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1 S.BENSAADA M.T.BOUZIANE TRANSFERT DE CHALEUR 2 SOMMAIRE 1 . M O D E S D E C O

1 S.BENSAADA M.T.BOUZIANE TRANSFERT DE CHALEUR 2 SOMMAIRE 1 . M O D E S D E C O N D U C T I O N … … … … … … … … … … … … … … . . . . 4 2 . C O ND UCTIO N UN IDI MEN TIO NN ELLE EN REG IME P E R M A N E N T … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … . . … . 2 5 3. C O ND U CTIO N B ID IM ENT IO NN E LLE E N R E G I M E P E R M A N E N T … … … … … … … … … … … … … … … . . … … . 4 5 4. CONDUCTION EN REGIME TRANSITOIRE … … … … … … … … 5 2 5 . R A Y ON N E MEN T TH ER MI QU E … … … … … … … … … … … … … … . 5 6 6. RELATION NUMERIQUE EN CONVECTION FORCEE…………………………...72 7. NOTIONS DE CONVECTION LIBRE … … … … … … … … … … . . … . . 7 5 8.TRANSFERT THERMIQUE AVEC C H AN G E MENT D E P H AS E . 7 7 9. NOTIONS SUR LES ECHANGEURS TUBULAIRES………………………………79 10. MACHIN ES THER MIQ UES … … … … … … … … … … … … … … … … . . 9 3 3 PREFACE Les multiples procédés utilisés dans l'industrie sont très souvent le siège d'échanges de chaleur, soit parce que c'est le but recherché (fours, coulée, échangeurs, thermoformage, induction, lits fluidisés, trempe, refroidissement), soit parce que ceux-ci interviennent d'une manière inévitable (chocs thermiques, pertes de chaleurs, rayonnement). A la différence de le thermodynamique, la thermocinétique fournit des informations sur le mode de transfert en situation de non équilibre ainsi que sur les valeurs de flux de chaleur. La thermodynamique établit les conditions de cette transmission de chaleur et détermine les conséquences qui en résultent, mais elle ne se préoccupe pas de la vitesse de cette transmission. Des connaissances de base en ce domaine sont donc nécessaires à l'ingénieur de production ou de développement pour : - Comprendre les phénomènes physiques qu'il observe - Maîtriser les procédés et donc la qualité des produits. Les co-auteurs 4 1. MODES DE CONDUCTION 1.1. Généralités Les multiples procédés utilisés dans l'industrie sont très souvent le siège d'échanges de chaleur, soit parce que c'est le but recherché (fours, coulée, échangeurs, thermoformage, induction, lits fluidisés, trempe, refroidissement), soit parce que ceux-ci interviennent d'une manière inévitable (chocs thermiques, pertes de chaleurs, rayonnement). Des connaissances de base en ce domaine sont donc nécessaires à l'ingénieur de production ou de développement pour : - Comprendre les phénomènes physiques qu'il observe. - Maîtriser les procédés et donc la qualité des produits. Le deuxième principe de la thermodynamique admet que la chaleur (ou énergie thermique) ne peut passer que d'un corps chaud vers un corps froid, c'est-à-dire d'un corps à température donnée vers un autre à température plus basse, donc Un transfert de chaleur qu'il convient d'appeler transfert thermique ou transfert par chaleur est un transit d'énergie sous forme microscopie désordonnée. Deux corps ayant la même température sont dits en « équilibre thermique ». Si leur température est différente, le corps le plus chaud cède de l'énergie au corps le plus froid : il y a transfert thermique, ou par chaleur. L'étude des transferts thermiques complète l'étude de la thermodynamique en décrivant la manière dont s'opère le transfert d'énergie. A la différence de le thermodynamique, la thermocinétique fournit des informations sur le mode de transfert en situation de non équilibre ainsi que sur les valeurs de flux de chaleur. La thermodynamique établit les conditions de cette transmission de chaleur et détermine les conséquences qui en résultent, mais elle ne se préoccupe pas de la vitesse de cette transmission. En thermodynamique classique, les transformations réversibles supposent essentiellement le voisinage de l'équilibre et par conséquent, les échanges ne peuvent s'effectuer qu'entre corps à températures très voisines 5 1.2. Modes de transfert thermiques De tous temps, les problèmes de transmission d'énergie, et en particulier de la chaleur, ont eu une importance déterminante pour l'étude et le fonctionnement d'appareils tels que les générateurs de vapeur, les fours, les échangeurs, les évaporateurs, les condenseurs, etc., mais aussi pour des opérations de transformations chimiques. En effet, dans certains systèmes réactionnels, c'est la vitesse des échanges de chaleur et non la vitesse des réactions chimiques qui détermine le coût de l'opération (cas de réactions fortement endo- ou exothermique). En outre, de nos jours, par suite de l'accroissement relatif du prix de revient de l'énergie, on recherche dans tous les cas à obtenir le rendement maximal d'une installation pour une dépense d'énergie minimale. Les problèmes de transfert de chaleur sont nombreux, et on peut essayer de les différencier par les buts poursuivis dont les principaux sont: • L'augmentation de l'énergie transmise ou absorbée par une surface, • L'obtention du meilleur rendement d'une source de chaleur, • La réduction ou l'augmentation du passage d'un débit de chaleur d'un milieu à un autre. Le potentiel qui provoque le transport et le transfert de l'énergie thermique est la température. Si deux points matériels placés dans un milieu thermiquement isolé sont à la même température, on peut affirmer qu'il n'existe aucun échange thermique global entre ces deux points dits en équilibre thermique (il s'agit bien d'un équilibre thermique car chacun des points matériels émet une énergie thermique nette de même module, mais de signe opposé).Le transfert de chaleur au sein d'une phase où, plus généralement, entre deux phases, se fait suivant 3 modes: - Par conduction. - Par rayonnement. - ET par convection. 1.2.1. Transfert par conduction 1- Soit par contact: c'est la conduction thermique; On chauffe l'extrémité d'une tige métallique. La chaleur se propage dans la tige. On dit qu'il y a conduction lorsque la chaleur (transport d'énergie) se propage sans transport de matière. 6 • On sait que : - Les molécules/atomes sont en perpétuelle agitation thermique. • Oscillations autour des positions d'équilibre (solides, liquides). • Déplacements désordonnés (gaz). - À cette agitation thermique est associée une énergie (d'agitation thermique) proportionnelle à la température T. - Les molécules sont en perpétuelle interaction les unes avec les autres; au cours de ces chocs, elles échangent de l'énergie; une molécule "excitée" peut ainsi perdre un peu de son énergie au profit de ses voisines avec lesquelles elle interagit (fig.1). • Ainsi : - La molécule 1 va choquer la molécule 2 et globalement lui céder une partie de son énergie. - La molécule 2 va choquer la molécule 3, etc. • Une partie de l'énergie de la molécule 1 va donc être transférée vers la droite, vers les molécules moins excitées (donc de température inférieure) et ceci sans déplacement de cette molécule 1. - D'où un transfert de chaleur, dans la matière, sans transfert de matière • NOTA : 1. Les molécules effectuent un très grand nombre de chocs, les transferts ci-dessus sont donc des bilans sur l'ensemble des chocs. Fig.1 7 2. des molécules de même excitation (donc de même température) échangent de l'énergie lors des chocs, mais le bilan global est nul (transferts équivalents de chaque côté). Seul-e la conduction assure un bon transfert de chaleur à travers les solides. Par exemple, lorsqu'on chauffe un barreau métallique à l'une de ses extrémités, l'autre extrémité s'échauffe progressivement. Si l'on chauffe suffisamment longtemps, l'objet métallique aura la même température en tout point. La chaleur s'est propagée à partir de l'extrémité chauffée dans tout le reste du matériau. Le barreau métallique a "conduit"de la chaleur : cette propriété s'appelle la conduction thermique. Si l'on arrête subitement de chauffer l'extrémité du barreau métallique, la température diminuera progressivement puis le barreau retrouvera sa température initiale en l'occurrence celle de l'air ambiant. La chaleur transmise à travers les murs ou le plancher d'une maison se fait par conduction thermique. Les bons conducteurs de chaleur sont souvent de bons conducteurs électriques. Dans les métaux, la conduction fait intervenir les électrons libres qui les rendent bons conducteurs de la chaleur. En revanche dans les isolants, la conduction se fait mal. En résumé, il y a une forte correspondance entre les propriétés thermiques et électriques des solides. La conduction s'observe aussi dans des fluides au repos mais elle est beaucoup plus faible que dans un métal. De plus, elle est souvent dominée par la convection. (par exemple pour le calcul des déperditions à travers une parois) paroi plane : paroi cylindrique : Ou: Φ = quantité de chaleur en Watt, λ = Coeff. de conduction du matériaux en W/m.K S = surface du matériaux en m², T = écart de température entre les 2 parois en °C ou K l = longueur de la uploads/Finance/ transfert-de-chaleur.pdf