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Définition de la conduction thermique

Qu’est-ce que la conduction thermique ? À quoi sert la conduction thermique?

Un matériau soumis à un différentiel de température conduira la chaleur, c’est-à-dire l’énergie, de la zone à haute température à la zone à basse température. Comprendre la conduction à travers un matériau et pouvoir calculer le flux de chaleur à travers une paroi ou un tube par exemple est essentiel pour effectuer des bilans thermiques et pouvoir effectuer les calculs de conception suivants :

• Conception du bâtiment: calcul du flux de chaleur à travers les murs, calcul de l’isolation requise pour l’efficacité énergétique / les économies d’énergie du bâtiment afin d’optimiser le gain ou la perte de chaleur, conception d’une pièce chaude / d’appel spéciale
• Conception de l’échangeur de chaleur : calcul du flux de chaleur à travers les tuyaux afin de dimensionner les échangeurs de chaleur à enveloppe tubulaire, échangeur de chaleur à plaques… pour le service de processus

Le flux de chaleur peut être calculé pour les applications de refroidissement et de chauffage.

Chaque matériau est caractérisé par une capacité à conduire la chaleur. Elle se traduit par un coefficient de conductivité thermique couramment noté λ. Il faut être prudent car λ peut varier beaucoup d’un matériau à l’autre et peut également varier avec la température. Lorsque la conduite de chaleur est une priorité, comme dans la conception d’un échangeur de chaleur, λ doit être élevé, tandis que lorsque l’isolation est une priorité, comme la conception d’un bâtiment ou l’isolation de tuyaux entre les unités de traitement, λ doit être faible. Il est également possible d’associer différents matériaux, notamment dans des applications d’isolation, afin d’atteindre un objectif λ tout en optimisant le coût et la largeur des couches de matériau.

Figure 1 : Flux thermique à travers une paroi plane d’un matériau de conductivité λ

Conduction thermique à travers une paroi

Comment calculer la conduction thermique à travers une paroi ?

La conduction à travers une paroi peut être exprimée simplement. La conduction sera plus élevée si la conductivité thermique du matériau est plus élevée et son épaisseur est faible. Au contraire si l’isolation est recherchée, la conduction sera plus faible si la conductivité thermique du matériau est faible et l’épaisseur de paroi est importante.

La chaleur transférée par conduction à travers la paroi peut s’exprimer de la manière suivante :

Q = U.A.ΔT

Avec:

Q = chaleur transférée en W
U = coefficient de transfert de chaleur global en W/m2.°c
A = surface de transfert de chaleur en m2
ΔT = différence de température sur chaque surface de la paroi en °c

Le flux de chaleur, qui est la chaleur transférée exprimée en fonction de la surface d’échange de chaleur, peut être calculé de la manière suivante :

Φ = Q/A = U.ΔT

Avec :

Φ = flux de chaleur en W/ m2
Q = chaleur transférée en W
U = coefficient de transfert de chaleur global en W/m2.°c
A = surface de transfert de chaleur en m2
ΔT = différence de température sur chaque surface de la paroi en °c

Dans le cas d’une paroi simple, monomatériau, le transfert de chaleur global peut être exprimé par :

U = 1/R = 1/(e/λ)

Avec :

U = transfert de chaleur global coefficient en W/m2.°c
R = résistance au transfert de chaleur en m2.°c/W
e = épaisseur de paroi en m
λ = conductivité thermique du matériau en W/m. °c

Pour une seule paroi monomatériau, les expressions peuvent alors être résumées comme suit :

Φ = Q/A =(Tskin1-Tskin2) / R =(Tskin1-Tskin2) /(e/λ)

Avec :

Tskin1 = température à la surface de la paroi 1 en °c
Tskin2 = température à la surface de la paroi 2 en °c

Exemple de la conduction thermique à travers un mur: en été, le propriétaire d’une maison faite uniquement de murs de briques veut connaître le chauffage transmettant à travers le mur de sa maison, afin qu’il puisse décider s’il a besoin d’isoler pour des économies d’énergie. Les briques ont une conductivité de 0,8 W / m / K et une largeur de 15 cm. Le mur mesure 6 m de long pour 3 m de haut. Il mesure 35 degrés sur la surface extérieure et 22 degrés sur la surface du mur à l’intérieur.

Φ = Q /A =(Tskin1-Tskin2) / R =(Tskin1-Tskin2) /(e/λ) = (35-22)/(0.15/0.8) = 69.3 L/m2.° c

Q = Φ *A = 69.3*6*3 = 1248 W = 1,2 kW

Conduction thermique à travers une paroi composite

Comment isoler une paroi avec une couche de matériau à faible conductivité thermique?

Dans de nombreux cas, en particulier lorsque l’isolation est recherchée, le mur n’est pas constitué d’un seul matériau, mais de plusieurs couches de matériaux ayant des propriétés différentes. C’est un mur composite. Il est alors courant d’avoir un matériau qui apporte le besoin structurel du mur, et un matériau qui fournit une isolation.

Du fait de la géométrie simple des parois planes parallèles, les expressions développées pour la paroi simple sont conservées, seule la résistance globale de la paroi composite doit être recalculée afin de prendre en compte la résistance des différentes couches. Dans le cas d’une paroi composite, ces résistances sont additives.

En considérant une paroi constituée de n couches d’épaisseur ei et de conductivité λi, la résistance totale de la paroi composite sera :