Un coefficient de transfert de chaleur est un concept en physique et en thermodynamique qui détaille comment et avec quelle facilité l’énergie thermique passe d’un matériau à un autre. Dans de nombreux cas, la chaleur est transférée plus facilement lorsque les matériaux en question passent des solides aux fluides aux gaz; la chaleur peut également passer d’un fluide à un gaz ou ou vice versa, comme c’est le cas de l’air frais au-dessus d’un lac chaud. La chaleur passera toujours du chaud au froid pour les matériaux en contact direct, et le coefficient de transfert est une façon d’exprimer ce changement de manière tangible et mathématique. C’est un concept important pour les fabricants et les constructeurs de nombreuses industries. Cela aide les ingénieurs à concevoir de meilleures marmites, par exemple, et contribue à rendre les machines et les choses comme les moteurs à combustion dans les voitures plus sûres ; il est également utilisé pour rendre l’isolation des maisons et des bureaux plus efficace. Établir les bases du coefficient est généralement assez simple, mais les détails du fonctionnement de sa formule de base et de son application aux scénarios thermodynamiques changeants peuvent être quelque peu compliqués.
Principes de base du calcul
Quantitativement, le coefficient est fonction des deux matériaux en contact ; la température de chacun, qui détermine la force motrice ; et des facteurs qui améliorent ou diminuent le transfert de chaleur, tels que la convection ou l’encrassement de la surface, respectivement. La rubrique de calcul standard est généralement exprimée sous la forme h = q / t, où h est le coefficient de transfert de chaleur global, q est la quantité de chaleur transférée par unité de surface et ∆t est la différence de température entre le surfaces adjacentes ou surfaces en question.
Il existe également des équations pour déterminer la quantité de chaleur transférée par unité de surface, par degré de différence de température entre les deux matériaux adjacents et par période de temps qui peuvent aider à influencer la formule plus basique. Les calculs de dimensionnement des équipements industriels, tels que les appareils de chauffage et les échangeurs de chaleur, résolvent généralement la chaleur transférée par heure, car la capacité de production de l’usine est généralement déterminée sur une base horaire.
Comprendre les coefficients globaux
Un coefficient de transfert de chaleur global, tel qu’il est souvent utilisé dans les équations des échangeurs de chaleur, devrait prendre en compte un certain nombre de facteurs. Par exemple, dans un scénario de moteur à vapeur, la vapeur saturée à une température donnée, l’interface vapeur-tube, la conductivité à travers la paroi du tube, l’interface avec le liquide à l’intérieur des tubes tel que l’huile, et la température de l’huile entrante auraient tous besoin à prendre en considération. Les informations provenant de ces facteurs pourraient aider à déterminer la taille d’un échangeur de chaleur nécessaire et la stratégie de conception et de matériaux qui fonctionnerait le mieux.
Importance pour la fabrication
Ces coefficients sont toujours pris en compte lors de la conception d’équipements spécifiquement destinés à transférer de la chaleur – ou à ne pas transférer de chaleur. Des casseroles, des ailettes de refroidissement sur un moteur de moto, souffler sur une cuillerée de soupe trop chaude ou une personne réchauffant les mains froides d’une autre sont autant d’exemples d’amélioration du coefficient de transfert de chaleur. Le plus grand contributeur à de meilleurs coefficients de transfert, compte tenu des contraintes matérielles, est le mouvement rapide de la phase fluide des composants. Souffler de l’air à travers un radiateur, induire un écoulement turbulent dans un échangeur de chaleur ou déplacer rapidement de l’air dans un four à convection a pour effet des coefficients de transfert beaucoup plus élevés que les conditions immobiles. C’est parce que plus de molécules pour absorber la chaleur sont présentées à la surface chaude dans un laps de temps plus court.
Rôle dans l’isolation et la construction plus généralement
D’autre part, la recherche d’une isolation très performante prend également en compte le transfert thermique calculé de chacune de ses interfaces. L’isolation est importante pour toutes sortes de choses, y compris les réfrigérateurs et les congélateurs, les glacières de pique-nique, les vêtements d’hiver et les maisons écoénergétiques. Les espaces d’air morts, les vides dans la mousse et les matériaux à faible conductivité contribuent tous à l’isolation.