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 = 0,17250 mmVerre, k = 0,9625 mm24 °C-9 °CQ̇ = ?

Un mur est composé de 250 mm de plaque de plâtre et de 25 mm de verre, avec une surface de 15 m². Les faces extérieures sont à 24 °C et -9 °C. Trouvez le flux de chaleur Q̇ à travers le mur.

L1 = 250 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 15 m²T1 = 24 °CT3 = -9 °C
Q̇ = W
2.Conduction thermiqueDifficile
Béton, k = 1,4100 mmLaine minérale, k = 0,04100 mmpièce 21 °Cextérieur 3 °CQ̇ = ?

Un mur de 100 mm de béton et 100 mm de laine minérale sépare une pièce à 21 °C de l’air extérieur à 3 °C. Les coefficients de convection valent 6 W/(m²·K) à l’intérieur et 25 W/(m²·K) à l’extérieur, et la surface du mur est de 20 m². Trouvez la perte de chaleur Q̇ à travers le mur.

L1 = 100 mm, k1 = 1,4 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 20 m²hi = 6 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = 3 °C
Q̇ = W
3.Échangeurs de chaleur (DTLM)Moyen
longueurT140 °C125 °C70 °C20 °CΔT₁ΔT₂contre-courant

Un échangeur à contre-courant transfère 320 kW. Le fluide chaud se refroidit de 140 à 125 °C et le fluide froid se réchauffe de 20 à 70 °C. Le coefficient global d’échange vaut 800 W/(m²·K). Trouvez la surface d’échange A nécessaire.

Q̇ = 320 kWU = 800 W/(m²·K)Th: 140 → 125 °CTc: 20 → 70 °C
A = m²
4.Échangeurs de chaleur (DTLM)Difficile
longueurT110 °C25 °C?ΔT₁ΔT₂vapeur en condensation

De la vapeur se condense à une température constante de 110 °C à l’extérieur des tubes d’un condenseur de surface d’échange 3 m² et U = 1500 W/(m²·K). L’eau de refroidissement (1,5 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 = 110 °CA = 3 m²U = 1500 W/(m²·K)ṁ = 1,5 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 25 °C
Tc,out = °C

3Solutions

1.Conduction thermique

Réponse: Q̇ = 330,7 W

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) = (250/1000)/(0,17·15) = 0,09804 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,96·15) = 0,001736 K/W

Flux de chaleur

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 33/0,09978 = 330,7 W

Réponse

Q̇ = 330,7 W
2.Conduction thermique

Réponse: Q̇ = 129,6 W

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/(6·20) = 0,008333 K/W
R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(1,4·20) = 0,003571 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,04·20) = 0,125 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·20) = 0,002 K/W
ΣR = 0,1389 K/W

Perte de chaleur

Q̇ = (21 − (3))/0,1389 = 129,6 W

Réponse

Q̇ = 129,6 W
3.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: A = 4,634 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 contre-courant, l’entrée chaude fait face à la sortie froide, et la sortie chaude à l’entrée froide.

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 140 − 70 = 70 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 125 − 20 = 105 K

Écart de température moyen logarithmique

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (70 − 105)/ln(70/105) = 86,32 K

Surface

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 320000/(800·86,32) = 4,634 m²

Réponse

A = 4,634 m²
4.Échangeurs de chaleur (DTLM)

Réponse: Tc,out = 68,53 °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) = 1500·3/(1,5·4180) = 0,7177

Température de sortie

ΔT₂ = ΔT₁·e−0,7177 = 85·0,4879 = 41,47 K
Tc,out = 110 − 41,47 = 68,53 °C

Réponse

Tc,out = 68,53 °C

Chaleur transférée : Q̇ = 272,9 kW.

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