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ème année
TRANSFERTS
THERMIQUES
Yves JANNOT
2012T¥ jr jr+dr
jc r + dr r r0 re T0 dx y d 0 x y Tp Tg log10(l) -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 g XVisible
IRMicro-onde Onde radio Téléphone
Thermique
UVlog 10(l) -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 g XVisible
IRMicro-onde Onde radio Téléphone
Thermique
UVTable des matières
Yves Jannot 1
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Transferts et échangeurs de chaleur
Cours Transferts thermiques 2
ème année Ecole des Mines Nancy 2
Table des matières
Yves Jannot 3
NOMENCLATURE .............................................................................................................................................. 6
1. GENERALITES SUR LES TRANSFERTS DE CHALEUR ........................................................................ 7
1.1 INTRODUCTION ............................................................................................................................................ 7
1.2 DEFINITIONS ................................................................................................................................................ 7
1.2.1 Champ de température .................................................................................................................... 7
1.2.2 Gradient de température ................................................................................................................. 7
1.2.3 Flux de chaleur ............................................................................................................................... 7
1.3 FORMULATION D"UN PROBLEME DE TRANSFERT DE CHALEUR ..................................................................... 8
1.3.1 Bilan d"énergie ................................................................................................................................ 8
1.3.2 Expression des flux d"énergie.......................................................................................................... 8
2 TRANSFERT DE CHALEUR PAR CONDUCTION EN REGIME PERMANENT ........................... 11
2.1 L"EQUATION DE LA CHALEUR .................................................................................................................... 11
2.2 TRANSFERT UNIDIRECTIONNEL .................................................................................................................. 12
2.2.1 Mur simple .................................................................................................................................... 12
2.2.2 Mur multicouches .......................................................................................................................... 13
2.2.3 Mur composite ............................................................................................................................... 14
2.2.4 Cylindre creux long (tube) ............................................................................................................ 15
2.2.5 Cylindre creux multicouches ......................................................................................................... 16
2.2.6 Prise en compte des transferts radiatifs ........................................................................................ 17
2.3 TRANSFERT MULTIDIRECTIONNEL .............................................................................................................. 18
2.3.1 Méthode du coefficient de forme ................................................................................................... 18
2.3.2 Méthodes numériques .................................................................................................................... 19
2.4 LES AILETTES ............................................................................................................................................. 22
2.4.1 L"équation de la barre................................................................................................................... 22
2.4.2 Flux extrait par une ailette ............................................................................................................ 23
2.4.3 Efficacité d"une ailette .................................................................................................................. 26
2.4.4 Choix des ailettes .......................................................................................................................... 27
3 TRANSFERT DE CHALEUR PAR CONDUCTION EN REGIME VARIABLE ............................... 29
3.1 CONDUCTION UNIDIRECTIONNELLE EN REGIME VARIABLE SANS CHANGEMENT D"ETAT ............................ 29
3.1.1 Milieu à température uniforme...................................................................................................... 29
3.1.2 Milieu semi-infini .......................................................................................................................... 30
3.1.3 Transfert unidirectionnel dans des milieux limités : plaque, cylindre, sphère .............................. 37
3.1.4 Systèmes complexes : méthode des quadripôles ............................................................................ 53
3.2 CONDUCTION UNIDIRECTIONNELLE EN REGIME VARIABLE AVEC CHANGEMENT D"ETAT ............................ 59
3.3 CONDUCTION MULTIDIRECTIONNELLE EN REGIME VARIABLE .................................................................... 60
3.3.1 Théorème de Von Neuman ............................................................................................................ 60
3.3.2 Transformations intégrales et séparation de variables ................................................................. 61
4 TRANSFERT DE CHALEUR PAR RAYONNEMENT ......................................................................... 65
4.1 GENERALITES. DEFINITIONS ...................................................................................................................... 65
4.1.1 Nature du rayonnement ................................................................................................................. 65
4.1.2 Définitions ..................................................................................................................................... 66
4.2 LOIS DU RAYONNEMENT ............................................................................................................................ 69
4.2.1 Loi de Lambert .............................................................................................................................. 69
4.2.2 Lois physiques ............................................................................................................................... 69
4.3 RAYONNEMENT RECIPROQUE DE PLUSIEURS SURFACES ............................................................................. 72
4.3.1 Radiosité et flux net perdu ............................................................................................................. 72
Transferts et échangeurs de chaleur
Cours Transferts thermiques 2
ème année Ecole des Mines Nancy 44.3.2
Facteur de forme géométrique ...................................................................................................... 72
4.3.3 Calcul des flux ............................................................................................................................... 73
4.3.4 Analogie électrique ....................................................................................................................... 75
4.4 EMISSION ET ABSORPTION DES GAZ ........................................................................................................... 77
4.4.1 Spectre d"émission des gaz ............................................................................................................ 77
4.4.2 Echange thermique entre un gaz et une paroi ............................................................................... 77
5 TRANSFERT DE CHALEUR PAR CONVECTION .............................................................................. 79
5.1 RAPPELS SUR L"ANALYSE DIMENSIONNELLE .............................................................................................. 79
5.1.1 Dimensions fondamentales ............................................................................................................ 79
5.1.2 Principe de la méthode .................................................................................................................. 79
5.1.3 Exemple d"application................................................................................................................... 80
5.1.4 Avantages de l"utilisation des grandeurs réduites ........................................................................ 81
5.2 CONVECTION SANS CHANGEMENT D"ETAT ................................................................................................. 82
5.2.1 Généralités. Définitions ................................................................................................................ 82
5.2.2 Expression du flux de chaleur ....................................................................................................... 83
5.2.3 Calcul du flux de chaleur en convection forcée ............................................................................ 84
5.2.4 Calcul du flux de chaleur en convection naturelle ........................................................................ 89
5.3 CONVECTION AVEC CHANGEMENT D"ETAT ................................................................................................ 90
5.3.1 Condensation................................................................................................................................. 90
5.3.2 Ebullition ....................................................................................................................................... 93
6 INTRODUCTION AUX ECHANGEURS DE CHALEUR ..................................................................... 97
6.1 LES ECHANGEURS TUBULAIRES SIMPLES .................................................................................................... 97
6.1.1 Généralités. Définitions ................................................................................................................ 97
6.1.2 Expression du flux échangé ........................................................................................................... 97
6.1.3 Efficacité d"un échangeur ........................................................................................................... 102
6.1.4 Nombre d"unités de transfert ....................................................................................................... 103
6.1.5 Calcul d"un échangeur ................................................................................................................ 105
6.2 LES ECHANGEURS A FAISCEAUX COMPLEXES ........................................................................................... 105
6.2.1 Généralités .................................................................................................................................. 105
6.2.2 Echangeur 1-2 ............................................................................................................................. 106
6.2.3 Echangeur 2-4 ............................................................................................................................. 106
6.2.4 Echangeur à courants croisés ..................................................................................................... 107
6.2.5 Echangeurs frigorifiques ............................................................................................................. 108
BIBLIOGRAPHIE ............................................................................................................................................ 111
ANNEXES ......................................................................................................................................................... 112
A.1.1 : PROPRIETES PHYSIQUES DE CERTAINS CORPS ........................................................................................... 112
A.1.1 : PROPRIETES PHYSIQUES DE L"AIR ET DE L"EAU ........................................................................................ 113
A.2.1 : VALEUR DU COEFFICIENT DE FORME DE CONDUCTION ............................................................................. 115
A.2.2 : EFFICACITE DES AILETTES ........................................................................................................................ 116
A.2.3 : EQUATIONS ET FONCTIONS DE BESSEL ..................................................................................................... 117
A.3.1 : PRINCIPALES TRANSFORMATIONS INTEGRALES : LAPLACE, FOURIER, HANKEL ....................................... 119
A.3.2 : TRANSFORMATION DE LAPLACE INVERSE ................................................................................................ 121
A.3.3 : CHOIX DES TRANSFORMATIONS INTEGRALES POUR DIFFERENTES CONFIGURATIONS................................ 123
A.3.4 : VALEUR DE LA FONCTION ERF .................................................................................................................. 125
A.3.5 : MILIEU SEMI-INFINI AVEC COEFFICIENT DE TRANSFERT IMPOSE ............................................................... 125
A.3.6 : MATRICES QUADRIPOLAIRES POUR DIFFERENTES CONFIGURATIONS ........................................................ 126
A.4.1 : EMISSIVITE DE CERTAINS CORPS .............................................................................................................. 128
A.4.2 : FRACTION D"ENERGIE F0-lT RAYONNEE PAR UN CORPS NOIR ENTRE 0 ET l ............................................. 129
Table des matières
Yves Jannot 5A.4.3 :
FACTEURS DE FORME GEOMETRIQUE DE RAYONNEMENT ......................................................................... 130
A.4.4 : EPAISSEURS DE GAZ EQUIVALENTES VIS-A-VIS DU RAYONNEMENT .......................................................... 133
A.5.1 : LES EQUATIONS DE CONSERVATION ......................................................................................................... 134
A.5.2 : CORRELATIONS POUR LE CALCUL DES COEFFICIENTS DE TRANSFERT EN CONVECTION FORCEE................ 140
A.5.3 : CORRELATIONS POUR LE CALCUL DES COEFFICIENTS DE TRANSFERT EN CONVECTION NATURELLE ......... 142
A.6.1 : ABAQUES NUT = F(h) POUR LES ECHANGEURS ........................................................................................ 143
A.7 : METHODES D"ESTIMATION DE PARAMETRES ............................................................................................... 143
A.7 : METHODES D"ESTIMATION DE PARAMETRES ............................................................................................... 144
EXERCICES ..................................................................................................................................................... 150
Transferts et échangeurs de chaleur
Cours Transferts thermiques 2
ème année Ecole des Mines Nancy 6
NOMENCLATURE
a Diffusivité thermiqueBi Nombre de Biot
c Chaleur spécifiqueD Diamètre
e EpaisseurE Effusivité thermique
f Facteur de forme de rayonnementF Coefficient de forme de conduction
Fo Nombre de Fourier
g Accélération de la pesanteurGr Nombre de Grashof
h Coefficient de transfert de chaleur par convectionDH Chaleur latente de changement de phase
I Intensité énergétique
J Radiosité
L Longueur, Luminance
m Débit massiqueM Emittance
Nu Nombre de Nusselt
NUT Nombre d"unités de transfert
p Variable de Laplace p e PérimètreQ Quantité de chaleur
qc Débit calorifique r, R Rayon, RésistanceRc Résistance de contact
Re Nombre de Reynolds
S Surface
t TempsT Température
u VitesseV Volume
x, y, z Variables d"espaceLettres grecques
a Coefficient d"absorption du rayonnement b Coefficient de dilatation cubique e Emissivité f Densité de flux de chaleurF Transformée de Laplace du flux de chaleur
j Flux de chaleur l Conductivité thermique, longueur d"onde m Viscosité dynamique n Viscosité cinématiquequotesdbs_dbs50.pdfusesText_50[PDF] cours trigonométrie pdf
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