Coefficient de transfert thermique global

Le coefficient de transfert thermique global, marqué U, indique la facilité avec laquelle l'énergie thermique passe un milieu. Ses unités sont les suivantes : W/(m²°C).

Vapeur/eau

L'article suivant montre comment calculer et comparer la valeur U pour le transfert thermique de la vapeur et de l'eau à travers différents types de matériaux, y compris les coefficients de transmission de surface et de paroi.

Le coefficient de transfert thermique global est déterminé par l'épaisseur et la conductivité thermique des matériaux à travers lesquels la chaleur est transférée. Plus le coefficient est élevé, meilleur est la diffusion thermique. Dans un échangeur de chaleur, la relation entre le coefficient de transfert thermique global (U) et la puissance thermique échangée (Q) peut être démontrée par l'équation suivante :

Avec

Avec cette équation, on peut voir que U est proportionnel à Q. En supposant que la surface de transfert thermique et la différence de température restent invariables, plus U est élevé, plus la puissance thermique échangée est importante. En d'autres termes, cela signifie que pour un échangeur de chaleur et un produit donnés, une valeur U plus élevée générera des temps de chauffe plus courts et donc une augmentation de la productivité.

Calcul de la valeur de U

Plusieurs équations peuvent être utilisées pour déterminer U, dont l'une est :

Avec

Transfert thermique à travers une paroi métallique

Dans le cas de la production d'eau chaude par exemple, le transfert thermique s'effectue essentiellement du fluide 1 (fluide caloporteur) à travers un solide conducteur (paroi métallique) vers le fluide 2 (eau, le produit à chauffer). Cependant, la résistance thermique de la paroi doit également être prise en compte. C'est pourquoi le coefficient de convection thermique (h), parfois appelé coefficient de transmission thermique surfacique, est inclus dans le calcul du transfert thermique entre un fluide et une paroi conductrice.

De plus, dans certaines applications spécifiques telles que le chauffage de procédés pharmaceutiques ou biotechnologiques, la diffusion thermique se réalise à travers plusieurs couches de matériaux. On modélise l'influence de ces couches en ajoutant dans l'équation le rapport épaisseur du solide (L)/conductivité thermique (λ) pour chacune d'entre-elles.

Pour faciliter les exemples de calcul ci-dessous, les valeurs suivantes peuvent être utilisées comme référence pour les coefficients de convection thermique :

Fluide	Coefficient de convection thermique (h)
Eau	environ 1000 W/(m2 °C)
Eau chaude	1000 - 6000 W/(m2 °C)
Vapeur	6000 – 15000 W/(m2 °C)

Exemple de comparaison de l'influence sur U de différentes sources de chaleur, de vapeur ou d'eau chaude sur l'U

Deux cuves à double paroi en acier au carbone (λ = 50 W/(m °C) d'une épaisseur de 15 mm sont utilisées pour chauffer l'eau. L'une utilise de l'eau chaude comme fluide caloporteur, et l'autre, de la vapeur. En supposant des coefficients de transfert thermique de 1000 W/m² °C pour l'eau à chauffer, 3000 W/m² °C pour l'eau chaude, et 10000 W/m² ° C pour la vapeur, calculons les valeurs U des deux procédés de chauffage.

Cuve à double enveloppe en acier au carbone - Comparaison entre l'eau liquide et la vapeur d'eau en tant que fluide caloporteur

Eau :

Vapeur :

Avec la vapeur, U augmente de 17%.

Supposez maintenant que la paroi de la cuve possède un revêtement en verre de 1 mm d'épaisseur (λ = 0,9 W/(m °C)). L'addition de ces valeurs dans l'équation de U ci-dessus donne les résultats suivants :

Cuve à double paroi en verre - Comparaison entre l'eau chaude et la vapeur

Eau chaude :

Vapeur :

En cas de plus forte résistance thermique, la valeur U augmente aussi, mais seulement de 9 %, ce qui démontre comment un mauvais conducteur thermique comme le verre peut fortement gêner le transfert thermique.

Ainsi, pour certains appareils de chauffage comme une cuve en acier au carbone, utiliser de la vapeur à la place de l'eau peut améliorer significativement la valeur U et le transfert thermique si le matériau de la paroi est très conducteur. Cependant, avec plusieurs couches de matériaux, (y compris des matériaux peu conducteurs comme le verre), l'amélioration du transfert sera marginale.

Certains procédés nécessitent un matériau de paroi spécifique comme le verre, pour éviter toute réaction avec le produit. Néanmoins, le coefficient de transfert thermique peut être amélioré en remplaçant l'eau chaude par la vapeur.

Compréhension avancée

Encrassement

L'encrassement de la surface du matériau de la paroi peut gêner considérablement le transfert thermique. Ce problème peut survenir aussi bien du côté du fluide de chauffage que du côté du produit à chauffer pour de multiples raisons. Certaines causes peuvent être des dépôts de particules du côté du chauffage et des températures trop élevées ou trop basses du côté du produit à chauffer.

Par exemple, la pression de la vapeur est parfois augmentée afin de refouler le condensât à travers la vanne de régulation de sortie sur un pot de purge. Cependant, avec une augmentation de la pression à l'intérieur de l'échangeur de chaleur, la température de la vapeur augmente en conséquence, et peut entraîner une augmentation de l'encrassement du côté du produit. Inversement, pour des produits ayant besoin de chaleur pour maintenir leur viscosité, des températures trop basses peuvent provoquer la solidification. Par ailleurs, l'encrassement peut être causé par les résidus entraînés par le condensât.

De la même manière que le revêtement en verre, l'incidence de l'encrassement peut être ajoutée à l'équation ci-dessus en incluant le rapport de son épaisseur (L_F) sur sa conductivité (λ_F). Mais il est généralement incorporé et exprimé comme facteur d'encrassement pour un échangeur en service. On utilise ce calcul pour comparer la réduction de U entre un échangeur propre et un échangeur en service.

Transfert de la chaleur de la vapeur

Qu'est-ce que la vapeur sous vide?