Sciences physiques et chimiques en laboratoire (STL) · Terminale · Systèmes et procédés
Transferts thermiques, échangeurs et pompes à chaleur
Déplacer la chaleur où l’on veut.
En bref
Chauffer un bâtiment, refroidir un réacteur, pasteuriser du lait : l’industrie passe son temps à déplacer de l’énergie thermique.
Chauffer un bâtiment, refroidir un réacteur, pasteuriser du lait : l’industrie passe son temps à déplacer de l’énergie thermique. Il faut savoir comment elle passe, combien il en passe, et à quel coût.
Trois modes de transfert
| Mode | Support | Exemple |
|---|---|---|
| conduction | de proche en proche dans la matière, sans déplacement | une paroi de four |
| convection | par déplacement d’un fluide | un radiateur qui chauffe l’air |
| rayonnement | par ondes électromagnétiques, même dans le vide | le Soleil, une braise |
Le transfert se fait spontanément du corps chaud vers le corps froid.
Résistance thermique
Le flux thermique Φ (puissance, en W) à travers une paroi dépend de l’écart de température :
Φ = (T_chaude − T_froide) / R_th et R_th = e / (λ × S)
e est l’épaisseur, S la surface, λ la conductivité thermique du matériau (W·m⁻¹·K⁻¹). Un isolant a un λ faible. Pour une paroi faite de plusieurs couches, les résistances s’additionnent.
Les échangeurs thermiques
Deux fluides séparés par une paroi échangent de l’énergie. En régime stationnaire, le flux cédé par le fluide chaud est reçu par le fluide froid :
Φ = q_m × c × ΔT (q_m débit massique en kg/s, c capacité thermique massique)
| Circulation | Particularité |
|---|---|
| co-courant | les deux fluides vont dans le même sens |
| contre-courant | sens opposés : l’écart de température reste plus régulier, l’échange est plus efficace |
Le dimensionnement utilise un écart de température moyen (relation fournie) et la surface d’échange.
La chaudière
Elle transfère à l’eau l’énergie libérée par une combustion. Le pouvoir calorifique PC d’un combustible est l’énergie libérée par kilogramme (ou par m³) brûlé :
masse de combustible = énergie à fournir / PC
Si l’eau change d’état (production de vapeur), il faut ajouter l’énergie de vaporisation q_m × L.
Pompes à chaleur et machines frigorifiques
Pour faire passer de l’énergie du froid vers le chaud (sens non spontané), il faut fournir un travail W (le compresseur). Un fluide frigorigène circule en boucle : il s’évapore côté froid (il y prélève Q_f), est comprimé (sa température monte), se condense côté chaud (il y cède Q_c), puis est détendu (sa température baisse).
- Premier principe (conservation) : Q_c = W + Q_f (en valeurs positives).
- Second principe : un transfert thermique spontané du froid vers le chaud est impossible.
COP pompe à chaleur = Q_c / W ; COP machine frigorifique = Q_f / W
Un COP de 3 signifie qu’on récupère 3 kWh de chaleur pour 1 kWh électrique consommé.
Exemple travaillé
Un échangeur chauffe 0,50 kg/s d’eau de 15 °C à 55 °C (c = 4 180 J·kg⁻¹·K⁻¹).
- Φ = 0,50 × 4 180 × 40 ≈ 84 kW.
- Avec une pompe à chaleur de COP 4, il faut W = 84 / 4 = 21 kW électriques.
Le COP d’une pompe à chaleur est supérieur à 1 sans rien violer : elle ne crée pas d’énergie, elle en déplace depuis l’extérieur.
Teste-toi
6 questions pour vérifier
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1.Le transfert thermique par déplacement d’un fluide s’appelle…
2.Quel mode de transfert peut se faire dans le vide ?
3.La résistance thermique d’une paroi vaut…
4.Pour une paroi à plusieurs couches, les résistances thermiques…
5.Φ = 400 W à travers une paroi de résistance 0,050 K/W. L’écart de température vaut…
6.Un échangeur à contre-courant est en général…
0 / 6 questions
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