L’énergie thermique transférée entre une surface et un fluide en mouvement ayant des températures différentes – est connue sous le nom de convection.
En réalité, il s’agit d’une combinaison de diffusion et de mouvement en vrac des molécules. Près de la surface, la vitesse du fluide est faible, et la diffusion domine. A distance de la surface, le mouvement de masse augmente l’influence et domine.
Le transfert thermique par convection peut être
- une convection forcée ou assistée
- naturelle ou libre. convection
- Transfert de chaleur par conduction
Convection forcée ou assistée
La convection forcée se produit lorsqu’un écoulement de fluide est induit par une force externe, comme une pompe, un ventilateur ou un mélangeur.
Convection naturelle ou libre
La convection naturelle est provoquée par les forces de flottabilité dues aux différences de dens ité causées par les variations de température du fluide. Lors du chauffage, le changement de densité dans la couche limite va faire monter le fluide et être remplacé par un fluide plus froid qui va également chauffer et monter. Ce phénomène continu est appelé convection libre ou naturelle.
Les processus de bouillonnement ou de condensation sont également appelés processus de transfert de chaleur par convection.
- Le transfert de chaleur par unité de surface par convection a été décrit pour la première fois par Newton et la relation est connue sous le nom de loi de refroidissement de Newton.
L’équation de la convection peut être exprimée comme suit :
q = hc A dT (1)
où
q = chaleur transférée par unité de temps (W, Btu/hr)
A = aire de transfert de chaleur de la surface (m2, ft2)
hc = coefficient de transfert de chaleur par convection du processus (W/(m2oC, Btu/(ft2 h oF))
dT = différence de température entre la surface et le fluide de masse (oC, F)
Coefficients de transfert de chaleur – Unités
- 1 W/(m2K) = 0.85984 kcal/(h m2 oC) = 0,1761 Btu/(ft2 h oF)
- 1 Btu/(ft2 h oF) = 5,678 W/(m2 K) = 4,882 kcal/(h m2 oC)
- 1 kcal/(h m2 oC) = 1,163 W/(m2K) = 0.205 Btu/(ft2 h oF)
-
Coefficients globaux de transfert de chaleur
Coefficients de transfert de chaleur par convection
Les coefficients de transfert de chaleur par convection – hc – dépendent du type de milieu, si c’est un gaz ou un liquide, et des propriétés d’écoulement telles que la vitesse, la viscosité et d’autres propriétés dépendant de l’écoulement et de la température.
Coefficients de transfert de chaleur par convection typiques pour certaines applications courantes d’écoulement de fluide :
- Convection libre – air, gaz et vapeurs sèches : 0.5 – 1000 (W/(m2K))
- Convection libre – eau et liquides : 50 – 3000 (W/(m2K))
- Convection forcée – air, gaz et vapeurs sèches : 10 – 1000 (W/(m2K))
- Convection forcée – eau et liquides : 50 – 10000 (W/(m2K))
- Convection forcée – métaux liquides : 5000 – 40000 (W/(m2K))
- Eau bouillante : 3.000 – 100.000 (W/(m2K))
- Vapeur d’eau en condensation : 5.000 – 100.000 (W/(m2K))
- Coefficients de transfert de chaleur de l’échangeur de chaleur
Coefficient de transfert de chaleur par convection pour l’air
Le coefficient de transfert de chaleur par convection pour le flux d’air peut être approximé à
hc = 10.45 – v + 10 v1/2 (2)
où
hc = coefficient de transfert de chaleur (kCal/m2h°C)
v = vitesse relative entre la surface de l’objet et l’air (m/s)
Puisque
1 kcal/m2h°C = 1.16 W/m2°C
– (2) peut être modifié en
hcW = 12,12 – 1,16 v + 11,6 v1/2 (2b)
où
hcW = coefficient de transfert thermique (W/m2°C)
Note ! – cette équation est empirique et peut être utilisée pour des vitesses de 2 à 20 m/s.
- Écoulement d’air convectif à partir d’une seule source de chaleur
Exemple – Transfert de chaleur par convection
Un fluide s’écoule sur une surface plane de 1 m sur 1 m. La température de la surface est de 50oC, la température du fluide est de 20oC et le coefficient de transfert de chaleur par convection est de 2000 W/m2oC. Le transfert de chaleur par convection entre la surface la plus chaude et l’air le plus froid peut être calculé comme suit
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