Coefficients de transfert thermique par convection
Coefficients de transfert thermique par convection naturelle et forcée dans des situations courantes.
Vue d'ensemble
Le transfert de chaleur par convection est le processus d'échange thermique entre une surface solide et un fluide en mouvement (liquide ou gaz). Le taux de ce transfert est régi par la loi de refroidissement de Newton et est influencé par les propriétés du fluide, le régime d'écoulement (laminaire ou turbulent), la géométrie de la surface et la vitesse de l'écoulement.
Formules clés
La loi de refroidissement de Newton calcule le taux total de transfert de chaleur.
Calculateur de transfert de chaleur par convection
Le coefficient de convection (h) est souvent déterminé à partir de corrélations empiriques impliquant des nombres sans dimension comme le nombre de Nusselt (Nu), le nombre de Reynolds (Re) et le nombre de Prandtl (Pr). Une forme courante pour la convection forcée sur une plaque plane est :
Où h = (Nu * k) / L, avec k étant la conductivité thermique du fluide et L une longueur caractéristique.
Variables
Symbole | Variable | Unité SI | Descriptif |
|---|---|---|---|
| Q | Taux de transfert de chaleur | W | Énergie totale transférée par unité de temps |
| h | Coefficient de convection | W/(m²·K) | Constante de proportionnalité ; dépend de l'écoulement et des propriétés du fluide |
| A | Surface | m² | Aire de la surface en contact avec le fluide |
| ΔT | Différence de température | K | Différence entre la température de surface et la température du fluide en masse |
| Nu | Nombre de Nusselt | - | Sans dimension ; rapport de la convection à la conduction thermique |
| Re | Nombre de Reynolds | - | Sans dimension ; rapport des forces inertielles aux forces visqueuses |
| Pr | Nombre de Prandtl | - | Sans dimension ; rapport de la diffusivité de quantité de mouvement à la diffusivité thermique |
| k | Conductivité thermique | W/(m·K) | Propriété du fluide |
Source: engineeringtoolbox.com
Coefficients de convection typiques
La valeur de h varie énormément. Utilisez ces estimations approximatives de l'ordre de grandeur pour la conception initiale.
Processus de convection | h (W/m²·K) | Contexte typique |
|---|---|---|
| Convection naturelle, Air | 5 - 25 | Plaque verticale, chauffée. Effet de ventilateur minimal. |
| Convection forcée, Air | 10 - 200 | Écoulement d'air sur les surfaces, refroidissement des composants électroniques. |
| Convection forcée, Huile | 60 - 1800 | Systèmes hydrauliques, lubrification des moteurs. |
| Convection forcée, Eau | 300 - 6000 | Écoulement en tuyaux, échangeurs de chaleur. |
| Ebullition de l'eau | 3000 - 100000 | Valeurs élevées dues au changement de phase (chaleur latente). |
| Condensation de vapeur | 5000 - 100000 | Valeurs élevées similaires dues à la libération de chaleur latente. |
Source: engineeringtoolbox.com
Convection forcée et naturelle
La convection forcée se produit lorsqu'un écoulement de fluide est induit par une force externe, comme une pompe, un ventilateur ou un mélangeur. La convection naturelle ou libre est causée par des forces de poussée dues à des différences de densité causées par des variations de température dans le fluide. Le transfert de chaleur par unité de surface par convection a été décrit pour la première fois par Newton et la relation est connue sous le nom de loi de refroidissement de Newton.
Exemple - Transfert de chaleur convectif
Pour un mur extérieur avec une surface de 60 m2, un coefficient de convection de 8 W/(m2 K), et une différence de température de 12 K entre la surface du mur et l'air ambiant :
Le taux de transfert de chaleur est donc de 5,76 kW de la surface plus chaude vers l'air plus frais. La même relation s'applique aux serpentin de refroidissement, aux plaques chauffantes, aux récipients de processus et aux surfaces de tuyauterie lorsqu'un coefficient de convection représentatif est connu.
Convertisseur d'unités
Convertisseur d'unités de transfert de chaleur
Graphique du coefficient de transfert de chaleur par écoulement d'air
Pour l'écoulement d'air, la page source donne l'approximation empirique :
où est la vitesse relative entre la surface de l'objet et l'air en m/s. L'équation est empirique et s'applique approximativement pour des vitesses de 2 à 20 m/s.
Coefficient de transfert de chaleur de l'air en fonction de la vitesse relative
Graphique du coefficient de transfert de chaleur convectif
L'image originale convective_heat_transfer_chart.png est représentée ci-dessous sous forme de données interactives. Étant donné que le graphique source est un graphique de plage, chaque processus est tracé avec des limites inférieures et supérieures de coefficient.
Plages typiques des coefficients de convection
Tableaux originaux restaurés
Les tableaux suivants sont restaurés depuis la page source originale pour préserver les données de référence complètes. La page source en cache contient des tableaux de recherche/mise en page partagés sans lignes d'ingénierie ; les données substantielles de convection sont préservées dans les DataTables de coefficients et le InteractiveChart ci-dessus.
Images sources originales
Les images sources originales suivantes sont préservées pour éviter de perdre le matériel de référence visuel. Lorsqu'une image contient des données graphiques ou tabulaires, ses valeurs extraites sont représentées dans les tableaux de la page, les calculateurs ou les graphiques interactifs ; les images restantes sont conservées comme références visuelles sources.
Notes d'ingénierie
- La loi de refroidissement de Newton est une définition, pas une loi prédictive. La partie complexe de toute analyse est de déterminer la valeur appropriée de
h. - Le régime d'écoulement est critique. L'écoulement turbulent donne généralement des valeurs de
hbien plus élevées que l'écoulement laminaire. - Les propriétés des fluides (densité, viscosité, chaleur spécifique, conductivité) dépendent de la température. Les corrélations utilisent souvent des propriétés évaluées à la température de film, la moyenne des températures de surface et du courant libre.
- La rugosité de surface, l'orientation et le développement de la couche limite ont un impact significatif sur les performances.
- Changement de phase (ébullition, condensation) augmente considérablement les coefficients de transfert de chaleur et nécessite des corrélations spécialisées.