Coefficient de transfert thermique

Mathématiquement, on définit de la manière suivante le coefficient de transfert thermique (ici pour un cas de transfert thermique surfacique) :

${\displaystyle U={\frac {\Phi }{S\ \Delta T}}}$

avec :

• ${\displaystyle U}$ : coefficient de transfert thermique, exprimé en watts par mètre carré-kelvin (W m⁻² K⁻¹) ;
• ${\displaystyle \Phi }$ : flux thermique (puissance transférée), en watts (W) ;
• ${\displaystyle S}$ : surface d'échange, en mètres carrés (m²) ;
• ${\displaystyle \Delta T}$ : différence de température de part et d'autre de la paroi, en kelvins ou en degrés Celsius (K ou °C).

Le transfert thermique est facilité par un coefficient élevé, qui est dépendant de la rugosité des surfaces en vis-à-vis et de la pression exercée par l'une sur l'autre. Il varie entre 2 et 200 kW m⁻² K⁻¹[2].

Analogie du transfert thermique avec le courant électrique.

Dans le cas d'une interface complexe composée de plusieurs surfaces d'échange successives, il est possible de composer les coefficients pour obtenir le coefficient de transfert global. Ceci est particulièrement utilisé dans les échangeurs de chaleur où l'on trouve deux interfaces et une résistance due à la paroi qui sépare les deux fluides, ou dans l'isolation des bâtiments, où le complexe isolant comporte plusieurs matériaux et plusieurs interfaces.

La composition se calcule en additionnant les inverses des différents coefficients d'interface et des coefficients de transfert à la manière de la composition de résistances électriques en parallèle (en supposant que le flux est unidirectionnel).

Le coefficient de transfert global est en général noté U, et pour les coefficients de transfert locaux ou de film, le symbole h est utilisé[3].

${\displaystyle {\frac {1}{U}}={\frac {1}{h_{\text{interface1}}}}+{\frac {l}{\lambda }}+{\frac {1}{h_{\text{interface2}}}}\qquad (1)}$

avec :

• U, coefficient de transfert thermique global (W m⁻² K⁻¹) ;
• h_interface1, coefficient de transfert thermique de film interne (W m⁻² K⁻¹) ;
• h_interface2, coefficient de transfert thermique de film externe (W m⁻² K⁻¹) ;
• l, épaisseur du matériau séparant les deux phases (m) ;
• λ, conductivité thermique du matériau (W m⁻¹ K⁻¹).

Toutefois, ceci n'est valable que pour un cas idéal sans dépôt sur la surface d'échange qui augmente la résistance au transfert et pour une surface plane. Le cas plus général est donné par l'équation (2)[4] :

${\displaystyle {\frac {1}{US}}={\frac {1}{h_{\text{interface1}}S_{1}}}+{\frac {1}{h_{\text{dépôt1}}S_{d1}}}+{\frac {l}{\lambda S_{\text{m}}}}+{\frac {1}{h_{\text{dépôt2}}S_{d2}}}+{\frac {1}{h_{\text{interface2}}S_{2}}}\qquad (2)}$.

• Résistance de Kapitza
• Conductivité thermique
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