Applications Techniques des Échanges et Transferts Thermiques

La conduction thermique est le transfert d'énergie thermique à travers un matériau sans déplacement macroscopique de matière.

Elle se produit par contact direct entre des particules ou des corps.

• Un gradient de température dans le matériau
• Un solide ou un fluide immobile
• Un contact direct entre les corps

• Chauffage d'une poêle sur feu
• Isolation thermique des murs
• Transport de chaleur dans les métaux

La convection thermique est le transfert d'énergie thermique accompagné d'un déplacement macroscopique de matière.

Elle se produit dans les fluides (liquides et gaz).

• Convection naturelle : due aux différences de densité (ex: air chaud qui monte)
• Convection forcée : provoquée par un dispositif extérieur (ex: ventilateur)

• Circulation de l'air dans un radiateur
• Fonctionnement d'un four à convection
• Phénomènes atmosphériques

Le rayonnement thermique est le transfert d'énergie thermique sous forme d'ondes électromagnétiques.

Il peut se propager dans le vide et ne nécessite pas de support matériel.

Où :

• P est la puissance rayonnée (W)
• σ est la constante de Stefan-Boltzmann (5,67×10⁻⁸ W·m⁻²·K⁻⁴)
• S est la surface émettrice (m²)
• T est la température absolue (K)

• Chaleur du Soleil atteignant la Terre
• Fonctionnement d'un barbecue
• Thermographie infrarouge

L'isolation thermique vise à limiter les transferts thermiques entre l'intérieur et l'extérieur d'un bâtiment.

Elle repose sur l'utilisation de matériaux à faible conductivité thermique.

• Mousse polyuréthane (λ ≈ 0,025 W·m⁻¹·K⁻¹)
• Laine de verre (λ ≈ 0,040 W·m⁻¹·K⁻¹)
• Laine de roche (λ ≈ 0,035 W·m⁻¹·K⁻¹)
• Polystyrène expansé (λ ≈ 0,035 W·m⁻¹·K⁻¹)

Le coefficient de conductivité thermique λ (lambda) exprime la capacité d'un matériau à conduire la chaleur.

Plus λ est faible, plus le matériau est isolant.

Une pompe à chaleur prélève de la chaleur à une source froide (extérieur) pour la restituer à une source chaude (intérieur).

Elle fonctionne selon le cycle thermodynamique de compression/détente d'un fluide frigorigène.

Un COP > 1 signifie que la pompe à chaleur fournit plus d'énergie thermique qu'elle n'en consomme électriquement.

• Chauffage des bâtiments (PAC air/eau, géothermie)
• Climatisation (PAC réversible)
• Eau chaude sanitaire

Un échangeur thermique est un dispositif qui permet le transfert de chaleur entre deux fluides à températures différentes sans qu'ils ne se mélangent.

Il optimise le transfert thermique par conduction et convection.

• Échangeurs coaxiaux (tubes concentriques)
• Échangeurs à plaques (plaque métallique)
• Échangeurs à tubes et calandre
• Échangeurs à air (radiateurs)

• Centrales thermiques
• Usines de raffinage
• Industrie chimique
• Climatisation industrielle

Les composants électroniques (processeurs, cartes graphiques) dissipent de la chaleur lors de leur fonctionnement.

Un excès de température peut endommager les circuits ou réduire leur performance.

• Refroidissement passif (dissipateurs thermiques)
• Refroidissement actif (ventilateurs)
• Refroidissement liquide (boucles d'eau)
• Refroidissement par chambres à vapeur

• Ordinateurs personnels
• Serveurs informatiques
• Véhicules électriques
• Équipements médicaux

Un capteur solaire thermique absorbe l'énergie du rayonnement solaire et la convertit en énergie thermique.

Le fluide caloporteur (généralement de l'eau ou un mélange eau/glycol) transporte cette chaleur vers un ballon de stockage.

• Capteurs plans (surface plane absorbante)
• Capteurs à tubes sous vide (isolation thermique)
• Capteurs à concentration (miroirs paraboliques)

• Production d'eau chaude sanitaire
• Chauffage des bâtiments
• Production d'électricité (centrales solaires thermiques)
• Applications industrielles

• Surface du mur : S = 20 m²
• Épaisseur du mur : e = 30 cm = 0,30 m
• Température intérieure : T₁ = 20°C = 293 K
• Température extérieure : T₂ = 5°C = 278 K
• Conductivité thermique : λ = 0,7 W·m⁻¹·K⁻¹

Le flux thermique par conduction est donné par la loi de Fourier :

Application numérique :

L'énergie perdue pendant une durée Δt est :

Avec Δt = 24h = 24 × 3600s = 86400s

• Transfert dans un matériau sans déplacement de matière
• Se produit dans les solides, liquides et gaz
• Gouverné par la loi de Fourier

• Transfert avec déplacement de matière
• Se produit dans les fluides (liquides et gaz)
• Naturelle ou forcée

• Transfert par ondes électromagnétiques
• Peut se propager dans le vide
• Gouverné par la loi de Stefan-Boltzmann

• Isolation thermique des bâtiments
• Systèmes de chauffage et climatisation
• Échangeurs thermiques industriels
• Refroidissement des composants électroniques
• Énergie solaire thermique