Mécanisme de convection
Mécanisme de convection
En conduction thermique , l’ énergie est transférée sous forme de chaleur, en raison de la migration d’électrons libres ou d’ ondes de vibration du réseau ( phonons ). Il n’y a pas de mouvement de masse dans la direction du flux d’énergie. Le transfert de chaleur par conduction dépend de la «force» motrice de la différence de température. La conduction et la convection sont similaires en ce que les deux mécanismes nécessitent la présence d’un milieu matériel (par rapport au rayonnement thermique). Par contre, ils sont différents en ce que la convection nécessite la présence d’un mouvement fluide.
Il faut souligner qu’à la surface, le flux d’énergie se produit uniquement par conduction, même dans la conduction. En effet, il y a toujours une fine couche de film fluide stagnante sur la surface de transfert de chaleur. Mais dans les couches suivantes, il se produit des mouvements 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. Plus la vitesse de déplacement de la masse est élevée, plus la couche de film de fluide stagnant sera fine et plus le débit de chaleur sera élevé.
Il faut noter que l’ ébullition nucléée à la surface perturbe efficacement cette couche stagnante et qu’elle augmente donc considérablement la capacité d’une surface à transférer de l’énergie thermique à un fluide en vrac.
Comme il a été écrit, le transfert de chaleur à travers un fluide s’effectue par convection en présence d’un mouvement de masse et par conduction en l’absence de celui-ci. Par conséquent, la conduction thermique dans un fluide peut être considérée comme le cas limite de la convection, correspondant au cas du fluide au repos.
Convection comme conduction avec mouvement fluide
Certains experts ne considèrent pas la convection comme un mécanisme fondamental du transfert de chaleur car il s’agit essentiellement de la conduction de la chaleur en présence d’un mouvement de fluide. Ils considèrent qu’il s’agit d’un cas particulier de conduction thermique , appelé « conduction avec mouvement fluide ». D’autre part, il est pratique de reconnaître la convection en tant que mécanisme de transfert de chaleur séparé, malgré les arguments valables indiquant le contraire.
Le transfert de chaleur par convection est plus difficile à analyser que le transfert de chaleur par conduction car aucune propriété unique du milieu de transfert de chaleur, telle que la conductivité thermique , ne peut être définie pour décrire le mécanisme. Le transfert de chaleur par convection est compliqué par le fait qu’il implique un mouvement de fluide ainsi qu’une conduction de chaleur . Le transfert de chaleur par convection varie d’une situation à l’autre (selon les conditions d’écoulement du fluide), et il est fréquemment couplé avec le mode d’écoulement du fluide . En convection forcée, le taux de transfert de chaleur à travers un fluide est beaucoup plus élevé par convection que par conduction.En pratique, l’analyse du transfert de chaleur par convection est traitée empiriquement (par observation expérimentale directe). La plupart des problèmes peuvent être résolus en utilisant des nombres dits caractéristiques (par exemple le nombre de Nusselt ). Les nombres caractéristiques sont des nombres sans dimension utilisés pour décrire un caractère de transfert de chaleur et peuvent être utilisés pour comparer une situation réelle (par exemple le transfert de chaleur dans un tuyau) avec un modèle à petite échelle . L’expérience montre que le transfert de chaleur par convection dépend fortement des propriétés du fluide: viscosité dynamique , conductivité thermique , densité et chaleur spécifique , ainsi quevitesse du fluide . Elle dépend également de la géométrie et de la rugosité de la surface solide, en plus du type d’écoulement de fluide. Toutes ces conditions affectent notamment l’ épaisseur du film stagnant .
La convection implique le transfert de chaleur entre une surface à une température donnée ( paroi T ) et un fluide à une température globale (T b ). La définition exacte de la température globale (T b ) varie en fonction des détails de la situation.
- Pour un écoulement adjacent à une surface chaude ou froide, T b est la température du fluide «loin» de la surface.
- Pour l’ébullition ou la condensation, T b est la température de saturation du fluide.
- Pour l’écoulement dans une conduite, T b est la température moyenne mesurée à une section particulière de la conduite.
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