Coefficient de transfert thermique

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Le coefficient de transfert thermique ou coefficient de transmission thermique est un coefficient quantifiant le flux d'énergie traversant un milieu, par unité de surface, de volume ou de longueur. L'inverse de coefficient de transfert thermique est la résistance thermique. C'est un terme important dans l'équation d'un transfert thermique et permet d'indiquer la facilité avec laquelle l'énergie thermique passe un obstacle ou un milieu.

Dans le cas d'un transfert surfacique, il est appelé coefficient de transmission thermique surfacique[1]. C'est dans ce cas un flux thermique au travers d'une surface d'échange. Il permet de calculer l'intensité de l'énergie échangée par unité de surface et unité de temps en fonction de la différence de température de part et d'autre de la surface d'échange.

Dans le cas d'un transfert le long d'une surface dont l'une des dimensions excède fortement l'autre, on parle de coefficient de transmission thermique linéique. Dans le cas d'un transfert pour lequel on peut considérer que le flux passe par un point, on parle de coefficient de transmission thermique ponctuel.

Concept[modifier | modifier le code]

Définition[modifier | modifier le code]

Mathématiquement, on définit de la manière suivante un transfert thermique (ici pour un cas de transfert thermique surfacique) :

h = \frac{\Delta Q}{A \cdot \Delta T \cdot \Delta t}

avec :

Unités[modifier | modifier le code]

Dans le système SI, l'unité d'un coefficient de transmission thermique est :

Le coefficient de transmission thermique surfacique est l'inverse de la résistance thermique surfacique qui s'exprime en mètre carré-kelvins par watt (m2.K.W-1).

Détermination[modifier | modifier le code]

Le coefficient de transfert thermique est le résultat de différents procédés de transfert de chaleur à une interface et dépendant de nombreux paramètres. Comme il est difficile par le calcul de tenir compte de tous ces paramètres, la détermination du coefficient de transfert thermique se fait à l'aide du nombre de Nusselt via la relation suivante :

Nu = \frac{h L_c}{k}

avec :

  • h - coefficient de transfert thermique ;
  • Lc - longueur caractéristique ;
  • k - conductivité thermique du fluide.

De nombreuses corrélations empiriques fournissent une équation pour calculer le nombre de Nusselt d'où il est possible d'extraire le coefficient de transfert thermique.

Coefficient de transfert thermique global[modifier | modifier le code]

Analogie du transfert thermique avec le courant électrique.

Dans le cas d'une interface complexe composée de plusieurs surfaces d'échange successives, il est possible de composer les coefficients pour obtenir le coefficient de transfert global. Ceci est particulièrement utilisé dans les échangeurs de chaleur où l'on trouve deux interfaces et une résistance due à la paroi qui sépare les deux fluides, on dans l'isolation des bâtiments, où le complexe isolant comporte plusieurs matériaux et plusieurs interfaces.

La composition se calcule en additionnant les inverses des différents coefficients d'interface et des résistances de transfert à la manière de la composition de résistances électriques en parallèle (en supposant que le flux est unidirectionnel).

Le coefficient de transfert global est en général noté U, et pour les coefficients de transfert locaux ou de film, le symbole h est utilisé[2].

\frac{1}{U} = \frac{1}{h_{interface1}} + \frac{l}{\lambda}+ \frac{1}{h_{interface2}} \qquad (1)

avec :

  • U - coefficient de transfert thermique global (W/m2.K) ;
  • hinterface1 - coefficient de transfert thermique de film interne ;
  • hinterface2 - coefficient de transfert thermique de film externe ;
  • l - épaisseur du matériau séparant les 2 phases (m) ;
  • λ - conductivité thermique du matériau (W/m.K).

Toutefois ceci n'est valable que pour un cas idéal sans dépôt sur la surface d'échange qui augmente la résistance au transfert et pour une surface plane. Le cas plus général est donné par l'équation (2)[3] :

\frac{1}{US} = \frac{1}{h_{interface1} S_1} + \frac{1}{h_{depot1} S_{d1}} + \frac{l}{\lambda S_m} +  \frac{1}{h_{depot2}S_{d2}} + \frac{1}{h_{interface2}S_2} \qquad (2).

Usages[modifier | modifier le code]

Bâtiment[modifier | modifier le code]

En thermique du bâtiment, il est de plus fréquent d'avoir à considérer des coefficients de transfert thermique globaux. Pour les menuiseries, on note Ug le coefficient thermique du vitrage seul (avec g pour « glass »), Uf celui du cadre de menuiserie (avec f pour « frame »), mais c'est généralement le coefficient global de la menuiserie — Uw, avec w pour « window » — qui est retenu. De même, pour les parois, qu'il s'agisse de murs ou de planchers, on va chercher à déterminer un Uparoi, coefficient de transfert thermique global intégrant les apports des différentes couches constituant la paroi, principalement la partie porteuse — comme un mur en béton armé — et la partie isolante — fibre minérale ou matériau isolant de type polystyrène expansé ou extrudé.

En plus des parois, on va prendre en considération quelques cas particuliers. le coefficient de transmission thermique linéique est noté ({\psi}). Il s'agit d'un terme correctif pour l’effet linéaire d’un pont thermique, égal au flux thermique stationnaire divisé par la longueur et la différence de température entre les ambiances de part et d’autre du pont thermique linéaire.

Le coefficient de transmission thermique ponctuel ({\chi}) est un terme correctif pour l’effet ponctuel d’un pont thermique, égal au flux au flux thermique stationnaire divisé par la différence de température entre les ambiances de part et d’autre d’un pont thermique ponctuel.

Ces coefficients désignent la valeur qui doit être ajoutée au flux thermique obtenu à partir des valeurs U des parois[4].

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. Michel Dubesset, Le manuel du Système International d'unités - Lexique et conversions, Éd. Technip, 2000. Lire en ligne
  2. Perry, R.H., Green, D.W., Perry's Chemical Engineers' Handbook, McGraw-Hill,‎ 1997, 2581 p. (ISBN 978-0-07-049841-9), « 11 », p. 11-24
  3. A. Bejan, A.D.Kraus, Heat Transfer Handbook, John Wiley & Sons,‎ 2003, 1480 p. (ISBN 978-0-471-39015-2), « 11 », p. 799-804
  4. Le coefficient de transmission thermique des nœuds constructifs sur le site energieplus-lesite.be de Architecture et Climat de l'UCL

Articles connexes[modifier | modifier le code]