transfert de chaleur Par CONVECTION 1

Définition La convection est le mode de transport d'énergie thermique qui accompagne les fluides en mouvement Gas Liquide 2

Types de convection la convection naturelle : Mouvement naturel d’un fluide induit par un gradient thermique. Le gradient thermique engendre une distribution non uniforme de la densité, qui génère à son tour un mouvement convectif sous l’effet de la gravité. 3

Types de convection La convection forcée : Transfert de chaleur par un fluide dont le mouvement est actionné par un procédé mécanique indépendant de la distribution de la température dans le fluide. 4

Types d’écoulements Il est nécessaire de connaître l’écoulement du fluide avant d’examiner celui de l’écoulement de la chaleur. L'étude de la transmission de chaleur par convection est donc étroitement liée à celle de l'écoulement des fluides. Il est alors necessaire de connaître…. Écoulement turbulent: Le transport d’énergie est favorisé par des tourbillons. Augmente la quantité de chaleur échangée au sein du fluide. Écoulement laminaire: La chaleur est transmise par conduction . 5

Coefficient de Convection S TS flux de chaleur en convection Q = h S (T∞ – TS ) coefficient d’échange thermique Pour un écoulement à une température T∞ autour d'une structure à une température uniforme TS de surface S, l'expression du flux de chaleur échangé par convection Quantité de chaleur échangée par convection Quantité de chaleur échangée par conduction Nu = Nu =1 état conductif Nu >1 état convectif 6

Méthodes expérimentales On mesure les température, Te et Ts, et on fait varier le débit (vitesse) du fluide qui rentre dans le canal pour étudier l’effet de l’écoulement (convection) l’échange de chaleur. Pour montrer l'influence de la température du fluide dans les canaux, on va prendre 2 points de mesures de température notés Te et Ts et l'on fait varier le débit qui rentre dans le canal. A une vitesse de fluide de 0.5m/s, on suppose la différence Ts - Te = 1°C. Si la vitesse passe à 1m/s la différence ne sera plus que de 0.5°C par exemple. Ça n'a pas changé la façon dont la puissance est transmise à l'eau (dans l'écoulement développé tout du moins) mais la température des parois, et donc du bloc en général, aura diminuer d'environ 0.5°C puisque le fluide se réchauffe moins : Dans la zone laminaire développée, la couche limite remplit tout le canal. De plus, on sait que h reflète en quelque sorte l'épaisseur de cette couche limite, et que plus elle est fine, plus h est élevé. Si l'on diminue donc la taille des canaux, on diminue par la même occasion l'épaisseur de cette couche limite puisqu'elle est confinée dans le canal, et par conséquent h augmente, ça n'est pas plus compliqué... Contrairement aux waterblocks classiques à "gros" canaux, dont l'écoulement doit être turbulent pour être performant, le laminaire n'est pas trop un problème dans les microcanaux, même si un écoulement turbulent serait encore mieux ! Il est de toute façon très difficile d'être turbulent dans des canaux aussi fins, car cela nécessiterait une très grande vitesse d'écoulement, et donc un débit soutenu, qu'il n'est possible d'atteindre qu'avec une pompe délivrant une très grosse pression ! V=1 m/s Ts - Te = 2°C V=2 m/s Ts - Te = 1°C 7

Différents modes de prise de température Instruments de mesure Différents modes de prise de température dans une conduite 8

Instruments de mesure Thermomètres à dilatation de gaz (thermomanomètres) Thermomètres à dilatation de liquide Couples thermoélectriques (Cu/constantan (T ) Ni-Cr/constantan (E )Fe/constantan (J )) Pyromètres (mesure sans contact) 9

Méthodes Analytiques Les équations qui régissent l'écoulement du fluide sont des équations aux dérivées partielles non linéaires. Une solution analytique de ces équations est en général impossible. Les solutions analytiques ont l’avantage de donner une compréhension fondamentale des phénomènes physiques. 10

Conservation de la masse Volume de contrôle fixe V dS Fluide continu en écoulement Taux de variation de la masse = Flux de masse net Sous la forme différentielle l’équation de conservation de masse s’écrit: 11

Conservation de la quantité de mouvement L’équation de mouvement est l’application de la deuxième loi de mouvement de Newton à un élément de fluide. Masse x Accélération = ∑ Forces extérieurs F m V Volume de contrôle mobile contenant les mêmes particules 12

Conservation de l’énergie L’équation d’énergie est obtenue par l’application de la première loi de la thermodynamique à un élément de fluide (volume de contrôle). Volume de contrôle Le taux de variation d’énergie dans le VC Le flux net de chaleur Le taux de génération interne de chaleur Le transfert net de travail 13

Méthodes numériques Démarche: Diviser le domaine de calcul en un nombre fini de petits volumes. Choisir une méthode de discrétisation des équations différentielles. Résoudre le système (matriciel) d’équations algébriques obtenues champs de vitesse champs de température 14

Exercice dT d Étudier la convection forcée le long d’une plaque plane Trouver le champ de vitesse et de température dans le milieu fluide Déterminer la quantité de chaleur échangée entre la plaque et le fluide T∞ U∞ U∞ T∞ P∞ dT d q’’ Couche limite dynamique Couche limite thermique 15

Écoulement en couche limite Conditions aux frontières: Pas de mouvement du fluide sur la parois solide v u Dimension 2 y T=T0 T=f(y) U0 T0 P0 u=U0 u=f(y) δT Couche limite thermique Couche limite dynamique δ TS>T0 16

transfert de chaleur Par CONVECTION Réalisé Par : Aziz Akhiate Travail réalisé dans le cadre du cours TIC dans les moyens et grands groupes (FPE 7650) Session Automne 2010 Présenté à Mme Suzanne Roy Université de Québec à Montréal Faculté d’éducation et pédagogie 17