Facteur U – Coefficient de transfert de chaleur global
Un grand nombre des processus de transfert de chaleur rencontrés dans l’industrie impliquent des systèmes composites et même une combinaison de conduction et de convection . Avec ces systèmes composites, il est souvent commode de travailler avec un coefficient global de transfert de chaleur, connu comme un facteur U . Le facteur U est défini par une expression analogue à la loi de Newton sur le refroidissement :
Le coefficient de transfert de chaleur global est lié à la résistance thermique totale et dépend de la géométrie du problème. Par exemple, le transfert de chaleur dans un générateur de vapeur implique la convection de la majeure partie du liquide de refroidissement du réacteur vers la surface du tube interne du générateur de vapeur, la conduction à travers la paroi du tube et la convection (ébullition) de la surface du tube externe vers le fluide du côté secondaire.
En cas de transfert de chaleur combiné pour un échangeur de chaleur, il existe deux valeurs pour h. Il existe un coefficient de transfert de chaleur par convection (h) pour le film de fluide à l’intérieur des tubes et un coefficient de transfert de chaleur par convection pour le film de fluide à l’extérieur des tubes. La conductivité thermique (k) et l’épaisseur (Δx) de la paroi du tube doivent également être prises en compte.
Coefficient de transfert de chaleur global – Mur plat
Coefficient de transfert de chaleur global – tubes cylindriques
Le transfert de chaleur régulier à travers des coques cylindriques ou sphériques multicouches peut être géré de la même manière que des parois planes multicouches.
Conductivité thermique
Les caractéristiques de transfert de chaleur d’un matériau solide sont mesurées par une propriété appelée conductivité thermique , k (ou λ), mesurée en W / mK . Il s’agit d’une mesure de la capacité d’une substance à transférer de la chaleur à travers un matériau par conduction. Notez que la loi de Fourier s’applique à toute matière, quel que soit son état (solide, liquide ou gaz), elle est donc également définie pour les liquides et les gaz.
La conductivité thermique de la plupart des liquides et solides varie avec la température. Pour les vapeurs, cela dépend aussi de la pression. En général:
La plupart des matériaux sont très homogènes, nous pouvons donc généralement écrire k = k (T) . Des définitions similaires sont associées aux conductivités thermiques dans les directions y et z (k y , k z ), mais pour un matériau isotrope, la conductivité thermique est indépendante de la direction de transfert, k x = k y = k z = k.
De l’équation précédente, il s’ensuit que le flux de chaleur de conduction augmente avec l’augmentation de la conductivité thermique et augmente avec l’augmentation de la différence de température. En général, la conductivité thermique d’un solide est supérieure à celle d’un liquide, qui est supérieure à celle d’un gaz. Cette tendance est due en grande partie aux différences d’ espacement intermoléculaire pour les deux états de la matière. En particulier, le diamant a la dureté et la conductivité thermique les plus élevées de tous les matériaux en vrac.
Coefficient de transfert de chaleur par convection
Comme on peut le voir, la constante de proportionnalité sera cruciale dans les calculs et elle est connue comme le coefficient de transfert de chaleur convectif , h . Le coefficient de transfert de chaleur par convection, h, peut être défini comme:
Le taux de transfert de chaleur entre une surface solide et un fluide par unité de surface par unité de différence de température.
Le coefficient de transfert de chaleur convectif dépend des propriétés physiques du fluide et de la situation physique. Le coefficient de transfert de chaleur convectif n’est pas une propriété du fluide. Il s’agit d’un paramètre déterminé expérimentalement dont la valeur dépend de toutes les variables influençant la convection telles que la géométrie de la surface , la nature du mouvement du fluide , les propriétés du fluide et la vitesse du fluide en vrac .
Typiquement, le coefficient de transfert de chaleur par convection pour un écoulement laminaire est relativement faible par rapport au coefficient de transfert de chaleur par convection pour un écoulement turbulent . Cela est dû à un écoulement turbulent ayant une couche de film fluide stagnante plus mince sur la surface de transfert de chaleur.
Il est à noter que cette couche de film fluide stagnant joue un rôle crucial pour le coefficient de transfert thermique convectif. On observe que le fluide s’arrête complètement à la surface et prend une vitesse nulle par rapport à la surface. Ce phénomène est connu sous le nom de condition antidérapante et donc, à la surface, le flux d’énergie se produit uniquement par conduction. Mais dans les couches suivantes, il se produit à la fois un mouvement de conduction et de diffusion-masse au niveau moléculaire ou au niveau macroscopique. En raison du mouvement de masse, le taux de transfert d’énergie est plus élevé.
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