Transferts thermiques : pack de révision

Formulaires, étapes clés de la méthode pour chaque thème et 4 exercices, avec les corrigés complets à la fin.

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1Formules et méthodes

Conduction thermique

Loi de Fourier
Q̇ = kAΔT/L
Résistance de conduction
R = L/(kA)
Résistance de convection
R = 1/(hA)
Résistances en série
Q̇ = ΔTtotal/ΣR
Coefficient U
U = 1/(ΣR·A)

Échangeurs de chaleur (DTLM)

Puissance échangée
Q = U·A·ΔTlm
Différence de température logarithmique moyenne (DTLM)
ΔTlm = (ΔT1 − ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)
Bilan d’un fluide
Q = ṁcp(Tin − Tout)

2Exercices

1.Conduction thermiqueMoyen
Plaque de plâtre, k = 0,17200 mmBrique, k = 0,7275 mm25 °C-1 °CTi​ = ?Q̇

Un mur est composé de 200 mm de plaque de plâtre et de 75 mm de brique, avec une surface de 6 m². Les faces extérieures sont à 25 °C et -1 °C. Trouvez la température Ti à l’interface entre les deux couches.

L1 = 200 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,72 W/(m·K)A = 6 m²T1 = 25 °CT3 = -1 °C
Ti = °C
2.Conduction thermiqueDifficile
Polystyrène expansé, k = 0,035200 mmBrique, k = 0,7250 mmpièce 21 °Cextérieur -7 °CTs​ = ?Q̇

Un mur de 200 mm de polystyrène expansé et 50 mm de brique sépare une pièce à 21 °C de l’air extérieur à -7 °C. Les coefficients de convection valent 8 W/(m²·K) à l’intérieur et 30 W/(m²·K) à l’extérieur, et la surface du mur est de 4 m². Trouvez la température Ts de la face intérieure du mur.

L1 = 200 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,72 W/(m·K)A = 4 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -7 °C
Ts = °C
3.Échangeurs de chaleur (DTLM)Moyen
longueurT155 °C80 °C15 °C50 °CΔT₁ΔT₂co-courant

Un échangeur à co-courant transfère 220 kW. Le fluide chaud se refroidit de 155 à 80 °C et le fluide froid se réchauffe de 15 à 50 °C. Le coefficient global d’échange vaut 1000 W/(m²·K). Trouvez la surface d’échange A nécessaire.

Q̇ = 220 kWU = 1000 W/(m²·K)Th: 155 → 80 °CTc: 15 → 50 °C
A = m²
4.Échangeurs de chaleur (DTLM)Difficile
longueurT105 °C25 °C?ΔT₁ΔT₂vapeur en condensation

De la vapeur se condense à une température constante de 105 °C à l’extérieur des tubes d’un condenseur de surface d’échange 5 m² et U = 3000 W/(m²·K). L’eau de refroidissement (2 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) entre dans les tubes à 25 °C. Trouvez la température de sortie de l’eau Tc,out.

Ts = 105 °CA = 5 m²U = 3000 W/(m²·K)ṁ = 2 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 25 °C
Tc,out = °C

3Solutions

1.Conduction thermique

Réponse: Ti = 1,115 °C

Résistance thermique : un flux de chaleur stationnaire à travers des couches en série se comporte comme un courant dans des résistances en série : Q̇ = ΔT/ΣR, avec R = L/(kA) pour une couche conductrice et R = 1/(hA) pour une surface avec convection. La chute de température dans chaque couche est proportionnelle à sa résistance.

Résistances des couches

R1 = L1/(k1A) = (200/1000)/(0,17·6) = 0,1961 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,72·6) = 0,01736 K/W

Flux de chaleur

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 26/0,2134 = 121,8 W

Température à l’interface

La température baisse de Q̇·R₁ dans la première couche.

Ti = T1 − Q̇·R1 = 25 − 121,8·0,1961 = 1,115 °C

Réponse

Ti = 1,115 °C
2.Conduction thermique

Réponse: Ts = 20,41 °C

Résistance thermique : un flux de chaleur stationnaire à travers des couches en série se comporte comme un courant dans des résistances en série : Q̇ = ΔT/ΣR, avec R = L/(kA) pour une couche conductrice et R = 1/(hA) pour une surface avec convection. La chute de température dans chaque couche est proportionnelle à sa résistance.

Résistances en série

Ri = 1/(hiA) = 1/(8·4) = 0,03125 K/W
R1 = L1/(k1A) = (200/1000)/(0,035·4) = 1,429 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,72·4) = 0,01736 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·4) = 0,008333 K/W
ΣR = 1,486 K/W

Perte de chaleur

Q̇ = (21 − (-7))/1,486 = 18,85 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 21 − 18,85·0,03125 = 20,41 °C

Réponse

Ts = 20,41 °C
3.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: A = 3,081 m²

Méthode DTLM : l’écart de température entre les fluides varie le long de l’échangeur, donc l’équation utilise sa moyenne logarithmique : Q̇ = U·A·ΔTlm, avec ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), où ΔT₁ et ΔT₂ sont les écarts aux deux extrémités. Le contre-courant donne un ΔTlm plus grand que le co-courant pour les mêmes températures d’entrée et de sortie.

Écarts de température aux extrémités

À co-courant, les deux entrées sont du même côté, et les deux sorties de l’autre.

ΔT₁ = Th,in − Tc,in = 155 − 15 = 140 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 80 − 50 = 30 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (140 − 30)/ln(140/30) = 71,41 K

Surface

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 220000/(1000·71,41) = 3,081 m²

Réponse

A = 3,081 m²
4.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: Tc,out = 91,7 °C

LMTD method: the temperature difference between the streams changes along the exchanger, so the rate equation uses its logarithmic mean: Q̇ = U·A·ΔTlm, with ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), where ΔT₁ and ΔT₂ are the differences at the two ends. Counter-flow gives a larger ΔTlm than parallel flow for the same inlet and outlet temperatures.

Combiner le bilan d’énergie et l’équation de transfert

Avec ΔT₁ = Ts − Tc,in et ΔT₂ = Ts − Tc,out, la différence ΔT₁ − ΔT₂ est égale à l’élévation de température de l’eau, donc celle-ci se simplifie.

ṁcp(ΔT₁ − ΔT₂) = U·A·(ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)
ln(ΔT₁/ΔT₂) = U·A/(ṁcp) = 3000·5/(2·4180) = 1,794

Température de sortie

ΔT₂ = ΔT₁·e−1,794 = 80·0,1663 = 13,3 K
Tc,out = 105 − 13,3 = 91,7 °C

Réponse

Tc,out = 91,7 °C

Chaleur transférée : Q̇ = 557,6 kW.

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