Transfert d’énergie qui s’accompagne de déplacement de molécules dans un fluide.
Convection naturelle :
Les changements de propriétés du corps chauffé entraînent le déplacement des molécules et participent ainsi au brassage et la répartition de l’énergie calorifique globale. Le transfert d’énergie se fait par le mouvement du fluide soumis à des écarts de température.
Exemple : l’air chaud (de part son agitation moléculaire) est moins dense (et donc plus léger que l’air froid) et s’élève (sous l’effet de la poussée d’Archimède) en échangeant de l’énergie avec les molécules plus froides
Dans un bâtiment
- l’air intérieur subit des mouvements de convection relativement faibles
- l’air extérieur peut par contre être beaucoup plus agité (vent)
- Les parois verticales sont davantage « léchées » par les courants d’air , l’air stagne davantage près des parois horizontales
Convection forcée :
Lorsque l'air est brassé mécaniquement par exemple, cela améliore l'échange thermique.
Certains chauffages sont basés sur ce principe: on met les molécules en mouvement par un dispositif mécanique et on les envoie sur un dispositif chauffant.
Loi relative à la convection:
C’est le transfert de chaleur entre un solide et un fluide, l’énergie étant transmise par déplacement du fluide. Ce mécanisme est régi par la loi de Newton :
| \( \phi = h\left( {T_p - T_f } \right) \) en \( W·m^{-2} \) |
| \( \varphi = h S\left( {T_p - T_f } \right) \) en \( W \) |
- \( \phi \) est la densité de flux thermique exprimée en watts par mètre carré \( W·m^{-2} \) ;
- \( \varphi \) est le flux thermique total exprimée en watts \( W \) ;
- h le coefficient d'échange thermique en \( W·m^{-2}·K^{-1} \) ;
- S est la surface d'échange considérée (m2) ;
- \( T_p \) est la température du fluide à la surface de la paroi (°C ou K) ;
- \( T_f \) est la température du fluide (°C ou K).
Le coefficient de transfert de chaleur par convection h dépend de la nature du fluide de sa vitesse de sa température et des caractéristiques géométriques de la surface de contact.
A titre d'exemple quelques ordres de grandeur de coefficients de convection
| convection libre (air) | 5-25 |
| convection libre (eau) | 100-900 |
| convection forcée(air) | 10-500 |
| convection forcée(eau) | 100-15 000 |
| convection forcée(huile) | 50-2 000 |
La résistance ventilo convective:
Comme la résistance thermique d'une paroi a été décrite, on peut de la même manière décrire le phénomène de convection comme une résistance thermique des couches d'air.
Dans le bâtiment le coefficient h qui dépend du vent est remplacé par les résistances superficielles des parois intérieure \( r_{si} \) et extérieure \( r_{se} \). avec l’équivalence \( \frac{1}{h} = {r_S} \)
exemples de valeurs de \( r_{si} \) et \( r_{se} \)
Exemple
Une glacière (30x30x50cm) a sa paroi extérieure à \( 30°C \).
Le flux entrant dans la glacière vaut \( 13,1 W \).
L'air chaud a un coefficient de convection \( h=10 W·m^{-2}·K^{-1} \)
Quelle est la température de l'air loin de la glacière?
\( \varphi = h S\left( {T_p - T_f } \right) \)
donc \( T_p = {{\varphi} \over {h S}} + T_f = -{{-13,1} \over {10 \times 0,78}} + 30 = 31,6 °C \)
Vidéo
La convection (Christophe Finot) 7'38 https://youtu.be/NnQtfLD1aDM
Manip Lycée Montaigne de Bordeaux: Convection (thermosiphon) par Kaloucito (2'04") https://www.youtube.com/watch?v=fqnkhC6jC7M
