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
Lire cet article issu d'une ressource documentaire complète, actualisée et validée par des comités scientifiques.
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 conductif1. Lois fondamentales de l’échange thermique radiatif
Le lecteur pourra se reporter dans le traité Génie énergétique à l’article Rayonnement thermique des matériaux opaques [A 1 520].
1.1 Aperçu phénoménologique
Un corps dont la température est différente de zéro Kelvin (– 273 oC), ce qui est le cas de la quasi‐totalité de la matière formant notre environnement, émet de l’énergie sous forme de rayonnement. Selon le niveau de température du corps émetteur, ce rayonnement peut être visible ou non. L’origine thermique de ce phénomène conduit à lui donner le qualificatif courant de rayonnement thermique. Qu’il prenne la forme de rayonnement lumineux ou de rayonnement invisible, ce rayonnement appartient à la grande famille des radiations électromagnétiques que les physiciens ont organisée par rapport au critère de longueur d’onde λ (figure 1).
Pratiquement, il s’agit d’un échange d’énergie entre des corps ne présentant pas de contact. Le rayonnement est donc le mode de transfert de chaleur privilégié des corps séparés par le vide ou tout autre milieu intersticiel permettant le passage des radiations : air, gaz transparents, milieux semi‐transparents, ...
Les exemples concrets d’échange radiatif sont nombreux autour de nous. Toutefois, comme l’échange radiatif cohabite presque toujours avec d’autres modes d’échange thermique, il est parfois délicat de l’identifier. Citons le cas du rayonnement solaire, dont l’absorption par le vêtement ou la peau de notre corps se traduit par une sensation de chaleur : dans le rayonnement nous parvenant, on recense du rayonnement visible (la lumière) et du rayonnement invisible (UV et IR). Il y a aussi le cas du feu de cheminée : les flammes émettent de la lumière et de l’infrarouge. La plupart des sources radiatives, dont la température est plus faible (< 500 oC), n’émettent que du rayonnement invisible : plaque électrique de cuisson, four de cuisson domestique, ... Enfin, pour tous les corps dont la température est proche de celle de l’environnement, le corps humain, un arbre, un bâtiment,..., l’émission radiative est beaucoup plus faible et donc moins sensible dans le cadre d’une...
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