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Module de Thermique Page 1 sur 93 Pierre MARECHAL, Franck LEVASSORT Juillet 201

Module de Thermique Page 1 sur 93 Pierre MARECHAL, Franck LEVASSORT Juillet 2015 Licence Professionnelle MISP Module Thermique Université du Havre, IUT du Havre Département GEII Module de Thermique Page 2 sur 93 Contexte Isolation thermique  La notion d’échange thermique regroupe de nombreuses préoccupations liées aux applications en sciences et techniques : - Habitat :  isolation thermique, chauffage, stockage thermique,... Module de Thermique Page 3 sur 93 Contexte Echange thermique  La notion d’échange thermique regroupe de nombreuses préoccupations liées aux applications en sciences et techniques : - Industrie :  échangeur thermique, chauffage, four thermique,... Echangeurs thermiques industriels Module de Thermique Page 4 sur 93 Contexte Refroidissement thermique  La notion d’échange thermique regroupe de nombreuses préoccupations liées aux applications en sciences et techniques : - Micro-électronique :  échangeurs thermiques, refroidissement thermique,... Kits de refroidissement pour échangeur thermique de processeur Module de Thermique Page 5 sur 93  Effet Joule: [Eymard&Menot, Cours de Physique, 1967, p.90] Le principe de chauffage par effet Joule permet d’échanger de grandes quantités de chaleur libérées par unité de temps dans un milieu extérieur. Parmi les exemples cités (plaque électrique, ampoule à incandescence, radiateur électrique, moteur électrique, fusible, PC, TV, four électrique, fer à repasser, récepteur TNT, récepteur ADSL,...), citer ceux qui ont pour première vocation de chauffer, et ceux pour lesquels le chauffage est une conséquence indésirable. ..................................................... ..................................................... ..................................................... ..................................................... ..................................................... ..................................................... ..................................................... ..................................................... ..................................................... ..................................................... ..................................................... ..................................................... ..................................................... ..................................................... ..................................................... ..................................................... Contexte Chauffage par effet Joule Module de Thermique Page 6 sur 93 Introduction générale Conduction Convection Rayonnement Objet d’étude Environnement thermique Environnement thermique Module de Thermique Page 7 sur 93  Analogie entre le transfert de chaleur et le transport d’énergie électrique:  Le transport d’énergie électrique peut s’effectuer de deux manières différentes : - par contact,  sous forme de courant électrique, - à distance,  grâce aux ondes électromagnétiques.  Pour le transfert de chaleur, on recense également ces deux phénomènes : - par contact  c’est la conduction thermique, - à distance  c’est le rayonnement thermique.  Au cours du transport, une partie de l’énergie est perdue car le rendement n’est jamais parfait et se retrouve en pratique sous forme de chaleur (énergie dégradée).  Le deuxième principe de la thermodynamique nous dit que la chaleur (ou l’énergie thermique) "passe" d’un corps à température donné vers un autre à température plus basse. C’est l’objet d’étude des principes de transfert de chaleur.  Un transfert d’énergie peut s’effectuer de différentes manières : - par lignes électriques : Pe = U.I et Ee = Pe.t - par transmissions mécaniques : Pm = F.v et Em = Pm.t - sous forme d’énergie thermique :  m = k.S.grad(T) et Q = .t Introduction générale  On considère également un troisième mode de transfert d’énergie calorique qui est la convection thermique. Ce phénomène thermique inclut des mouvements de matière. Le déplacement de masse se couple au transfert de chaleur. Module de Thermique Page 8 sur 93  Application 1: Chambre de fusée Le transfert de chaleur se fait par les trois modes décrits précédemment :  La paroi s’échauffe à cause de l’écoulement des gaz avec frottements le long de la tuyère par convection.  La combustion des gaz de propulsion dans le foyer du réacteur entraîne un échauffement par rayonnement.  La chaleur se propage dans la paroi du propulseur et principalement dans le col par conduction. Introduction générale  Dans ce cours constitué de trois chapitres, nous allons étudier séparément ces trois modes d’échanges (conduction, convection et rayonnement), bien que la plupart du temps ces trois modes soient couplés. Module de Thermique Page 9 sur 93 Introduction générale  Application 2: Effet Joule [Eymard&Menot, Cours de Physique, 1967, p.90] Quand un conducteur (corps chaud) cède une certaine quantité de chaleur Q milieu ambiant (corps froid), l’énergie est transférée par:  Conduction, si le conducteur est au contact d’un solide, c’est-à-dire sans mouvement de matière.  Convection, c’est-à-dire par mouvement de matière si le conducteur est au contact d ’un fluide. Le déplacement de masse se couple au transfert de chaleur. Le fluide, chauffé par le conducteur, se dilate et sa densité diminue. Il s’élève pour être remplacé, au abords du conducteur, par une nouvelle couche de fluide "froid".  Rayonnement, si la température du conducteur est très élevée, il dissipe de l’énergie par rayonnement dans le milieu extérieur, sans nécessiter un milieu fluide ou solide en contact avec le conducteur. T0 R U I T1 R U I Text Text t = 0: t = t1: t (s) 0 T (°C) Tlim Enceinte calorifuge Enceinte réelle T0 t1 T1 Module de Thermique Page 10 sur 93 I Conduction thermique I.1. Généralités - Définitions I.2. Equation générale de la conduction I.3. Applications I.4. Mesures des conductivités thermiques II Convection thermique II.1. Lois de la convection thermique II.2. Ecoulement de la chaleur II.3. Applications III Rayonnement thermique III.1. Emission d’un corps III.2. Absorption et réflexion d’un corps III.3. Flux radiatifs Plan Module de Thermique Page 11 sur 93 I.1. Généralités - Définitions I.1.1 Champ de température - Surface isotherme I.1.2 Quantité de chaleur - Densité de flux thermique I.1.3 Source interne I.2. Equation générale de la conduction I.2.1 Loi de Fourier I.2.2 Bilan énergétique - 2ème loi de Fourier I.3. Applications I.3.1 Mur simple sans production de chaleur I.3.2 Mur simple en contact avec deux fluides I.4. Mesures des conductivités thermiques I.4.1 Mesure absolue I.4.2 Mesure relative Chapitre 1: Conduction thermique Module de Thermique Page 12 sur 93 Chapitre I: Conduction thermique I.1. Généralités - Définitions  Dans un solide homogène, toute propagation de chaleur est la conséquence d’une répartition non uniforme de température dans ce solide. Ainsi l’étude des transferts de chaleur se ramène à celle du champ des températures dans le matériau. On regarde une grandeur scalaire : la température T (x, y, z, t). I.1.1. Champ de température - Surface isotherme  Quand la température dépend du temps, on dit que le régime thermique est transitoire ou variable. Dans le cas contraire, on dit qu’il est permanent ou stationnaire.  Soit un solide homogène à l’intérieur duquel chaque point M du solide (régime stationnaire) peut être repéré par ses 3 coordonnées (x, y, z). On associe à chaque point une température T fonction de la position spatiale T = f (x, y, z). Cette fonction est continue. Chaque surface S où tous les points sont à la température T. est dite surface isotherme. t (s) 0 T (°C) Tlim Régime permanent T0 tr Régime transitoire Module de Thermique Page 13 sur 93 - Le flux thermique : puissance échangée par la surface S de la plaque :  D’une manière plus générale, pour un élément de surface dS orienté de normale unitaire n. Le flux élémentaire d peut être considéré comme le flux d’un vecteur  à travers dS d’où :  Supposons une plaque chauffée de manière uniforme sur toute sa surface S. Soit la quantité de chaleur dQ échangée entre la plaque et l’air environnant pendant le temps dt. On définit deux grandeurs caractéristiques de l’échange thermique : I.1.2. Quantité de chaleur - Densité de flux thermique - La densité de flux thermique : puissance échangée par unité de surface dQ dt  . dQ S dt  . . cos . d n dS dS       u r r M dS   u r n r  Le vecteur  représente la densité locale du flux thermique au point M. L’ensemble des vecteurs constitue un champ de vecteurs analogue à ceux rencontrés dans d’autres domaines de la physique, tel que le champ électrique en électrostatique ou le champ de vitesse en mécanique des fluides. avec Q en J, t en s et  en W (=J.s1) avec Q en J, t en s, S en m2 et et  en W/m2 Chapitre I: Conduction thermique Module de Thermique Page 14 sur 93  Remarque : A un instant t, si on trace les tangentes aux vecteurs densité de flux , on obtient les lignes de courant. Si de plus l’ensemble des lignes de courant s’appuie sur un contour fermé, on obtient un tube de courant.  Rappel : Grandeur Dimension Unité Masse m [M] kg Longueur l [L] m Temps t [T] s Vitesse v [L][T]–1 m.s–1 Force F=ma [M][L][T]–2 N Puissance P [M][L]2[T]–3 W Energie E [M][L]2[T]–2 J Chapitre I: Conduction thermique  Illustration : Le flux géothermique est la quantité d'énergie thermique dissipée par unité de surface terrestre et par unité de temps. En France: Lucazeau et Vasseur (1989) Vasseur (1982) moy  90 mW.m−2 Module de Thermique Page 15 sur 93 où k (ou ) est une propriété physique du matériau au point M que l’on appelle conductivité thermique du matériau.  Il existe une relation linéaire entre la densité de flux thermique et le gradient de température : c’est la première loi de Fourier : I.2. Equation générale de la conduction uploads/Finance/ cm1a3-transferts-thermiques.pdf