Coefficient de convection thermique
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Le coefficient de convection thermique ou coefficient de transfert par convection est un coefficient de transfert thermique.
Il permet de quantifier un transfert de chaleur réalisé par un phénomène de convection au sein d'un fluide en mouvement (contre une paroi froide ou chaude, ou au-dessus d'une étendue d'eau par exemple).
Le coefficient de convection thermique s'exprime en watts par mètre carré-kelvin[1] (W m−2 K−1.)
Enjeux
Tout fluide (l'air par exemple) a des propriétés de masse volumique qui évoluent avec la température et la pression. Ainsi un air à 40 °C est moins dense que de l’air à 10 °C, il va donc s'élever. Un fluide en contact avec une surface chaude ou froide va ainsi tendre respectivement à monter ou descendre le long de la paroi, en engendrant des courants de convection dans le volume d'air.
Ces convections entraînent des transports de chaleur et le cas échéant des transferts d'humidité ou des mouvements de particules en suspension dans l'air (odeur, poussières, etc.) et peuvent être ressentis quand ils sont significatifs, à l'intérieur ou à l'extérieur d'un bâtiment.
Le coefficient de convection thermique est un des paramètres à renseigner dans certains outils logiciels de simulation informatique dynamique du bâtiment[2]. Il peut avoir une importance significative dans les systèmes de chauffage, évaporation ou séchage convectifs[3], ou encore en matière de gestion et d'économies d'énergie, ou de gestion des problèmes de condensation.
Éléments de définition
Ce coefficient régit les transferts thermiques par convection à proximité d'une surface d'échange.
Il permet d'établir une résistance thermique de convection
Ce coefficient dépend de la nature du fluide, de la température de celui-ci ainsi que du type d'écoulement.
Il ne peut donc être utilisé pour calculer le transfert thermique au travers d'une paroi par conduction qui est régi par la conductivité thermique et qui dépend de l'épaisseur de la paroi.
Pour un transfert au travers plusieurs éléments différents, le coefficient de transfert thermique global est d'application.
Un cas limite est celui d'une convection (naturelle ou forcée) au sein d'une couche poreuse, qui met en jeu un Coefficient de transfert solide-fluide[4]
On notera que selon la définition ci-dessus, l'utilisation du terme « convectif » est abusive dans le sens que le transfert décrit implique de la conduction au niveau du liquide se situant à proximité de la paroi où la vitesse perpendiculaire à la paroi du fluide est nulle[5].
Convection thermique
La convection thermique décrit le transfert de chaleur dans des milieux fluides associé à un transfert de matière.
Résistance thermique de convection
La résistance thermique de convection est donnée par , en kelvins par watt
Flux thermique à la surface de la paroi
Au contact d'une paroi solide, le flux de chaleur entre le fluide à la surface de la paroi et le reste du fluide est donné par :
avec :
- est la densité de flux thermique exprimée en watts par mètre carré (W m−2) ;
- est le flux thermique en watts (W);
- le coefficient d'échange thermique (W m−2 ·K−1) ;
- est la surface d'échange considérée (m2) ;
- est la température du fluide à la surface de la paroi (°C ou K) ;
- est la température du fluide (°C ou K).
