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Coefficient de convection thermique

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Le coefficient de convection thermique ou coefficient de transfert par convection est un coefficient de transfert thermique.

Il permet de quantifier un transfert de chaleur réalisé par un phénomène de convection au sein d'un fluide en mouvement (contre une paroi froide ou chaude, ou au dessus d'une étendue d'eau par exemple).

Unité de mesure[modifier | modifier le code]

Le coefficient de convection thermique h s'exprime en watt par mètre carré-kelvin[1] \mathrm{(W.m^{-2}.K^{-1})}.

Enjeux[modifier | modifier le code]

Tout fluide (l'air par exemple) a des propriétés de masse volumique qui évoluent avec la température et la pression. Ainsi un air à 40°C est plus léger que de l’air à 10°C. Un fluide en contact avec une surface chaude ou froide va ainsi tendre respectivement à monter ou descendre le long de la paroi, en engendrant des courants de convection dans le volume d'air.

Ces convections entrainent des transports de chaleur et le cas échéant des transferts d'humidité ou des mouvements de particules en suspension dans l'air (odeur, poussières, etc.) et peuvent être ressentis quand ils sont significatifs, à l'intérieur ou à l'extérieur d'un bâtiment.

Le coefficient de convection thermique est un des paramètres à renseigner dans certains outils logiciels de simulation informatique dynamique du bâtiment[2]. Il peut avoir une importance significative dans les systèmes de chauffage, évaporation ou séchage convectifs[3], ou encore en matière de gestion et d'économies d'énergie, ou de gestion des problèmes de condensation.

Éléments de définition[modifier | modifier le code]

Ce coefficient régit les transferts thermiques par convection à proximité d'une surface d'échange. Il permet d'établir une résistance thermique de convection

Ce coefficient dépend de la nature du fluide, de la température de celui-ci ainsi que du type d'écoulement.
Il ne peut donc être utilisé pour calculer le transfert thermique au travers d'une paroi par conduction qui est régi par la conductivité thermique et qui dépend de l'épaisseur de la paroi.

Pour un transfert au travers plusieurs éléments différents, le coefficient de transfert thermique global est d'application. Un cas limite est celui d'une convection (naturelle ou forcée) au sein d'une couche poreuse, qui met en jeu un Coefficient de transfert solide-fluide [4]

On notera que selon la définition ci-dessus, l'utilisation du terme « convectif » est abusif dans le sens que le transfert décrit implique de la conduction au niveau du liquide se situant à proximité de la paroi où la vitesse perpendiculaire à la paroi du fluide est nulle[5].

Convection thermique[modifier | modifier le code]

La convection thermique décrit le transfert de chaleur dans des milieux fluides associé à un transfert de matière.

Résistance thermique de convection[modifier | modifier le code]

La résistance thermique de convection est donnée par R_{cv} = \frac{1}{h.S} , en kelvin par watt

Flux thermique à la surface de la paroi[modifier | modifier le code]

Au contact d'une paroi solide, le flux de chaleur entre le fluide à la surface de la paroi et le reste du fluide est donné par :

 \varphi = h \times (T_p - T_f)

 {\Phi} = h \times S \times (T_p - T_f)

avec :

Ordres de grandeur[modifier | modifier le code]

Pour une paroi verticale avec un écoulement naturel d'air et avec des températures proches de la température ambiante (300 K), l'ordre de grandeur du coefficient de convection thermique est de 10 (W.m^{-2}.K^{-1}).

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. Magdeleine Moureau. Guide pratique pour le système international d'unités (SI). Editions TECHNIP, 1996. Consulter en ligne
  2. SimBa (Simulation multiphysique du bâtiment), Newsletter n°5 - Juin 2013
  3. Mennouche D (2013) Valorisation des produits agro-alimentaires et des plantes médicinales par les procédés de séchage solaire (Doctoral dissertation).
  4. Combarnous M & Bories S (1974) Modélisation de la Convection Naturelle au sein d'une Couche Poreuse Horizontale a l'aide d'un Coefficient de Transfert Solide-Fluide. International Journal of Heat and Mass Transfer, 17(4), 505-515.
  5. « Cours de phénomène de transfert, EPFL » (consulté le 10 décembre 2011)

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Lien externe[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • Bettermann D (1966) Contribution a l’étude de la convection forcée turbulente le long de plaques rugueuses. International Journal of Heat and Mass Transfer, 9(3), 153-164 (résumé).
  • Khaled HA. (2008) La convection mixte dans un espace annulaire entre deux cylindres concentriques Université de Mentouri. Constantine.
  • Laoun B & Serir L (2007) Corrélations sur le Coefficient de Transfert de Chaleur dans un Évaporateur à Film Raclé. 13èmes Journées Internationales de Thermique.