Coefficient global de transfert de chaleur : 11 faits importants

QUEL EST LE COEFFICIENT GLOBAL DE TRANSFERT DE CHALEUR ?

Dans l'industrie, les problèmes de transfert de chaleur sont généralement résolus pour les matériaux composites ou les systèmes avec différentes couches qui impliquent différents modes de transfert de chaleur tels que la conduction, la convection et le rayonnement. La résistance thermique offerte par les différentes couches d'un système est appelée coefficient global de transfert de chaleur. Il est également connu sous le nom de facteur U.

Le facteur U utilisé dans le calcul du transfert de chaleur global est analogue au coefficient de transfert de chaleur par convection utilisé dans la loi de refroidissement de Newton. Le coefficient de transfert de chaleur global dépend de la géométrie de l'objet ou de la surface. Par exemple, dans un mur, nous pouvons observer différents modes de transfert de chaleur, la surface extérieure du mur subit un transfert de chaleur par convection tandis que l'espace entre les murs subit un mode de conduction de transfert de chaleur.

Le coefficient de transfert de chaleur global de la paroi est considéré comme la somme du coefficient de transfert de chaleur par convection et du coefficient de transfert de chaleur par conduction. En bref, le coefficient de transfert de chaleur global est la somme du coefficient de transfert de chaleur individuel. Une explication supplémentaire sur la dérivation du coefficient de transfert de chaleur global et son utilisation pour des problèmes de transfert de chaleur composites sont expliquées ci-dessous.

IMPORTANCE DU COEFFICIENT DE TRANSFERT DE CHALEUR GLOBAL

Dans les applications industrielles, il est essentiel de connaître le coefficient de transfert thermique global, en particulier dans les cas où le taux de transfert thermique doit être optimisé pour une meilleure performance d'un système. Pour calculer le taux de transfert de chaleur Q(dot) pour tout système avec différents fluides ou différentes couches, il est essentiel de connaître le coefficient de transfert de chaleur global.

A partir de la valeur du coefficient de transfert de chaleur global et du taux de transfert de chaleur, il est possible de calculer le coefficient de transfert de chaleur individuel. Cela aiderait à modifier une partie particulière du système thermique pour de meilleures performances selon les exigences.

Dans des conditions de régime permanent, le taux de transfert de chaleur d'un fluide à la température globale T1 au solide à la température globale T2 sur une surface incrémentielle dA est donné par le taux de transfert de chaleur dQ(dot) c'est-à-dire

dQ(point) = U*(T₂ - T₁)*UNE

Ici, le coefficient de transfert de chaleur global est représenté par la lettre U.

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La formule du coefficient de transfert thermique global est donnée par

Qpoint = U*(T₁ + T₂)*UNE

Dérivation du coefficient de transfert de chaleur global pour le mur donné ci-dessous

Considérons un mur composite qui est exposé à l'environnement extérieur à la température T1, et le coefficient de conduction est noté H₁. La température ambiante à l'intérieur de la pièce est T2 et le coefficient de convection est H₂. Ici, le transfert de chaleur utilise la conduction et la convection. Chaque côté du mur subit un transfert de chaleur utilisant la convection à différentes amplitudes.

La température à l'intérieur du mur varie et est une valeur comprise entre T1 et T2 s'il n'y a pas de source de génération de chaleur à l'intérieur du mur. Le coefficient de conduction de la paroi est pris égal à K dans ce cas sauf si la paroi est constituée de différentes couches ce qui est le cas habituel. Dans le scénario réel, le mur est composé de différentes couches telles que du plâtre, des briques, du ciment, etc. Dans de tels cas, il est essentiel de prendre en considération la résistance thermique offerte par chaque couche du mur.

Le coefficient de transfert de chaleur global pour le système ci-dessus est indiqué ci-dessous :

Et le taux de transfert de chaleur Q(point) = UAΔT

Il est évident que U n'est pas une propriété thermophysique et dépend du débit, de la vitesse, et aussi du matériau à travers lequel le transfert de chaleur a lieu.

COEFFICIENT GLOBAL DE TRANSFERT DE CHALEUR AVEC ENCROISSANCE

L'encrassement est un problème habituel rencontré dans les échangeurs de chaleur. C'est une couche supplémentaire qui se forme sur la surface interne de l'échangeur de chaleur. Plusieurs facteurs contribuent à l'encrassement des surfaces des échangeurs de chaleur. Le taux de transfert de chaleur est réduit en raison de l'encrassement qui à son tour affecte l'efficacité du transfert de chaleur.

La diminution de l'efficacité du transfert de chaleur est prise en compte dans les calculs utilisant le facteur d'encrassement. Il est souvent appelé facteur de saleté. Le facteur d'encrassement dépend du fluide de chaque côté de l'échangeur de chaleur.

Le coefficient de transfert de chaleur global avec encrassement est donné par

Dans l'équation ci-dessus,

U représente le coefficient de transfert de chaleur global

h₀ est le coefficient de transfert de chaleur côté coque

h_i est le coefficient de transfert de chaleur côté tube

R_do est le facteur d'encrassement côté virole

R_di est le facteur d'encrassement du côté du tube

OD est le diamètre extérieur du tube

ID est le diamètre intérieur du tube

A₀ est la zone extérieure du tube

A_i est la surface intérieure du tube

K_w est la valeur de la résistance offerte par la paroi du tube

D'après l'équation, il est évident que la valeur du coefficient de transfert de chaleur global diminue avec une augmentation de l'une ou des deux valeurs du facteur d'encrassement (c'est-à-dire côté tube ou côté enveloppe). Cette diminution du coefficient de transfert de chaleur global réduira à son tour le taux de transfert de chaleur.

UNITÉS DE COEFFICIENT DE TRANSFERT DE CHALEUR GLOBAL | COEFFICIENT DE TRANSFERT DE CHALEUR GLOBAL CONVERSION D'UNITÉ | CONVERSION GLOBALE DU COEFFICIENT DE TRANSFERT DE CHALEUR

L'unité SI du coefficient de transfert de chaleur global est W/m² K. Une autre unité utilisée pour représenter le coefficient de transfert de chaleur global est le Btu/(hr.ft^{+2 (0)XNUMX XNUMX}F).

La conversion d'unité de l'unité SI en unités anglaises est la suivante :

1 W / m² K = = 0.1761 Btu/(hr.pi^{+2 (0)XNUMX XNUMX}F).)

EFFET DU DÉBIT SUR LE COEFFICIENT GLOBAL DE TRANSFERT DE CHALEUR | COEFFICIENT GLOBAL DE TRANSFERT DE CHALEUR VS DÉBIT

Le débit a un impact sur le coefficient de transfert de chaleur global. On constate qu'il y a une diminution de 10 % du coefficient de transfert thermique lorsque le débit massique augmente de trois fois. Cette estimation du coefficient de transfert de chaleur est basée sur la corrélation de Dittus-Boelter.

En gardant la surface constante, on observe que le coefficient de transfert de chaleur augmente en augmentant le débit massique. Une augmentation de 90% du coefficient de transfert de chaleur est attendue en doublant le débit massique. Avec cette augmentation, on s'attend à une augmentation de la parfaite pression goutte qui est proportionnelle au débit massique.

Pour les cas où la vitesse est constante, la perte de charge diminue et est inversement proportionnelle au débit massique. Les aspects positifs obtenus à partir d'un coefficient de transfert de chaleur plus élevé sont perdus en raison de la chute de pression accrue lorsque la surface est maintenue constante.

TABLEAU DE COEFFICIENT GLOBAL DE TRANSFERT DE CHALEUR

Le tableau ci-dessous donne le coefficient de transfert de chaleur global pour quelques équipements très souvent utilisés dans l'industrie. La plage est fournie car le coefficient de transfert de chaleur global dépend du fluide utilisé dans l'équipement. Pour les gaz, la valeur du coefficient de transfert thermique est très faible et celle des liquides est beaucoup plus élevée.

COEFFICIENT DE TRANSFERT DE CHALEUR GLOBAL MOYEN

Dans les problèmes de transfert de chaleur qui consistent en deux fluides différents qui pourraient être de l'eau et de l'alcool à deux températures différentes, dans de tels cas, la moyenne des températures des deux fluides est utilisée pour résoudre le problème de transfert de chaleur qui est appelé transfert de chaleur global moyen coefficient.

Prenons Q comme la chaleur circulant à travers la surface à une température moyenne ΔT_avg, et la zone à travers laquelle le transfert de chaleur a lieu est considérée comme A. Le coefficient de transfert de chaleur global moyen pour ce flux de chaleur est indiqué ci-dessous

COEFFICIENT DE TRANSFERT DE CHALEUR GLOBAL BASÉ SUR LA ZONE INTERIEURE

Pour les échangeurs de chaleur, l'ensemble transfert de chaleur le coefficient peut être basé sur la surface intérieure ou sur la surface extérieure

Lorsque le coefficient de transfert de chaleur global est calculé sur la base de la surface intérieure, le coefficient de convection à l'intérieur est pris égal à 1/h_i, tandis que le coefficient de conduction à l'interface est pris égal à 1/ln(r₀/r_i)/2πkL et le coefficient de convection sur la surface extérieure de l'échangeur de chaleur est pris égal à 1/h₀.

Par conséquent, le coefficient de transfert de chaleur global basé sur la surface intérieure est donné comme

Lorsque le coefficient de transfert de chaleur global est calculé en fonction de la surface extérieure, le coefficient de convection à l'intérieur est pris égal à 1/h_i, tandis que le coefficient de conduction à l'interface est pris égal à 1/ln(r₀/r_i)/2πkL et le coefficient de convection sur la surface extérieure de l'échangeur de chaleur est pris égal à 1/h₀.

Par conséquent, le coefficient de transfert de chaleur global basé sur la surface intérieure est donné comme

La différence significative entre les deux équations réside dans la zone, lorsque le coefficient de transfert de chaleur global est basé sur la zone intérieure, la zone intérieure de l'échangeur de chaleur est utilisée dans l'équation. Alors que lorsque le coefficient de transfert de chaleur global est basé sur la zone extérieure, la zone extérieure est prise en compte dans l'équation.

DIFFÉRENCE ENTRE COEFFICIENT DE TRANSFERT DE CHALEUR INDIVIDUEL ET GLOBAL

Lorsque la chaleur circule à travers un matériau composite, la résistance thermique offerte par différentes couches du matériau qui peut être due à la conduction thermique ou à la convection est appelée coefficient de transfert thermique global. Le coefficient de transfert de chaleur global est la somme du coefficient de transfert de chaleur individuel. La résistance thermique est analogue à la résistance électrique dans un circuit. Ici, le coefficient de transfert de chaleur dépend du matériau en série ou en parallèle.

Il est très intéressant de déterminer le coefficient de transfert de chaleur individuel à partir du coefficient de transfert de chaleur global. Par exemple, pour un échangeur de chaleur, le coefficient de transfert thermique global peut être mesuré expérimentalement, à partir de ce coefficient global, extraire la résistance thermique offerte par le fluide chaud et froid individuellement est le problème à résoudre.

PROBLÈMES GLOBAUX DE COEFFICIENT DE TRANSFERT DE CHALEUR

Considérons qu'un mur de 5 cm d'épaisseur est fait de briques qui a une conductivité thermique K=20 W/m K. La surface intérieure du mur est exposée à une température ambiante de 25⁰C tandis que la surface externe est exposée à la température atmosphérique chaude de 40⁰C. Quel est le coefficient de transfert de chaleur global, étant donné le coefficient de convection de l'air 25 W / m²K?

À partir du problème ci-dessus, nous pouvons conclure que le système est exposé à la convection de chaque côté du mur et au transfert de chaleur par conduction à l'intérieur du mur. La conductivité thermique du mur est donnée à 20W/mK tandis que le coefficient de convection de l'air est noté à 25 W/m²K.

= 12.12 W / m²K

QUESTIONS ET RÉPONSES D'ENTREVUE FRÉQUEMMENT POSÉES

1. Échangeur de chaleur d'équation de coefficient de transfert de chaleur global

2. coefficient de transfert de chaleur global double tuyau | coefficient de transfert de chaleur global de l'échangeur de chaleur à double tube

1/U = D_o/h_i.D_i + D_o.ln(D_o/D_i)/2k_t + 1/heure_o+ R_i.D_o/D_i + R_o

3. formule globale du coefficient de transfert de chaleur pour le cylindre

Le coefficient de transfert de chaleur global pour un cylindre est donné par la formule ci-dessous qui connaît à la fois le mode de conduction et de convection du transfert de chaleur

4. coefficient global de transfert de chaleur pour l'évaporateur

5. Coefficient de transfert thermique global coque et tube | coefficient de transfert de chaleur global pour échangeur de chaleur à calandre et tubes | comment calculer le coefficient de transfert de chaleur global pour l'échangeur de chaleur | Comment calculer le coefficient de transfert de chaleur global d'un évaporateur ?

Le coefficient de transfert de chaleur global pour tout échangeur de chaleur peut être calculé à l'aide de l'équation ci-dessous, la méthode utilisée peut varier. On peut aussi choisir la méthode LMTD

6. Coefficient de transfert de chaleur global de l'échangeur de chaleur en graphite

Le coefficient de transfert de chaleur global pour les échangeurs de chaleur moulés graphite sur graphite est d'environ 1000 W/m²K tandis que le coefficient de transfert de chaleur global du graphite à l'air est de 12 W/m²K

7. Coefficient de transfert de chaleur global en aluminium

Le coefficient de transfert de chaleur global pour l'aluminium est de 200 W/m²K

8. Coefficient de transfert de chaleur global de l'échangeur de chaleur air-air

Le coefficient de transfert de chaleur global du coefficient de transfert de chaleur air-air est compris entre 350 et 500 W/m²K.

9. Surface de l'échangeur de chaleur à partir du coefficient de transfert de chaleur global

La surface d'un échangeur de chaleur peut être calculée à partir du coefficient de transfert de chaleur global à l'aide de la formule suivante

10. Dans quel processus d'échange de chaleur la valeur du coefficient de transfert de chaleur global sera-t-elle la plus élevée ?

Le coefficient de transfert de chaleur global est le plus élevé pour les échangeurs de chaleur tubulaires utilisés pour l'évaporation avec de la vapeur circulant à l'extérieur des tubes et du liquide circulant à l'intérieur. Ils sont connus pour avoir un coefficient de transfert de chaleur global compris entre 900 et 3000 W/m²K.

11. Le coefficient de transfert de chaleur global peut-il être négatif ?

Dans les cas où la température de référence est prise comme température de paroi adiabatique, le coefficient de transfert de chaleur global sera négatif, ce qui indique que le flux de chaleur est dans la direction opposée avec un gradient de température défini.

12. Le coefficient de transfert de chaleur global change-t-il avec la température ?

Le coefficient de transfert de chaleur global dépend du gradient de température ; par conséquent, les changements de température peuvent entraîner des changements dans un gradient de température. Donc, oui, le coefficient de transfert de chaleur global change avec la température.

13. Quel est le coefficient de transfert thermique global et son application ?

La résistance thermique offerte par les différentes couches d'un système est appelée coefficient global de transfert de chaleur. Il est également connu sous le nom de facteur U. Il est utilisé pour extraire le coefficient de transfert thermique individuel des différentes couches d'un système.

Le coefficient de transfert de chaleur global d'un système peut être mesuré, mais le coefficient de transfert de chaleur individuel d'un système est difficile à obtenir. Dans de telles situations, le coefficient de transfert de chaleur global ainsi que le taux de transfert de chaleur aideront à déterminer le coefficient de transfert de chaleur individuel

14. Quels sont les facteurs affectant le coefficient de transfert de chaleur global ?

Les facteurs affectant le coefficient de transfert de chaleur global sont les propriétés thermophysiques telles que la densité, la viscosité et la conductivité thermique du fluide. De plus, il est affecté par la géométrie et la zone à travers laquelle le transfert de chaleur a lieu. La vitesse des fluides affecte le coefficient de transfert de chaleur global dans une large mesure. Dans les échanges thermiques, le type d'écoulement a également un impact significatif sur le coefficient global de transfert de chaleur.

15. Quel est le coefficient de transfert de chaleur global dans les tubes ronds ? | tuyau à coefficient de transfert de chaleur global

Un fluide s'écoulant à travers un tube rond subit un transfert de chaleur par convection entre le fluide s'écoulant à l'extérieur et la surface extérieure du tube, et également entre le fluide s'écoulant à l'intérieur et la surface intérieure du tube. Il y a un transfert de chaleur par conduction entre la surface extérieure et la surface intérieure du tube. Par conséquent, le coefficient de transfert de chaleur global est donné comme suit :

(1/UA) global = (L/kA) intérieur + (1/hA) + (L/kA) extérieur

Où k est la conductivité thermique du tube et h est le coefficient de transfert de chaleur par convection

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Veena Parthan

Je m'appelle Veena Parthan, j'ai terminé ma maîtrise en génie thermique. Je travaille en tant qu'ingénieur d'exploitation et de maintenance solaire pour le secteur solaire britannique. J'ai plus de 5 ans d'expérience dans le domaine de l'énergie et des services publics. J'ai un profond intérêt pour les énergies renouvelables et leur optimisation. J'ai publié un article dans les actes de la conférence AIP qui est basé sur Cummins Genset et son optimisation des flux.
Pendant mes heures libres, je m'engage dans la rédaction technique indépendante et j'aimerais offrir mon expertise sur la plateforme LambdaGeeks. En dehors de cela, je passe mes heures libres à lire, à pratiquer des activités sportives et à essayer de devenir une meilleure personne.
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