Le transfert thermique joue un rôle crucial dans de nombreuses industries, affectant tout, de la production énergétique aux systèmes de refroidissement. Comprendre les différents modes de transfert thermique — conduction, convection, et rayonnement — est essentiel pour optimiser les processus industriels, garantir la sécurité des outillages et des opérateurs, et choisir les matériaux appropriés, notamment les textiles techniques.
La conduction thermique : le transfert thermique par contact
La conduction thermique est le processus par lequel la chaleur se propage à travers un matériau, de molécule à molécule, sans mouvement global du matériau lui-même. On caractérise cette capacité d’un corps à transférer la chaleur par la conductivité thermique.
C’est le mode de transfert principal dans les solides, où les atomes ou molécules vibrent plus intensément à des températures plus élevées, transmettant ainsi leur énergie aux voisins plus froids.
La conduction thermique est irréversible. En tant que transfert thermique de contact, il n’y a aucun échange de matière lors de ce transfert. À titre d’exemple, lorsque vous posez votre main sur une pièce chaude et que vous vous brûlez, c’est à cause de la conduction thermique.
Plusieurs facteurs influencent la conduction thermique d’un matériau. On vous a fait la liste complète dans un autre article de blog dédié entièrement à ce sujet.
Dans le secteur de la construction, la conduction dicte le choix des matériaux isolants pour maintenir les bâtiments au chaud en hiver et frais en été. C’est aussi le cas dans d’autres industries pour des applications d’isolation.
Dans l’électronique, la gestion efficace de la conduction thermique des semi-conducteurs et des circuits est cruciale pour éviter la surchauffe et garantir le bon fonctionnement des appareils.
Dans le cas du convoyage de pièces chaudes, les matériaux choisis doivent très rapidement dissiper la chaleur pour éviter les chocs thermiques.
La convection thermique : le transfert de chaleur par échange de matière
La convection thermique se produit lorsqu’un fluide (liquide ou gaz) transfère la chaleur en se déplaçant d’une région à une autre. C’est typiquement ce qu’il se passe quand vous ajoutez du lait froid ou de l’eau dans votre café pour le refroidir ou quand vous vous détendez dans un sauna.
Ce phénomène est caractérisé par deux grandeurs physiques qui sont la diffusion et l’advection.
Ce mouvement peut être naturel, résultant de la différence de densité due à la température, c’est le cas des courants marins ou des phénomènes météorologiques par exemple, ou forcé par des moyens externes, tel que des ventilateurs, les radiateurs, les chauffages ou des pompes.
La convection est utilisée dans toutes les entreprises industrielles, ne serait-ce que pour la régulation du chauffage et de la climatisation.
Dans l’industrie chimique, la convection est utilisée pour accélérer les réactions en maintenant les réactifs à une température uniforme, optimisant ainsi la production.
Les phénomènes de convection thermique sont souvent négligés dans les cahiers des charges, ce qui peut causer de graves problèmes de sécurité. C’est notamment la première cause de non-conformité dans des cas comme le calorifugeage.
Dans ce type d’application, la conductivité thermique est tout le temps prise en compte. Mais certains oublient de considérer les phénomènes de convection, dus à des évacuations de vapeur d’eau par exemple, ce qui peut entraîner la destruction précoce des solutions de calorifugeage, voire des départs de feu.
Le transfert par rayonnement thermique
Le rayonnement thermique est le transfert de chaleur sous forme d’ondes électromagnétiques. Contrairement à la conduction et à la convection, le rayonnement ne nécessite aucun milieu pour se produire, permettant ainsi le transfert de chaleur dans le vide.
C’est grâce à ce principe de rayonnement thermique que vous pouvez lézarder sur la plage l’été pour obtenir, si vous avez de la chance et assez de crème solaire, un magnifique bronzage.
Les fours industriels utilisent en partie ce rayonnement pour chauffer les matériaux à des températures élevées. C’est le cas des fours utilisés pour la fabrication du verre ou ceux de l’industrie métallurgique.
Dans l’aérospatiale, la gestion du rayonnement thermique est essentielle pour protéger les engins spatiaux des températures extrêmes de l’espace.
Comparaison et complémentarité des différents modes de transferts thermiques
Chaque mode de transfert thermique a ses spécificités.
La conduction est prédominante dans les solides, la convection dans les fluides, et le rayonnement agit sur de grandes distances sans support matériel.
Dans la réalité industrielle, ces modes sont souvent interdépendants et leur efficacité peut être maximisée en exploitant leur complémentarité, comme dans les systèmes de refroidissement combinant convection forcée et rayonnement.
Mais cela peut aussi avoir des conséquences néfastes pour certaines applications. Comme on l’a vu dans le cas du calorifugeage industriel, oublier ou négliger un de ces modes de transfert peut avoir des conséquences désastreuses, tant sur la sécurité des opérateurs que sur la durée de vie d’un appareil.
L'impact des textiles techniques dans ces processus d'échange de chaleur
Les textiles techniques représentent une solution majeure dans la gestion du transfert thermique.
Ces matériaux sont connus pour offrir une excellente résistance aux hautes températures. Mais ces températures, appelées température d’application et température maximale d’application (on vous a expliqué la différence sur notre page LinkedIn), sont essentiellement données pour des températures de contact, c'est-à-dire, dans des cas de transfert thermique par conduction.
Or dans le choix des solutions textiles dans des applications haute température, si des phénomènes de convection ont lieu, il faut toujours mieux surévaluer ces températures d’applications afin d’éviter les problèmes de conformité.
Il est aussi bon de savoir que dans les textiles HT, certains sont isolants, comme l’aramide, la fibre de verre ou le Préox , tandis que d’autres résistent aux hautes températures tout en diffusant la chaleur, comme la fibre d’inox.
La maîtrise des modes de transfert thermique et la sélection judicieuse des technologies et matériaux, en particulier des textiles techniques, sont cruciales pour la sécurité, la rentabilité et l’efficacité de ces solutions dans tous les secteurs industriels. Les avancées continues dans la compréhension et l’application de ces principes ouvrent la voie à des solutions toujours plus performantes, sûres et durables.
