Coefficient de transfert thermique

Lecoefficient de transfert thermiqueoucoefficient de transmission thermiqueest un coefficient quantifiant le flux d'énergie traversant un milieu, par unité de surface, de volume ou de longueur. L'inverse du coefficient de transfert thermique est larésistance thermique.C'est un terme important dans l'équation d'untransfert thermiqueet permet d'indiquer la facilité avec laquelle l'énergie thermique passe un obstacle ou un milieu.

Dans le cas d'un transfert surfacique, il est appelécoefficient de transfert thermique surfaciqueourésistance thermique d'interface.C'est dans ce cas unflux thermiqueau travers d'unesurface d'échange.Il permet de calculer l'intensité de l'énergie échangée par unité de surface et unité de temps en fonction de la différence de température de part et d'autre de la surface d'échange.

Dans le cas d'un transfert le long d'une surface dont l'une des dimensions excède fortement l'autre, on parle decoefficient de transfert thermique linéique.Dans le cas d'un transfert pour lequel on peut considérer que le flux passe par un point, on parle decoefficient de transfert thermique ponctuel.

Définition

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

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

avec:

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

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

Coefficient de transfert thermique global

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 leséchangeurs de chaleuroù l'on trouve deux interfaces et une résistance due à laparoiqui 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 notéU,et pour les coefficients de transfert locaux ou de film, le symbolehest utilisé.

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

avec:

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

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

Usages

Bâtiment

Enthermique du bâtiment,il est de plus fréquent d'avoir à considérer des coefficients de transfert thermique globaux. Pour les menuiseries, on note «U_g» le coefficient thermique du vitrage seul (avec l'indice g pour«glass»), «U_f» celui du cadre de menuiserie (avec f pour«frame»), mais c'est généralement le coefficient global de la menuiserie «U_w» (avec w pour«window») qui est retenu.

Pour lesfenêtres,on dit parfois à tort «coefficient thermique» au lieu de « coefficient de transmission thermique » (U_w,U_fetU_g), une mesure de l'isolation des fenêtres(ces coefficients s'expriment en W m⁻²K⁻¹).

De même, pour lesparois,qu'il s'agisse de murs ou de planchers, il est déterminé unU_paroi,coefficient de transfert thermique global intégrant les apports des différentes couches constituant la paroi, principalement la partie porteuse — comme un mur en béton armé — et la partie isolante — fibre minérale ou matériau isolant de typepolystyrène expanséou extrudé.

En plus des parois, sont considérés quelques zones, lignes et points particuliers. Le coefficient de transmission thermique linéique est noté «${\psi }$». Il s'agit d'un terme correctif pour l’effet linéaire d’unpont thermique,égal au flux thermique stationnaire divisé par la longueur et la différence de température entre les ambiances de part et d’autre du pont thermique linéaire.

Le coefficient de transmission thermique ponctuel${\chi }$est un terme correctif pour l’effet ponctuel d'un pont thermique, égal au flux thermique stationnaire divisé par la différence de température entre les ambiances de part et d’autre d'un pont thermique ponctuel.

Ces coefficients désignent la valeur qui doit être ajoutée auflux thermiqueobtenu à partir des valeursUdes parois.

Articles connexes

• Résistance de Kapitza
• Conductivité thermique
• Résistance thermique
• Coefficient de convection thermique
• Coefficient de rayonnement thermique
• Flux thermique
• Énergie