La convection naturelle (libre)

Résumé du document

La convection est un des trois modes de transfert thermique (conduction, convection et
rayonnement). La particularité de la convection est que le transfert thermique se réalise par
déplacement de matière, contrairement à la conduction et au rayonnement. La convection peut être
forcée ou naturelle.
En convection forcée, la circulation du fluide se fait de manière artificielle (pompe), la
vitesse d'écoulement du fluide peut donc être très élevée, se qui entraîne que les transferts
thermiques par convection forcée sont extrêmement efficaces. La plupart des systèmes de chauffage
central (passage de fluide caloporteur dans des radiateurs) se font par convection forcée (l'eau
chaude est transmise de la chaudière aux radiateurs par la pompe).
La convection naturelle (ou libre) apparaît quant à elle de façon spontanée lorsqu'un fluide
est soumis à un gradient de température et se manifeste par la mise en mouvement de celui-ci. Le
fluide chaud monte et le fluide froid descend. Les transferts thermiques lors de ce phénomène sont
beaucoup moins importants que lors de la convection forcée, mais se phénomène est souvent
utilisés (refroidissement de processeurs, ...). Pour améliorer ces performances, on utilise des ailettes
pour augmenter les surfaces d'échanges.
Quel que soit le type de convection, on distingue deux régimes d'écoulement: laminaire et
turbulent, qui sont fonction de la vitesse.
A faible vitesse, l'écoulement et dit laminaire, il est ordonné et chaque couches de fluides sont
parallèles les unes aux autres. Dans ce type de régime, on peut connaître en tous points la vitesse et
la température du fluide.
Lorsque la vitesse croit, on arrive à une vitesse critique où au-delà, l'écoulement passe du régime
laminaire en régime turbulent. Le fluide est animé de mouvements tourbillonnaires aléatoires, il est
brassé dans les trois dimension et il n'y a plus d'écoulement parallèle. Dans ce type d'écoulement les
échanges thermiques sont favorisés et il n'est plus possible de connaître la vitesse et la température
du fluide en tout points, mais seulement sa vitesse et sa température moyenne.

Extraits

[...] où: mcalo est le débit de fluide caloporteur, Cpcalo la chaleur spécifique du fluide caloporteur, Ts-Te la différence de température entre l'entrée et la sortie du ballon, Qcalo est la quantité de chaleur absorbée par le fluide caloporteur, G le flux solaire, S la surface de capteur et R le rendement du panneau solaire. Qcalo = mcalo*Cpcalo*(Ts-Te) = R*G*S Nous avons pus voir à travers cet exemple, que la convection naturelle est un phénomène complexe à modéliser, mais relativement courant et utile. Nous pouvons observer tous les jours des phénomène de convection libre, qui nous sont plus ou moins utile (convection d'une cheminée, de la fumée de cigarette, courants marins, création de nuages . Références: TRANSFERTS THERMIQUES, Introduction aux sciences des transferts, Jean TAINE et JeanPierre PETIT, édition DUNOD. [...]

[...] sinon le flux solaire ne sera pas suffisant pour déclencher la circulation du fluide caloporteur (Ra > 1700). On doit donc avoir un flux solaire suffisant (création du ΔT), un fluide adapté ( viscosité dynamique pas trop élevée), des dimensions de tuyaux corrects = rayon des tuyaux dans cette exemple) . pour permettre au fluide caloporteur de circuler et d'échanger l'énergie captée du flux solaire avec l'eau sanitaire. Il est généralement assez complexe de résoudre les équations de transferts thermiques permettant de donner la température et la vitesse du fluide caloporteur (résolution numérique), on peut cependant, si nous supposons que nous sommes à l'équilibre, que nous connaissons la température du fluide et de l'eau chaude sanitaire en différents points, ainsi que le flux solaire et le rendement des capteurs, utiliser la thermodynamique pour trouver le débit de fluide caloporteur. [...]

[...] La convection peut être forcée ou naturelle. En convection forcée, la circulation du fluide se fait de manière artificielle (pompe), la vitesse d'écoulement du fluide peut donc être très élevée, se qui entraîne que les transferts thermiques par convection forcée sont extrêmement efficaces. La plupart des systèmes de chauffage central (passage de fluide caloporteur dans des radiateurs) se font par convection forcée (l'eau chaude est transmise de la chaudière aux radiateurs par la pompe). La convection naturelle (ou libre) apparaît quant à elle de façon spontanée lorsqu'un fluide est soumis à un gradient de température et se manifeste par la mise en mouvement de celui-ci. [...]

[...] Ce nombre remplace le nombre de Reynolds en convection naturelle. Il permet aussi de savoir quand le phénomène de convection naturelle démarre (657,5 pour une surface libre et 1770 pour un surface rigide). De plus, de manière générale, si l'on connaît le coefficient d'échange thermique on peut trouver le flux de chaleur échangé par convection entre une surface S à la température Ts et un écoulement à la température Te, grâce à la formule: Φ = h.S.(Te-Ts) Exemple Nous allons illustrer cette explication de la convection naturelle par un exemple qualitatif, celui du chauffe eau solaire par thermosiphon. [...]

[...] Dans ce type d'écoulement les échanges thermiques sont favorisés et il n'est plus possible de connaître la vitesse et la température du fluide en tout points, mais seulement sa vitesse et sa température moyenne. Le principe physique qui permet la convection naturelle est le fait que la masse volumique d'un fluide dépend de sa température. Lorsque l'on chauffe une particule fluide elle se dilate, elle est donc plus légère que les autres particules du fluide et elle monte grâce à la poussée d'Archimède. [...]