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Transfert thermique :
Convection
Lorsqu'au sein d'un même fluide (liquide ou gaz) se produit une différence de température, la densité du fluide n'est plus égale partout. Du fait de la poussée d'Archimède "Tout corps plongé dans un fluide reçoit de la part de ce fluide une poussée verticale dirigée du bas vers le haut, égale au poids du volume de fluide déplacé", cette différence de densité produit un mouvement au sein du liquide. Ce mouvement de brassage, dans lequel les parties les plus chaudes du fluide ont tendance à s'élever et les parties froides et denses à descendre, s'appelle convection.
Les mouvements dus uniquement à des différences de température du fluide constituent la convection naturelle comme les mouvements des grandes masses d'air autour de la Terre, l'action des vents, la formation des nuages, les courants océaniques ou plus simplement le phénomène d'aspiration d'une cheminée.
La convection forcée est obtenue en soumettant le fluide à une augmentation de pression, qui favorisera le brassage du fluide.
Lorsqu'un fluide de température θ1 est placé en
contact avec une surface S de température θ2, il
se crée un flux de chaleur Φ de la zone chaude vers
la zone froide donné par la relation suivante :
On remarque clairement dans cette relation que deux facteurs favorisent la convection : la surface de contact et le coefficient h.
Le coefficient h, exprimé en W/(m2.°K), est la conductance thermique de convection, ou coefficient d’échange thermique par convection. Ce coefficient est assez difficile à calculer car il dépend de la conduction entre les particules du fluide qui se rencontrent et le mélange naturel et/ou forcé du fluide.
Remarque : Au niveau de la surface de contact on observe un phénomène de conduction entre le solide et le fluide, il est cependant exclu des calculs car moindre comparé au transfert convectif.
De façon générale la convection dépend de la surface de contact et des caractéristiques du fluide :
o Vitesse du fluide
o Masse volumique du fluide
o Viscosité dynamique du fluide
o Conductivité thermique du fluide
o Chaleur massique du fluide
Concernant la convection entre un radiateur et l'air, on ne peut évidement pas choisir le fluide en question. Par contre on peut agir sur sa vitesse à l'aide d'un ventilateur mais il ne faut pas non plus que le ventilateur soit trop puissant sinon, nous l’expliquerons plus loin, on risque une perte de charges trop importante. Il en va de même pour un système à refroidissement liquide (parfois appelé water-cooling), la pompe ne doit pas être surdimensionnée par rapport au système.
En effet, lorsqu'un fluide est soumis à une forte pression et à des changements brusques de pression (forte vitesse et parcours tortueux), il se produit un échauffement du fluide par son propre mouvement et par son mouvement sur les parois. Cette résistance du circuit due aux frottements et aux obstacles fait diminuer la charge initiale tout au long du parcours et c'est pourquoi on "qualifie" cette diminution de perte de charge. Si l'on veut éviter ce phénomène il est nécessaire d'obéir à certaines règles de thermodynamique. Par exemple, il vaut mieux éviter au maximum les angles aigus dans la conception du parcours du fluide, et éviter les différences de capacité volumique d'entrée et de sortie pour ne pas que le fluide soit sous pression à l'intérieur de l'échangeur. Il faut donc favoriser le brassage du fluide pour améliorer la convection, mais ne pas le soumettre à une brusque pression sur les parois de l'échangeur.
L’échange de chaleur peut être accompagné d’un changement de phase,
condensation ou évaporation. Le flux d'énergie occasionné par un changement
de phase durant un transfert convectif est appelé chaleur "latente".
La chaleur "latente" est l'énergie absorbée ou dégagée par un
corps lors d'un changement de phase. Ainsi la fusion, la vaporisation
et la sublimation requièrent un apport d'énergie alors que la solidification
et la condensation (liquide comme solide) libèrent de l'énergie. La chaleur
"latente" est à différencier de la chaleur "sensible"
qui est représente la chaleur qui provoque un changement de température
dans un corps.
La chaleur "latente" provoque un changement d'état sans
pour autant provoquer un changement de température
L'eau joue un rôle essentiel dans les transferts de chaleur "latente", car son évaporation (ou vaporisation) absorbe de l'énergie potentielle. Stockée dans la vapeur d'eau, cette chaleur, dite "latente" pour cette raison, est libérée lors de la condensation. Au même titre, le passage de l'état liquide à l'état solide produit un dégagement de chaleur latente. Ce principe est utilisé dans les systèmes de refroidissement à compresseur comme dans un réfrigérateur ou dans une climatisation.
Dans ces systèmes, le fluide caloporteur (ici un gaz à température ambiante) est compressé à une pression bien précise afin d'être dans sa phase liquide (lui octroyant une température en dessous de 0°C) et est ensuite acheminé jusqu'à la zone à refroidir. À ce moment le réchauffement produit la vaporisation du fluide, absorbant ainsi une grande quantité de chaleur.
Quelques sociétés (comme Vapochill, Prometeia et plus anciennement KryoTech) se sont lancées dans l'élaboration de système de refroidissement à compresseur intégré à des boîtiers pour PC. Bien que ces systèmes soient relativement onéreux, ils sont d'une grande efficacité !
Financièrement plus abordable, le principe de la chaleur latente est utilisé dans les heatpipe (ou caloducs). Il s'agit d'un tube en cuivre nickelé étanche contenant un fluide caloporteur sous vide (10-3 bar). Lorsque le fluide (à l'état liquide à température ambiante) est réchauffé il se vaporise et "remonte" le heatpipe jusqu'à la zone de refroidissement où il se liquéfie. Il redescend donc le heatpipe pour être à nouveau réchauffé et ainsi de suite. L'intérêt repose dans la conductivité thermique du heatpipe qui équivaut à environ 1000 fois celle du cuivre. Ainsi un heatpipe permet de "déplacer" la source de chaleur sans avoir besoin d'une quelconque source d'énergie ni d'un quelconque entretien. Relativement onéreux dans le passé, les heatpipe sont aujourd'hui présents dans les notebook, refroidisseurs de CPU et même de certaines cartes graphiques.
Remarque : l'utilisation d'un heatpipe doit ternir compte de la gravite. En effet la capacité d'un caloduc est calculée en position horizontale c'est-à-dire que la pression atmosphérique n'agit pas sur le déplacement du fluide. Par contre en position verticale, si la source de chaleur est en bas le fonctionnement du heatpipe est encore meilleur ! La gravite aidera le gaz à monter et le liquide à descendre. A l'inverse, le heatpipe fonctionnera très mal si la source de chaleur est en haut.
