur - Université de Sherbrooke

THERMOFLUIDE II
(TRANSMISSION DE CHALEUR)
IMC 220
INTRODUCTION
Marcel Lacroix
Université de Sherbrooke
INTRODUCTION
1. OBJECTIFS POURSUIVIS
2. THERMODYNAMIQUE vs
TRANSFERT DE CHALEUR
3. CONDUCTION
4. CONVECTION
5. RAYONNEMENT
6. CONSERVATION D’ÉNERGIE
M. Lacroix
Introduction
2
1. OBJECTIFS POURSUIVIS
1. Favoriser le transfert de chaleur.
2. Freiner le transfert de chaleur.
3. Contrôler l’environnement
thermique.
M. Lacroix
Introduction
FAVORISER LE TRANSFERT DE CHALEUR
Refroidissement de composants mécaniques
M. Lacroix
Introduction
4
FAVORISER LE TRANSFERT DE CHALEUR
Refroidissement de composants électroniques
M. Lacroix
Introduction
5
FAVORISER LE TRANSFERT DE CHALEUR
Échangeurs de chaleur
M. Lacroix
Introduction
6
FAVORISER LE TRANSFERT DE CHALEUR
Centrale nucléaire
M. Lacroix
Introduction
7
FAVORISER LE TRANSFERT DE CHALEUR
Évacuation naturelle de chaleur
M. Lacroix
Introduction
8
FREINER LE TRANSFERT DE CHALEUR
Isolants
M. Lacroix
Introduction
9
FREINER LE TRANSFERT DE CHALEUR
Aérogel: 99% air
Tuiles réfractaires
Super isolants
M. Lacroix
Introduction
10
CONTRÔLER L’ENVIRONNEMENT
THERMIQUE
M. Lacroix
Introduction
11
CONTRÔLER L’ENVIRONNEMENT
M. Lacroix
Introduction
12
CONTRÔLER L’ENVIRONNEMENT
M. Lacroix
Introduction
13
CONTRÔLER L’ENVIRONNEMENT
M. Lacroix
Introduction
14
2. THERMODYNAMIQUE vs
TRANSMISSION DE CHALEUR
• Thermodynamique:
État initial puis état final.
Quantité de chaleur transmise (J).
• Transmission de chaleur:
Comment la chaleur est transmise.
Aspect transitoire.
Distribution des températures.
M. Lacroix
Introduction
15
TRANSFERT DE CHALEUR:
COMMENT LA CHALEUR EST
TRANSMISE (W)
CONCEPTION DE
SYSTÈMES THERMIQUES
MÉCANIQUE DES FLUIDES:
CALCUL DES FORCES ET
PERTES DE CHARGE (N)
THERMODYNAMIQUE:
COMBIEN DE CHALEUR
ET DE TRAVAIL (J/kg)
M. Lacroix
Introduction
16
TRANSMISSION DE CHALEUR
• La chaleur est de l’énergie cinétique
désordonnée.
• En général, la chaleur est transmise
seulement si il existe un gradient de
température.
• Trois principaux phénomènes du transfert
de chaleur: Conduction, convection et
rayonnement.
M. Lacroix
Introduction
17
3. CONDUCTION: DÉFINITION
Phénomène par lequel la chaleur est
transmise par le mouvement moléculaire
(fluides) ou la vibration des atomes
(solides).
M. Lacroix
Introduction
18
CONDUCTION: LOI DE FOURIER
dT kA(T1 − T2 )
=
q x = − kA
dx
L
q x: puissance transférée (W)
T : température (K)
x : coordonnée (m)
A : surface traversée (m2)
k : conductivité thermique (W/mK)
M. Lacroix
Introduction
19
CONDUCTION: REMARQUES
• Comme toutes les lois, la loi de Fourier est
basée sur l’observation expérimentale.
q
''
• Flux de chaleur: q = A (W/m2)
•
k
M. Lacroix
: Propriété physique tabulée (W/mK)
Introduction
20
CONDUCTIVITÉ THERMIQUE k
SUBSTANCE
Cuivre
Aluminium
Contre plaqué
Brique
Polystyrène
Coton
Air
Glace
Neige
Muscle
Gras
k (W/mK)
401
237
0.12
0.72
0.04
0.06
0.025
1.9
0.05
0.4
0.2
21
CONDUCTIVITÉ THERMIQUE
M. Lacroix
Introduction
22
4. CONVECTION: DÉFINITION
• Phénomène de transmission de
chaleur engendré par le mouvement
d’un fluide.
• Trois types de convection: convection
forcée, convection naturelle et
convection mixte.
M. Lacroix
Introduction
23
CONVECTION: LOI DE NEWTON
q c = h A(TS − T∞ )
OU
q = h(TS − T∞ )
''
c
q c :puissance transférée (W)
q c'' :flux de chaleur = qc / A W/m2
A :surface traversée (m2)
Ts :température de la surface (K)
T∞ :température moyenne du fluide (K)
h :coefficient moyen de transfert (W/m2K)
M. Lacroix
Introduction
24
CONVECTION: COEFFICIENT h
h : Paramètre estimé empiriquement
dépendant du type de fluide et de l’écoulement.
Convection
Fluide
h (W/m2K)
naturelle
air
5-25
naturelle
eau
20-100
forcée
air
10-200
forcée
eau
50-10000
ébullition
eau
3000-100000
condensation
eau
5000-100000
Ordre de
grandeur du
coefficient de
convection h
25
5. RAYONNEMENT: DÉFINITION
Phénomène de transmission de chaleur
par ondes électromagnétiques.
M. Lacroix
Introduction
26
RAYONNEMENT:
LOI DE STEFAN-BOLTZMANN
q r = σεA(T − T ) : puissance transférée (W)
4
s
4
sur
A :surface traversée (m2)
Ts :température de la surface (K)
Tsur :température des surfaces autour (K)
ε :émissivité de la surface
σ = 5.67 ⋅ 10 W / m K
−8
M. Lacroix
2
4
Introduction
Constante de Stefan
Boltzmann
27
EXEMPLE: RAYONNEMENT+CONVECTION
q =q
''
''
rad
M. Lacroix
+q
''
conv
= σε (T − T ) + h(Ts − T∞ )
4
s
Introduction
4
sur
28
RAYONNEMENT: PROPRIÉTÉS
Substance
Aluminium poli
Aluminium anodisé
Béton
Brique
Asphalte
Peinture noire
Peinture blanche
Neige
Absorptivité
Solaire α
0.09
0.14
0.60
0.63
0.90
0.98
0.16
0.13
Émissivité
ε (300K)
0.03
0.84
0.88
0.93
0.90
0.98
0.93
0.82
α /ε
3.00
0.17
0.68
0.68
1.00
1.00
0.17
0.16
29
EXEMPLE: CONDUCTION +
CONVECTION + RAYONNEMENT
M. Lacroix
Introduction
30
6. CONSERVATION DE L’ÉNERGIE:
PREMIÈRE LOI DE LA
THERMODYNAMIQUE
M. Lacroix
Introduction
31
CONSERVATION DE L’ÉNERGIE:
VOLUME
DE CONTRÔLE
•
•

m in (kg / s ); 
hin ( J / kg );

 2

 v 

 2  ( J / kg );
  in

( gz )in ( J / kg ); 
•
Q v .c



hout ( J / kg );

 2

 v 


 2  ( J / kg );

  out
( gz )out ( J / kg ); 
W v.c m• (kg / s);
 out
V.C.
•
•
•
•
v
v
 dE 
+ gz ) in − m out (h +
+ gz ) out
 = Q v.c. − W v.c. + m in (h +

2
2
 dt  v.c.
2
M. Lacroix
Introduction
2
32
CONSERVATION DE L’ÉNERGIE:
DÉFINITIONS
Ev.c. = U + E.C. + E.P.
Énergie
interne (J)
Énergie totale (J)
•
•
Énergies cinétique et
potentielle (J)
•
•
Q v.c. = E in − E out + E g
Puissance thermique ajoutée et
retranchée à travers les
surfaces du V.C. par
conduction et/ou convection
et/ou rayonnement (W)
M. Lacroix
Puissance thermique générée
au sein du V.C. (source
électrique, biologique,
chimique, nucléaire et/ou
friction) (W)
Introduction
33
CONSERVATION DE L’ÉNERGIE:
CAS SIMPLIFIÉ
• Régime établi:
 dE 
 =0

 dt  v.c.
•
•
v2
v2
0 = Q v.c. − W v.c. + m in (h +
+ gz ) in − m out (h +
+ gz ) out
2
2
M. Lacroix
•
•
Introduction
34
CONSERVATION DE L’ÉNERGIE:
CAS SIMPLIFIÉ
• Aucun travail mécanique et aucun écoulement
à travers les surfaces du volume de contrôle:
•
•
•
W v.c. = 0; m in = m out = 0
•
•
•
•
v
v
 dE 
+ gz ) in − m out (h +
+ gz ) out

 = Q v.c. − W v.c. + m in (h +
2
2
 dt  v.c.
2
2
•
•
•
 dE 
 = E in − E out + E g

 dt  v.c.
M. Lacroix
Introduction
35
CONSERVATION DE L’ÉNERGIE:
CAS SIMPLIFIÉ
• Aucun travail mécanique, aucun écoulement à
travers les surfaces du volume de contrôle et
régime établi:
•
•
•
W v.c. = 0; m in = m out
 dE 
= 0; 
 =0
 dt  v.c.
v
v
 dE 
  = Q v.c. − W v.c. + m in (h + + gz ) in − m out (h + + gz ) out
2
2
 dt  v.c.
•
•
•
•
2
•
•
2
•
0 = E in − E out + E g
M. Lacroix
Introduction
36
CONSERVATION DE L’ÉNERGIE:
CAS SIMPLIFIÉ
• Surface seulement, aucun écoulement et
régime établi:
•
•
•
W v.c. = 0; m in = m out
•
 dE 
= 0; 
 = 0; E g = 0
 dt  v.c.
2
2
•
•
•
•
dE
v
v


+ gz ) in − m out (h +
+ gz ) out

 = Q v.c. − W v.c. + m in (h +
2
2
 dt  v.c.
•
•
0 = E in − E out
M. Lacroix
Introduction
37
EXEMPLE: MOTEUR À COMBUSTION INTERNE
1- E.C. et E.P. négligeables;
2- Chaleur sensible accumulée dans le bloc moteur;
3- Chaleur évacuée du moteur par caloporteur;
4- Chaleur générée par combustion d’hydrocarbures
= enthalpie de combustion.
•
•
•
•
v
v
 dE 
+ gz ) in − m out (h +
+ gz ) out
 = Q v.c. − W v.c. + m in (h +

2
2
 dt  v.c.
2
2
•
•
 d ( M mot C P T ) 



 = −UAmot (T mot − T calo ) − W mot + m fuel  ∑ ni hi − ∑ ne he 
produits
dt
réactifs

 mot

(+ chaleur des gaz d’échappement +
convection dans l’air + rayonnement)
M. Lacroix
Introduction
(C8H18+AIR) (CO2+H2O+…)
38
EXEMPLE: CORPS HUMAIN
1- E.C. et E.P. négligeables;
2- Chaleur sensible accumulée dans le corps;
3- Chaleur évacuée du corps par respiration,
transpiration, convection et rayonnement;
4- Chaleur générée par combustion d’hydrates de
carbone au sein du corps.
•
•
•
•
v
v
 dE 
+ gz ) in − m out (h +
+ gz ) out
 = Q v.c. − W v.c. + m in (h +

2
2
 dt  v.c.
2
2
•
•
•
•
•
•
•
 d ( MC P T ) 
= Q metab − Q evapo − Q convec − Q rayon − W corps + m air (hair ,in − hair ,out ) − m eau (heau ,out )


dt

 corps
M. Lacroix
Introduction
39
À PROPOS DES PROPRIÉTÉS TABULÉES…
ATTENTION:
M. Lacroix
T = 300 K ,ν = 550 ⋅ 10 m / s
−6
Introduction
2
40