Coefficient global de transfert de chaleur

Le transfert de chaleur à travers une surface comme un mur peut être calculé comme suit

q = U A dT (1)

où

q = transfert de chaleur (W (J/s), Btu/h)

U = coefficient global de transfert de chaleur (W/(m2K), Btu/(ft2 h oF))

A = surface du mur (m2, ft2)

dT = (t1 – t2)

= différence de température sur la paroi (oC, oF)

Le coefficient global de transfert de chaleur pour une paroi multicouche, tuyau ou échangeur de chaleur – avec un écoulement de fluide de chaque côté de la paroi – peut être calculé comme

1 / U A = 1 / hci Ai + Σ (sn / kn An) + 1 / hco Ao (2)

où

U = le coefficient de transfert de chaleur global (W/(m2 K), Btu/(ft2 h oF))

kn = la conductivité thermique du matériau dans la couche n (W/(m K), Btu/(hr ft °F))

hc i,o = le coefficient de transfert de chaleur par convection de fluide individuel de la paroi intérieure ou extérieure (W/(m2 K), Btu/(ft2 h oF))

sn = l’épaisseur de la couche n (m, ft)

Une paroi plane avec une surface égale dans toutes les couches – peut être simplifiée à

1 / U = 1 / hci + Σ (sn / kn) + 1 / hco (3)

Conductivité thermique – k – pour quelques matériaux typiques (sachant que la conductivité est une propriété qui peut varier avec la température)

• Polypropylène PP : 0.1 – 0,22 W/(m K)
• Acier inoxydable : 16 – 24 W/(m K)
• Aluminium : 205 – 250 W/(m K)

Conversion entre les unités métriques et impériales

• 1 W/(m K) = 0.5779 Btu/(ft h oF)
• 1 W/(m2 K) = 0,85984 kcal/(h m2 oC) = 0.1761 Btu/(ft2 h oF)

• Transfert de chaleur par conduction
• Conductivité thermique des matériaux couramment utilisés

Le coefficient de transfert de chaleur par convection – h – dépend

• du type de fluide -. si c’est un gaz ou un liquide
• des propriétés de l’écoulement comme la vitesse
• des autres propriétés dépendant de l’écoulement et de la température

Coefficient de transfert de chaleur par convection pour quelques fluides courants :

• Air – 10 à 100 W/m2K
• Eau – 500 à 10 000 W/m2K

Murs multicouches -. Calculateur de transfert de chaleur

Ce calculateur peut être utilisé pour calculer le coefficient de transfert de chaleur global et le transfert de chaleur à travers un mur multicouche. La calculatrice est générique et peut être utilisée pour les unités métriques ou impériales, tant que l’utilisation des unités est cohérente.

A – surface (m2, ft2)

t1 – température 1 (oC, oF)

t2 – température 2 (oC, oF)

hci – coefficient de transfert de chaleur par convection à l’intérieur du mur (W/(m2 K), Btu/(ft2 h oF))

s1 – épaisseur 1 (m, ft) k1 – conductivité thermique 1 (W/(m K), Btu/(hr ft °F))

s2 – épaisseur 2 (m, ft) k2 – conductivité thermique 2 (W/(m K), Btu/(hr ft °F))

s3 – épaisseur 3 (m, ft) k3 – conductivité thermique 3 (W/(m K), Btu/(hr ft °F))

hco – coefficient de transfert de chaleur par convection à l’extérieur du mur (W/(m2 K), Btu/(ft2 h oF))

Calculateur de charge !

Résistance thermique de transfert de chaleur

La résistance de transfert de chaleur peut être exprimée comme suit

R = 1 / U (4)

où

R = résistance de transfert de chaleur (m2K/W, ft2 h°F/ Btu)

La paroi est divisée en sections de résistance thermique où

• le transfert de chaleur entre le fluide et la paroi est une résistance
• la paroi elle-même est une résistance
• le transfert entre la paroi et le second fluide est une résistance thermique

Les revêtements de surface ou les couches de produit « brûlé » ajoutent une résistance thermique supplémentaire à la paroi, diminuant le coefficient global de transfert de chaleur.

Quelques résistances de transfert de chaleur typiques

• Couche statique d’air, 40 mm (1,57 in) : R = 0,18 m2K/W
• Résistance de transfert de chaleur intérieure, courant horizontal : R = 0,13 m2K/W
• Résistance de transfert de chaleur extérieure, courant horizontal : R = 0,04 m2K/W
• Résistance de transfert de chaleur intérieure, courant thermique de bas en haut : R = 0,10 m2K/W
• Résistance de transfert de chaleur extérieure, courant de chaleur du haut vers le bas : R = 0,17 m2K/W

Exemple – Transfert de chaleur dans un échangeur de chaleur air-air

Un échangeur à plaques air-air d’une surface de 2 m2 et d’une épaisseur de paroi de 0,1 mm peut être fabriqué en polypropylène PP, en aluminium ou en acier inoxydable.

Le coefficient de convection du transfert de chaleur pour l’air est de 50 W/m2K. La température intérieure dans l’échangeur est de 100 oC et la température extérieure est de 20 oC.

Le coefficient global de transfert de chaleur U par unité de surface peut être calculé en modifiant (3) pour

U = 1 / (1 / hci + s / k. + 1 / hco) (3b)

Le coefficient global de transfert de chaleur pour un échangeur de chaleur en

• polypropylène avec une conductivité thermique de 0.1 W/mK est

UPP = 1 / (1 / (50 W/m2K) + (0,1 mm) (10-3 m/mm)/ (0,1 W/mK) + 1 / (50 W/m2K)).

= 24,4 W /m2K

Le transfert de chaleur est

q = (24,4 W /m2K) (2 m2) ((100 oC) – (20 oC))

= 3904 W

= 3.9 kW

• Acier inoxydable de conductivité thermique 16 W/mK:

USS = 1 / (1 / (50 W/m2K) + (0,1 mm) (10-3 m/mm)/ (16 W/mK) + 1 / (50 W/m2K)).

= 25 W /m2K

Le transfert de chaleur est

q = (25 W /m2K) (2 m2) ((100 oC) – (20 oC))

= 4000 W

= 4 kW

• aluminium de conductivité thermique 205 W/mK :

UAl = 1 / (1 / (50 W/m2K) + (0.1 mm) (10-3 m/mm)/ (205 W/mK) + 1 / (50 W/m2K)).

= 25 W /m2K

Le transfert de chaleur est

q = (25 W /m2K) (2 m2) ((100 oC) – (20 oC))

= 4000 W

= 4 kW

• 1 W/(m2 K) = 0.85984 kcal/(h m2 oC) = 0,1761 Btu/(ft2 h oF)

Coefficients globaux de transfert de chaleur typiques

• Gaz à convection libre – Gaz à convection libre : U = 1 – 2 W/m2K (fenêtre typique, pièce à l’air extérieur à travers la vitre)
• Gaz à convection libre – Eau liquide (courante) forcée : U = 5 – 15 W/m2K (chauffage central par radiateur typique)
• Gaz à convection libre – Eau de vapeur condensée : U = 5 – 20 W/m2K (radiateurs à vapeur typiques)
• Gaz à convection forcée (courante) – Gaz à convection libre : U = 3 – 10 W/m2K (surchauffeurs)
• Convection forcée (écoulement) Gaz – Gaz à convection forcée : U = 10 – 30 W/m2K (gaz d’échangeurs de chaleur)
• Convection forcée (écoulement) Gaz – Eau liquide forcée (écoulement) : U = 10 – 50 W/m2K (refroidisseurs de gaz)
• Convection forcée (écoulement) Gaz – Eau vapeur de condensation : U = 10 – 50 W/m2K (réchauffeurs d’air)
• Convection libre – Gaz à convection forcée : U = 10 – 50 W/m2K (chaudière à gaz)
• Convection libre liquide – Convection libre liquide : U = 25 – 500 W/m2K (bain d’huile pour le chauffage)
• Convection libre liquide – Ecoulement forcé liquide (eau) : U = 50 – 100 W/m2K (serpentin de chauffage dans l’eau du récipient, eau sans direction), 500 – 2000 W/m2K (serpentin de chauffage dans l’eau du récipient, eau avec direction)
• Convection libre liquide – Vapeur de condensation eau : U = 300 – 1000 W/m2K (chemises à vapeur autour des récipients avec agitateurs, eau), 150 – 500 W/m2K (autres liquides)
• Liquide forcé (coulant) eau – Convection libre gaz : U = 10 – 40 W/m2K (chambre de combustion + rayonnement)
• L’eau liquide (coulant) forcée – Liquide à convection libre : U = 500 – 1500 W/m2K (serpentin de refroidissement – agité)
• L’eau liquide (coulant) forcée : U = 900 – 2500 W/m2K (échangeur de chaleur eau/eau)
• Eau liquide forcée (courante) – Eau vapeur condensée : U = 1000 – 4000 W/m2K (condenseurs eau vapeur)
• Eau liquide bouillante – Gaz à convection libre : U = 10 – 40 W/m2K (chaudière à vapeur + rayonnement)
• Eau liquide bouillante – liquide à écoulement forcé (eau) : U = 300 – 1000 W/m2K (évaporation des réfrigérateurs ou des refroidisseurs de saumure)
• Eau liquide bouillante – eau vapeur à condensation : U = 1500 – 6000 W/m2K (évaporateurs vapeur/eau)

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