Calcul du Transfert de Chaleur par Convection
Comprendre le Transfert de Chaleur par Convection
Le transfert de chaleur par convection est l'un des trois modes fondamentaux de transfert thermique (avec la conduction et le rayonnement). Il se produit lorsqu'un fluide (liquide ou gaz) en mouvement entre en contact avec une surface solide à une température différente. La chaleur est alors échangée entre la surface et le fluide. Dans le contexte des bâtiments, la convection joue un rôle majeur dans les déperditions thermiques à travers les parois (échange avec l'air extérieur et l'air intérieur) et dans le fonctionnement des systèmes de chauffage (radiateurs, convecteurs). Le calcul du flux de chaleur par convection est essentiel pour évaluer ces échanges.
Données de l'étude
- Surface du mur (\(A\)) : \(12 \, \text{m}^2\)
- Température de la surface intérieure du mur (\(T_s\)) : \(17 \, ^\circ\text{C}\)
- Température de l'air ambiant intérieur (\(T_{\text{air_int}}\)) : \(20 \, ^\circ\text{C}\)
- Coefficient d'échange thermique par convection pour la surface intérieure du mur (\(h_{ci}\)) : \(8 \, \text{W/(m}^2\text{K)}\) (valeur typique pour convection naturelle en intérieur)
Schéma : Convection sur une Surface Murale Intérieure
Illustration du transfert de chaleur par convection entre l'air intérieur chaud et la surface plus froide d'un mur.
Questions à traiter
- Calculer la différence de température (\(\Delta T\)) entre l'air intérieur et la surface du mur.
- Calculer le flux de chaleur par convection par unité de surface (\(\phi_c\)) entre l'air et la surface du mur.
- Calculer la puissance thermique totale (\(\Phi_c\)) échangée par convection sur toute la surface du mur.
Correction : Calcul du Transfert de Chaleur par Convection
Question 1 : Différence de température (\(\Delta T\))
Principe :
La différence de température (\(\Delta T\)) est le moteur du transfert de chaleur par convection. La chaleur s'écoule de la zone la plus chaude (ici, l'air intérieur) vers la zone la plus froide (ici, la surface du mur). On calcule cette différence en soustrayant la température de la surface de la température de l'air.
Formule(s) utilisée(s) :
Données spécifiques :
- Température de l'air intérieur (\(T_{\text{air_int}}\)) : \(20 \, ^\circ\text{C}\)
- Température de la surface du mur (\(T_s\)) : \(17 \, ^\circ\text{C}\)
Calcul :
Question 2 : Flux de chaleur par convection par unité de surface (\(\phi_c\))
Principe :
Le flux de chaleur par convection par unité de surface (\(\phi_c\)) est la quantité de chaleur transférée de l'air vers le mur (ou vice-versa) pour chaque mètre carré de surface du mur, par seconde. Il est calculé en utilisant la loi de Newton du refroidissement (ou du réchauffement), qui stipule que ce flux est proportionnel au coefficient d'échange thermique par convection (\(h_{ci}\)) et à la différence de température (\(\Delta T\)) entre l'air et la surface.
Formule(s) utilisée(s) :
L'unité de \(\phi_c\) est le \(\text{W/m}^2\).
Données spécifiques :
- Coefficient de convection (\(h_{ci}\)) : \(8 \, \text{W/(m}^2\text{K)}\)
- Différence de température (\(\Delta T\)) : \(3 \, \text{K}\)
Calcul :
Quiz Intermédiaire 1 : Si \(h_c = 5 \, \text{W/(m}^2\text{K)}\) et \(\Delta T = 10 \, \text{K}\), le flux \(\phi_c\) est :
Question 3 : Puissance thermique totale (\(\Phi_c\)) échangée par convection
Principe :
La puissance thermique totale (\(\Phi_c\)) échangée par convection sur toute la surface du mur est la quantité totale de chaleur transférée de l'air au mur par seconde. Elle s'obtient en multipliant le flux de chaleur par convection par unité de surface (\(\phi_c\)) par la surface totale du mur (\(A\)). Si chaque mètre carré perd \(X\) Watts, alors une surface de \(Y\) mètres carrés perdra \(X \times Y\) Watts.
Formule(s) utilisée(s) :
Alternativement : \(\Phi_c = h_{ci} \times A \times \Delta T\). L'unité de \(\Phi_c\) est le Watt (W).
Données spécifiques :
- Flux de chaleur par convection (\(\phi_c\)) : \(24 \, \text{W/m}^2\)
- Surface du mur (\(A\)) : \(12 \, \text{m}^2\)
Calcul :
Quiz Intermédiaire 2 : Si \(\phi_c = 30 \, \text{W/m}^2\) et \(A = 15 \, \text{m}^2\), la puissance \(\Phi_c\) est :
Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)
1. Le coefficient d'échange thermique par convection \(h_c\) dépend :
2. Le flux de chaleur par convection est proportionnel à :
3. Si la vitesse de l'air sur une surface augmente, le coefficient \(h_c\) tend généralement à :
Glossaire
- Convection
- Mode de transfert de chaleur impliquant le mouvement d'un fluide (liquide ou gaz) qui transporte l'énergie thermique.
- Coefficient d'Échange Thermique par Convection (\(h_c\))
- Mesure de l'efficacité du transfert de chaleur par convection entre une surface solide et un fluide. Unité : \(\text{W/(m}^2\text{K)}\).
- Flux Thermique Surfacique (\(\phi_c\) ou \(q_c\))
- Quantité de chaleur transférée par convection par unité de surface et par unité de temps. Unité : \(\text{W/m}^2\).
- Puissance Thermique (\(\Phi_c\))
- Quantité totale de chaleur transférée par convection par unité de temps sur une surface donnée. Unité : Watts (W).
- Différence de Température (\(\Delta T\))
- Écart de température entre la surface et le fluide, qui est le moteur du transfert de chaleur par convection.
- Nombre de Reynolds (\(Re\))
- Nombre sans dimension utilisé pour caractériser le régime d'écoulement d'un fluide (laminaire ou turbulent).
- Nombre de Nusselt (\(Nu\))
- Nombre sans dimension qui représente le rapport du transfert de chaleur convectif au transfert de chaleur conductif à travers une couche de fluide.
- Nombre de Prandtl (\(Pr\))
- Nombre sans dimension qui compare la diffusivité de quantité de mouvement (viscosité) à la diffusivité thermique.
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