Présentation
Auteur(s)
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Patrick DEPECKER : Docteur-ingénieur, Docteur ès-sciences - Professeur de l’Université Claude Bernard Lyon 1
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Christian INARD : Maître de conférences de l’Université Claude Bernard Lyon 1 - Docteur-ingénieur
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Lire l’articleINTRODUCTION
Le génie climatique est l’un des domaines d’application privilégié de la discipline des transferts thermiques. Sa particularité réside dans une exploitation des lois de base sous une forme plus ou moins simplifiée, compatible avec la pratique du métier d’ingénieur. Bien que les moyens de calcul soient, depuis une trentaine d’années, en constante progression, il demeure indispensable de disposer de règles de calcul adaptées. Le calcul prédictif, validé par l’expérimentation, des performances d’un propulseur d’avion justifie une modélisation fine, appelant souvent des travaux de recherche approfondis. Le calcul des installations de génie climatique, quant à lui, supporte et exige des outils de modélisation plus simples, pour des raisons à la fois opérationnelles, techniques et économiques, mais aussi pour préserver la cohérence de l’ensemble des modèles utilisés. Il serait en effet incorrect de modéliser très finement un transfert conductif dans une paroi, alors que les coefficients d’échanges de surface ne sont connus que très approximativement et varient beaucoup sur la globalité de cette surface.
Cependant, les outils de calcul du génie climatique ont fait d’importants progrès au cours des dernières décennies. L’informatisation massive des bureaux d’études a permis l’apparition de modèles de calcul capables de prendre en compte le régime variable pour certaines applications de l’ingénierie. Ces modèles demeurent simplifiés par rapport aux instruments de la recherche en transfert thermique. On trouvera donc dans cet article un rappel des lois physiques, telles qu’elles peuvent être mises en œuvre dans le domaine du génie climatique. Leur caractère fondamental est donc en rapport avec l’objectif visé et le lecteur pourra, s’il souhaite en connaître l’origine, consulter d’autres articles des Techniques de l’Ingénieur ou d’autres ouvrages, plus spécialisés sur les fondements des lois de transferts thermiques. Il s’agit donc là d’une base de connaissance des mécanismes macroscopiques que l’ingénieur pourra utilement exploiter pour l’étude des systèmes physiques auxquels il est confronté.
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Lois fondamentales de l’échange thermique convectif2. Lois fondamentales de l’échange thermique conductif
Le lecteur pourra se reporter dans le traité Génie énergétique à l’article Transmission de l’énergie thermique. Conduction .
2.1 Aperçu phénoménologique
Le transfert de chaleur conductif est le mode privilégié de déplacement de la chaleur dans les solides denses. Il s’agit d’un modèle de représentation globale du phénomène, satisfaisant pour décrire la transmission de la chaleur dans les systèmes physiques rencontrés en génie climatique.
Lorsque les matériaux présentent une densité faible (isolants thermiques par exemple), il est possible de donner une image plus fine de la diffusion de la chaleur en examinant, à une échelle macroscopique, la nature des échanges. Ainsi, l’analyse des mécanismes dans les matériaux bullés (bétons légers, matières plastiques bullées, verre bullé...) conduit à une représentation fine du transfert de chaleur faisant intervenir le rayonnement. Mais, globalement, et compte tenu des objectifs d’utilisation du modèle conductif, il est presque toujours suffisant de s’en tenir au modèle très intuitif de la conduction.
Il est difficile, dans la plupart des situations courantes rencontrées en génie climatique, d’isoler le seul mécanisme de transfert par conduction. Celui‐ci coexiste en effet avec les autres modes d’échange.
Considérons les exemples simples suivants :
Si nous touchons de la main un tube métallique à l’intérieur duquel circule l’eau chaude dirigée vers un usage sanitaire (douche, baignoire), nous ressentons l’impression de chaleur. Le métal du tube conduit la chaleur et une part du potentiel calorifique de l’eau se dissipe dans le métal puis dans la main. Cet exemple permet de donner une image sensible de la conduction.
Comme le montre cet exemple, la chaleur se déplace du site le plus chaud vers le site le plus froid, en diffusant dans les matériaux constitutifs des parois. La diffusion de cette chaleur dans les parois porte le nom de transfert conductif.
Dans le domaine du génie climatique, les parois séparant les masses d’air (comme les parois des bâtiments), les masses liquides (comme les parois des échangeurs de chaleur à eau), ou encore les masses d’air des masses liquides (comme les parois de corps de chauffe à eau tels que les radiateurs des appartements) sont, s’il y a un gradient de température entre les masses fluides, le siège de transferts...
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