Calculateur du coefficient de transmission thermique

Ce calculateur de coefficient de transmission thermique, aussi connu sous le nom de coefficient de transfert thermique, vous aidera à déterminer le coefficient de transmission thermique global ou coefficient de film. Ce paramètre est essentiel pour la plupart des calculs de transmission thermique et d'isolation, en particulier pour les murs de façade. Par exemple, si un concepteur souhaite réduire le transfert de chaleur via une façade ou un échangeur de chaleur, il ajoute plusieurs couches d'isolation.

Cet outil utilise l'équation du coefficient de transmission thermique tout en vous donnant la possibilité d'ajouter jusqu'à 10 couches à votre mur et de renvoyer la résistance thermique et le coefficient de transmission thermique global pour la structure empilée.

Le coefficient de transmission thermique est une fonction de l'épaisseur du matériau, de la conductivité thermique et de la surface d'échange de la paroi. L'outil prend en compte la convection libre de part et d'autre de la paroi lors des calculs. Différents types de convection et de géométries d'écoulement existent également en utilisant le nombre de Nusselt. Lisez la suite pour comprendre ce qu'est le coefficient de transmission thermique et comment utiliser sa formule.

Qu'est-ce que le coefficient de transmission thermique ? Il s'agit d'une mesure de la façon dont une paroi ou une structure conduit la chaleur. En d'autres termes, il s'agit du rapport entre le transfert thermique par unité de surface et la différence de température. Ce rapport est la valeur combinée de toutes les couches de la structure. Il est mesuré en $\text{W}\! \cdot \text{m}^{-2}\! \cdot \text{K}^{-1}$ (watt par mètre carré kelvin). Voici la formule du coefficient de transmission thermique, en considérant n couches d'une structure :

où :

• $U_t$ – coefficient de transmission thermique
• S – surface d'échange
• L – épaisseur de la $\text{n}\text{-ième}$ couche
• k – conductivité thermique du matériau de la couche

Concept de résistance thermique

Il s'agit de la résistance d'un matériau au flux de chaleur ou à la conductivité de ce dernier. En d'autres termes, la résistance thermique est le rapport entre la différence de température et la chaleur conduite à travers un milieu. Elle est analogue à la loi d'Ohm, qui est la suivante :

où :

• $I$ – courant
• $V_1 - V_2$ – différence de tension
• $R_e$ – résistance

Ici, le courant est le flux de transfert de chaleur, $Q$, et la différence de tension correspond à la différence de température, $T_1 - T_2$. La résistance électrique correspond à la résistance thermique, $R_t$ (consultez le calculateur de la loi d'Ohm 🇺🇸). L'équation de la résistance thermique devient donc :

Les unités de résistance thermique sont le K⋅W⁻¹ ou le °C⋅W⁻¹. Vous pouvez également relier la résistance thermique au coefficient de transmission thermique global comme suit :

Pour le cas où l'on a plusieurs couches superposées, l'équation de la résistance thermique est la suivante :

Le cas précédent s'applique uniquement aux cas de transfert thermiques liés à la « conductivité du matériau ». Cependant, lorsque les surfaces intérieures et extérieures des murs sont exposées à l'air ou à tout autre fluide, un autre facteur doit être pris en compte. Dans ce cas, le coefficient de transmission thermique, $h$, qui est utilisé pour déterminer la résistance à la convection du milieu. Ainsi :

Pour connaître le coefficient de transmission thermique global, on additionne la résistance de convection à la résistance de conductivité, $R_t$ :

où :

• $h_i$ – coefficient de transmission thermique du fluide, surface intérieure
• $h_o$ – coefficient de transmission thermique du fluide, surface extérieure

Les unités du coefficient de transmission thermique sont égales à celles du coefficient de transmission thermique, c'est-à-dire $\text{W}\! \cdot \text{m}^{-2}\! \cdot \text{K}^{-1}$.

Le calculateur dispose de deux modes :

1. Conduction uniquement.
2. Conduction et convection (de part et d’autre).

De plus, il démarre avec une seule couche de matériau, que vous pouvez augmenter ou diminuer en empilant ou retirant des couches à l'aide des boutons Ajouter (Add) ou Retirer (Remove).

Pour trouver le coefficient de transmission thermique global et sa résistance thermique :

1. Sélectionnez le mode de transfert thermique, disons que dans cet exemple, nous prenions, conduction uniquement.
2. Entrez la surface d'échange de chaleur, $S$.
3. Insérez l'épaisseur initiale de la paroi, $L_0$.
4. Indiquez la conductivité thermique du matériau de la paroi, $k_0$.
5. Ajoutez d'autres couches en utilisant le bouton Add selon votre convenance.
6. Répétez les étapes 3 et 4 pour toutes les couches.
7. Le calculateur donne la résistance thermique et le coefficient de transmission thermique global selon la configuration.

Trouvez le coefficient de transmission thermique global d'une fenêtre composée de 2 couches de verre de 2 mm d'épaisseur avec un espace de 5 mm rempli d'air entre elles. La surface d'échange est de $1,\!2 \text{ m}^2$. Utilisez les propriétés suivantes :

• coefficient de transmission thermique par convection de l'air intérieur :
  $h_i = 10\ \text{W}\!\cdot \text{m}^{-2}\!\cdot\text{K}^{-1}$ 
• coefficient de transmission thermique par convection de l'air extérieur :
  $h_o = 40\ \text{W}\! \cdot \text{m}^{-2}\! \cdot \text{K}^{-1}$ 
• conductivité thermique de l'air :
  $k_{air} = 0,\!026\ \text{W}\! \cdot \text{m}^{-2}\! \cdot \text{K}^{-1}$ 
• conductivité thermique du verre :
  $k_{verre} = 0,\!78\ \text{W}\! \cdot \text{m}^{-2}\! \cdot \text{K}^{-1}$

Pour trouver la résistance thermique et le coefficient de transmission thermique global, suivez ces étapes :

1. Sélectionnez le mode de transfert de chaleur, conduction et convection (de part et d’autre).

2. Entrez la surface d'échange, $S = 1,\!2 \text{ m}^2$.

3. Entrez le coefficient de transmission thermique par convection pour la surface intérieure : $h_i = 10 \text{W}\! \cdot \text{m}^{-2}\! \cdot \text{K}^{-1}$.

4. Remplissez les détails de la couche initiale : $L_0 = 2 \text{ mm}$ et $k_o = 0,\!78 \text{W}\! \cdot \text{m}^{-2}\! \cdot \text{K}^{-1}$.

5. Utilisez le bouton Ajouter (Add) pour insérer une deuxième couche.

6. Entrez les propriétés de la deuxième couche en tant que $L_1 = 5\, \text{ mm}$ et $k_1 = 0,\!026 \text{W}\! \cdot \text{m}^{-2}\! \cdot \text{K}^{-1}$.

7. Utilisez le bouton Ajouter (Add) pour insérer une troisième couche.

8. Saisissez les propriétés de la troisième couche : $L_2 = 2 \text{ mm}$ et $k_2 = 0,\!78 \text{W}\! \cdot \text{m}^{-2}\! \cdot \text{K}^{-1}$.

9. Entrez le coefficient de transmission thermique pour la surface extérieure, $h_o = 40 \text{W}\! \cdot \text{m}^{-2}\! \cdot \text{K}^{-1}$.

10. Utilisez le calculateur de résistance thermique :

11. Le coefficient de transmission thermique global est :

Il s'agit du rapport entre la quantité de chaleur transférée par unité de surface, et la différence de température. Le coefficient de transmission thermique mesure la capacité d'une structure à conduire de la chaleur. Si la valeur de cette constante de proportionnalité est faible, cela signifie que le matériau est un meilleur isolant.

Pour calculer le coefficient de transmission thermique :

1. Divisez l'épaisseur de la première couche avec la conductivité thermique du milieu.
2. Répétez l'étape précédente pour toutes les couches et additionnez-les.
3. Trouvez l'inverse du transfert thermique par convection pour la surface intérieure et ajoutez-la à la somme.
4. Trouvez l'inverse du transfert thermique par convection pour la surface extérieure et ajoutez-la à la somme.
5. Prenez l'inverse du résultat obtenu à l'étape précédente pour obtenir le coefficient de transmission thermique.

La résistance thermique représente la difficulté qu'oppose un matériau au flux de chaleur qui le traverse. La résistance thermique est également l'inverse du coefficient de transmission thermique global. Elle est recherchée pour les matériaux de type isolant comme le coton et la laine, tandis qu'elle est déconseillée pour les matériaux conducteurs.

Pour calculer la résistance thermique :

1. Divisez l'épaisseur de la première couche avec la conductivité thermique du milieu.
2. Répétez l'étape précédente pour toutes les couches et additionnez-les.
3. Trouvez l'inverse du transfert thermique par convection pour la surface intérieure et ajoutez-la à la somme.
4. Trouvez l'inverse du transfert thermique par convection pour la surface extérieure et ajoutez-la à la somme pour obtenir la résistance thermique.

Vous pouvez également trouver l'inverse du coefficient de transmission thermique global pour obtenir la résistance thermique.