Le coefficient global de transfert de chaleur, ou valeur U, fait référence à la façon dont la chaleur est conduite à travers sur une série de milieux résistants. Ses unités sont le W/(m2°C) .

Vapeur contre eau chaude

L’article suivant démontre comment calculer et comparer la valeur U pour le transfert de chaleur de la vapeur et de l’eau chaude à travers différents types de milieux, y compris les coefficients de film et le matériau de paroi réel lui-même.

Le coefficient global de transfert de chaleur est influencé par l’épaisseur et la conductivité thermique des milieux à travers lesquels la chaleur est transférée. Plus le coefficient est élevé, plus la chaleur est transférée facilement de sa source au produit à chauffer. Dans un échangeur de chaleur, la relation entre le coefficient global de transfert de chaleur (U) et le taux de transfert de chaleur (Q) peut être démontrée par l’équation suivante :

où

D’après cette équation, on constate que la valeur de U est directement proportionnelle à Q, le taux de transfert de chaleur. En supposant que la surface de transfert de chaleur et la différence de température restent inchangées, plus la valeur U est grande, plus le taux de transfert de chaleur est élevé. En d’autres termes, cela signifie que pour un certain échangeur de chaleur et un certain produit, une valeur U plus élevée pourrait conduire à des temps de lots plus courts et à une augmentation de la production/du revenu.

Calcul de la valeur U

Plusieurs équations peuvent être utilisées pour déterminer la valeur U, dont l’une est la suivante :

où

Transfert de chaleur à travers une paroi métallique

Dans le cas de la création d’eau chaude par exemple, le transfert de chaleur se fait essentiellement du fluide 1 (source de chaleur) vers le fluide 2 (eau, le produit à chauffer) en passant par un solide conducteur (paroi métallique). Cependant, la résistance du film doit également être prise en compte. C’est pourquoi le coefficient de transfert de chaleur par convection (h), parfois appelé coefficient de film, est inclus lors du calcul du transfert de chaleur entre un fluide et une paroi conductrice.

En outre, dans certaines applications uniques telles que le chauffage de processus pharmaceutiques ou biotechnologiques, ce transfert de chaleur peut se produire à travers plusieurs couches de matériau de paroi. Dans de tels cas, l’équation ci-dessus peut être adaptée en incorporant l’épaisseur (L) de chaque couche du solide divisée par sa conductivité thermique (λ).

Pour faciliter les exemples de calcul ci-dessous, les valeurs suivantes peuvent être utilisées comme référence pour les coefficients de transfert de chaleur par convection :

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Fluide	Coefficient de transfert de chaleur par convection (h)
Eau	environ 1000 W/(m2 °C)
Eau chaude	1000 – 6000 W/(m2 °C)
Vapeur	6000 – 15000 W/(m2 °C)

Exemple comparant l’effet sur U de différentes sources de chaleur, vapeur ou eau chaude

Deux bouilloires à enveloppe en acier au carbone (λ = 50 W/(m °C) ) avec une épaisseur de paroi intérieure de 15 mm sont utilisées pour chauffer de l’eau. L’une utilise de l’eau chaude comme source de chaleur, tandis que l’autre utilise de la vapeur. En supposant des coefficients de transfert de chaleur de 1000 W/m2 °C pour l’eau chauffée, 3000 W/m2 °C pour l’eau chaude et 10000 W/m2° C pour la vapeur, calculons les valeurs U pour les deux procédés de chauffage.

Champe à double paroi en acier au carbone – Comparaison de la source de chaleur eau chaude vs vapeur

Eau chaude :

Vapeur:

Dans ce cas, la vapeur apporte une amélioration calculée de la valeur U de 17%.

Imaginez maintenant que la même paroi de transfert de la bouilloire soit également revêtue de verre de 1 mm d’épaisseur (λ = 0,9 W/(m °C) ). L’inclusion de ces valeurs dans l’équation de la valeur U ci-dessus donne les résultats suivants :

Glass-Lined Jacketed Kettle – Comparaison de l’eau chaude vs. Source de chaleur vapeur

Eau chaude:

Vapeur :

Dans ce cas de résistance supplémentaire à la conductivité, la valeur U est tout de même améliorée, mais seulement de 9 % ; et cela démontre comment un mauvais conducteur thermique comme le verre peut grandement nuire au transfert de chaleur.

Donc, pour certains équipements d’échange thermique tels qu’une bouilloire en acier au carbone, changer la source de chaleur de l’eau chaude à la vapeur peut potentiellement améliorer la valeur U et le transfert de chaleur de manière significative si le matériau de la paroi est hautement conducteur. Cependant, le même effet spectaculaire n’est pas attendu dans les cas où un échangeur de chaleur avec plusieurs couches de parois comprenant des couches de matériau qui ne sont pas hautement conductrices (comme une bouilloire à revêtement en verre) est utilisé.

Néanmoins, certains procédés nécessitent un certain matériau de paroi, comme un revêtement en verre, pour éviter la réactivité avec le produit. Malgré cela, le taux de transfert de chaleur peut encore être amélioré dans de telles circonstances en changeant la source de chaleur de l’eau chaude à la vapeur pour optimiser la production.

Compréhension avancée

Encrassement

L’encrassement de la surface du matériau de paroi peut représenter une barrière supplémentaire au transfert de chaleur. Ce problème peut se produire à la fois du côté du milieu de chauffage et du côté du produit pour de multiples raisons. Certaines causes peuvent être des dépôts de particules du côté du chauffage, et des températures excessivement élevées ou basses du côté du produit.

Par exemple, la pression de la vapeur est parfois augmentée pour créer la pression nécessaire pour pousser le condensat à travers la vanne de contrôle de sortie sur un pot à niveau. Cependant, avec une augmentation de la pression dans l’échangeur de chaleur, la température de la vapeur augmente en conséquence, et cette chaleur excessive peut provoquer un encrassement accru du côté du produit. Inversement, si on laisse le condensat s’accumuler à l’intérieur de l’équipement, l’encrassement peut être causé du côté du chauffage par les débris entraînés dans le condensat accumulé, et du côté du produit par des températures plus basses qui provoquent un gâteau du produit sur la surface lorsque la viscosité requise du produit n’est pas maintenue.

L’encrassement peut être ajouté à l’équation ci-dessus en incluant le rapport de son épaisseur (LF) sur sa conductivité (λF), de la même manière que le revêtement en verre a été ajouté ci-dessus, mais il est généralement incorporé dans et exprimé comme un facteur d’encrassement pour un échangeur qui a été  » en service « . Communément, les calculs pour comparer la réduction de U sont pour un service propre par rapport à un service en service.

Mécanisme de chauffage à la vapeur

Qu’est-ce que la vapeur sous vide ?

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