Coefficient de transfert thermique

Le coefficient de transfert thermique ou coefficient de transmission thermique est un coefficient qui indique la facilité avec laquelle l'énergie thermique passe un obstacle ou un milieu. Il quantifie le flux d'énergie traversant un milieu, par unité de surface, de volume ou de longueur. L'inverse du coefficient de transfert thermique est la résistance thermique surfacique. C'est un terme important dans l'équation d'un transfert thermique.

Dans le cas d'un transfert surfacique, il est appelé coefficient de transfert thermique surfacique ou résistance thermique d'interface. C'est dans ce cas un flux thermique au travers d'une surface d'échange. Il permet de calculer l'intensité de l'énergie échangée par unité de surface et unité de temps en fonction de la différence de température de part et d'autre de la surface d'échange.

Dans le cas d'un transfert le long d'une surface dont l'une des dimensions excède fortement l'autre, on parle de coefficient de transfert thermique linéique. Dans le cas d'un transfert pour lequel on peut considérer que le flux passe par un point, on parle de coefficient de transfert thermique ponctuel.

Définition

Mathématiquement, on définit de la manière suivante le coefficient de transfert thermique (ici pour un cas de transfert thermique surfacique) :

$U={\frac {\Phi }{S\ \Delta T}}$

avec :

• $U$ : coefficient de transfert thermique, exprimé en watts par mètre carré-kelvin (W/m²/K) ;
• $\Phi$ : flux thermique (puissance transférée), en watts (W) ;
• $S$ : surface d'échange, en mètres carrés (m²) ;
• $\Delta T$ : différence de température de part et d'autre de la paroi, en kelvins ou en degrés Celsius (K ou °C).

Le transfert thermique est facilité par un coefficient élevé, qui est dépendant de la rugosité des surfaces en vis-à-vis et de la pression exercée par l'une sur l'autre. Il varie entre 2 et 200 kW m⁻² K⁻¹.

Coefficient de transfert thermique global

Analogie du transfert thermique avec le courant électrique.

Dans le cas d'une interface complexe composée de plusieurs surfaces d'échange successives, il est possible de composer les coefficients pour obtenir le coefficient de transfert global. Ceci est particulièrement utilisé dans les échangeurs de chaleur où l'on trouve deux interfaces et une résistance due à la paroi qui sépare les deux fluides, ou dans l'isolation des bâtiments, où le complexe isolant comporte plusieurs matériaux et plusieurs interfaces.

La composition se calcule en additionnant les inverses des différents coefficients d'interface et des coefficients de transfert à la manière de la composition de résistances électriques en parallèle (en supposant que le flux est unidirectionnel).

Le coefficient de transfert global est en général noté U, et pour les coefficients de transfert locaux ou de film, le symbole h est utilisé.

${\frac {1}{U}}={\frac {1}{h_{\text{interface1}}}}+{\frac {l}{\lambda }}+{\frac {1}{h_{\text{interface2}}}}\qquad (1)$

avec :

• U, coefficient de transfert thermique global (W/m²/K) ;
• h_interface1, coefficient de transfert thermique de film interne (W/m²/K) ;
• h_interface2, coefficient de transfert thermique de film externe (W/m²/K) ;
• l, épaisseur du matériau séparant les deux phases (m) ;
• λ, conductivité thermique du matériau (W/m/K).

Toutefois, cela n'est valable que pour un cas idéal sans dépôt sur la surface d'échange qui augmente la résistance au transfert et pour une surface plane. Le cas plus général est donné par l'équation (2) :

${\frac {1}{US}}={\frac {1}{h_{\text{interface1}}S_{1}}}+{\frac {1}{h_{\text{dépôt1}}S_{d1}}}+{\frac {l}{\lambda S_{\text{m}}}}+{\frac {1}{h_{\text{dépôt2}}S_{d2}}}+{\frac {1}{h_{\text{interface2}}S_{2}}}\qquad (2)$.

Usages

En thermique du bâtiment, il est fréquent de caractériser les performances thermiques des parois et des fenêtres par leur coefficient de transmission thermique. On détermine coefficient de transmission global intégrant les contributions des différentes couches constituant la paroi, notamment la structure porteuse et l'isolant.

Articles connexes

• Résistance de Kapitza
• Conductivité thermique
• Résistance thermique
• Coefficient de convection thermique
• Coefficient de rayonnement thermique
• Flux thermique
• Énergie