Calculateur de transfert de chaleur par convection
Calculez le flux de chaleur par convection q = h·A·ΔT entre une surface et un fluide en mouvement. Saisissez le coefficient d'échange, l'aire de la surface et l'écart de température pour obtenir des résultats en watts, kW, BTU/h et plus encore.
Calculer la chaleur transférée entre une surface et un fluide en mouvement
Formule du transfert de chaleur par convection
Où :
- \(q\) — flux de chaleur transféré par convection (W)
- \(h\) — coefficient d'échange thermique par convection (W/(m²·K))
- \(A\) — aire de la surface en contact avec le fluide (m²)
- \(\Delta T = T_{\text{surface}} - T_{\text{fluide}}\) — écart de température (K)
C'est la loi de Newton du refroidissement : la puissance thermique qui traverse une surface par convection croît proportionnellement à l'aire de contact, à l'écart de température entre la surface et le fluide, et au coefficient \(h\), qui traduit l'efficacité avec laquelle le fluide en mouvement emporte la chaleur.
Transfert de chaleur par convection – Exemple de calcul
Exemple : une paroi métallique de 1 m² à 60 °C est refroidie par un flux d'air forcé à 20 °C, ce qui correspond à un coefficient d'échange de \(h = 25\) W/(m²·K).
\[ q = h \, A \, \Delta T = 25 \ \tfrac{\text{W}}{\text{m}^2\cdot\text{K}} \times 1\ \text{m}^2 \times (60 - 20)\ \text{K} \]
\[ q = 1000\ \text{W} = 1\ \text{kW} \approx 3412\ \tfrac{\text{BTU}}{\text{h}} \]
Résultat : la surface cède 1 000 W de chaleur à l'air. La densité de flux thermique vaut \(q/A = 1000\) W/m², et si les conditions restent stables pendant une heure, 3,6 kWh d'énergie sont transférés.
Comment utiliser le calculateur
- Saisissez le coefficient d'échange thermique par convection (h) et choisissez son unité : W/(m²·K), kcal/(h·m²·°C) ou BTU/(h·ft²·°F).
- Saisissez l'aire de la surface (A) en contact avec le fluide, en m², cm², ft² ou in².
- Saisissez l'écart de température (ΔT) entre la surface et le fluide, en °C, K ou °F. Indiquez la température de la surface moins celle du fluide : positive si la surface est plus chaude, négative si le fluide est plus chaud.
- Lisez le flux de chaleur transféré par convection en watts, kilowatts, BTU/h, cal/s et ch, ainsi que la densité de flux thermique et le sens du transfert de chaleur dans le tableau détaillé.
Qu'est-ce que le transfert de chaleur par convection ?
La convection est un transfert de chaleur entre une surface solide et un fluide (air, eau, huile ou n'importe quel gaz ou liquide) qui la balaie. Les molécules de fluide au contact de la surface chaude captent de l'énergie et l'emportent dans leur mouvement, tandis que du fluide plus froid prend leur place. Comme le fluide est en mouvement — propulsé par un ventilateur ou une pompe (convection forcée) ou par la seule poussée d'Archimède (convection libre ou naturelle) —, la convection transfère la chaleur bien plus vite que la conduction à travers un fluide immobile.
La grandeur clé est le coefficient d'échange \(h\). Ce n'est pas une propriété du matériau comme la conductivité thermique : il regroupe les propriétés du fluide (viscosité, masse volumique, chaleur massique), la vitesse d'écoulement, ainsi que la géométrie et l'orientation de la surface. C'est pourquoi \(h\) s'étale sur plusieurs ordres de grandeur : environ 5–25 W/(m²·K) pour l'air en convection naturelle, 25–250 pour l'air en convection forcée, et 100–20 000 pour l'eau en écoulement ou la vapeur en condensation.
Le résultat \(q\) est une puissance : une énergie par unité de temps, en watts. Une valeur positive signifie que la surface perd de la chaleur au profit du fluide (refroidissement, comme avec un dissipateur thermique ou un radiateur) ; une valeur négative signifie que le fluide réchauffe la surface (comme avec un appareil de chauffage ou un bain chaud). Si seule l'ampleur vous intéresse, utilisez la valeur absolue affichée dans l'encadré d'interprétation. Doubler n'importe laquelle des entrées — \(h\), \(A\) ou \(\Delta T\) — double la chaleur transférée : voilà pourquoi les ingénieurs se battent souvent pour gagner de la surface (ailettes) ou un écoulement plus rapide (un \(h\) plus grand) quand il faut refroidir davantage.
Valeurs typiques du coefficient d'échange thermique
| Situation | h, W/(m²·K) |
|---|---|
| Air, convection libre (naturelle) | 5–25 |
| Air, convection forcée (ventilateur) | 25–250 |
| Eau, écoulement lent en conduite | 500–3 000 |
| Eau, écoulement turbulent | 3 000–20 000 |
| Eau en ébullition / vapeur en condensation | 5 000–100 000 |
Hypothèses, limites et conseils pratiques
- Le \(h\) doit correspondre à votre situation. La première source d'erreur est l'utilisation d'un mauvais coefficient. Servez-vous du tableau ci-dessus comme repère, ou d'une corrélation tirée d'un manuel de transfert thermique correspondant à votre géométrie et à vos conditions d'écoulement.
- Régime permanent supposé. La formule donne la puissance à un instant donné pour des températures constantes. Si la température de la surface ou du fluide évolue au fil du temps, \(q\) évolue avec elle — consultez notre calculateur de loi de Newton du refroidissement pour le cas dépendant du temps.
- \(h\) et \(\Delta T\) uniformes. En réalité, les deux varient le long d'une surface (la couche limite s'épaissit dans le sens de l'écoulement). Le résultat est une moyenne sur la surface, ce qui suffit généralement pour une estimation de conception.
- Convection seule. Les surfaces réelles perdent aussi de la chaleur par rayonnement thermique et en cèdent ou en reçoivent par conduction. À haute température ou en air calme, le rayonnement peut être comparable à la convection et doit être ajouté séparément.
- Les écarts de température en °C et en K sont interchangeables. Le calculateur convertit automatiquement un ΔT exprimé en °F en kelvins ; vous n'avez jamais à convertir des températures absolues, seulement l'écart.
- Au moment de dimensionner un équipement, prévoyez une marge de sécurité : les valeurs de \(h\) issues des corrélations présentent souvent une incertitude de 25 % ou plus.
Pour aller plus loin
La convection est l'un des trois modes de transfert de chaleur, avec la conduction et le rayonnement. On la retrouve partout, en ingénierie comme dans la vie quotidienne — des dissipateurs des processeurs aux radiateurs de voiture, en passant par le chauffage domestique et les phénomènes météorologiques. Si vous analysez des systèmes thermiques dans leur ensemble, notre calculateur de rendement de Carnot pourra vous être utile pour les limites théoriques des machines thermiques, qui finissent par évacuer leur chaleur par convection, tout comme le calculateur de dilatation thermique linéique pour voir comment ces mêmes écarts de température modifient la taille des pièces.
Questions fréquentes
Comment calculer le transfert de chaleur par convection à la main ?
Multipliez les trois grandeurs entre elles : \( q = h \, A \, \Delta T \). Par exemple, une paroi de \( A = 2\ \text{m}^2 \) exposée à de l'air en convection forcée avec \( h = 50\ \tfrac{\text{W}}{\text{m}^2\cdot\text{K}} \) et une surface 15 K plus chaude que l'air transfère \( q = 50 \times 2 \times 15 = 1500\ \text{W} \). Veillez simplement à convertir toutes les valeurs en unités SI au préalable, ou laissez le calculateur faire les conversions pour vous.
Comment convertir des unités comme BTU/(h·ft²·°F) en W/(m²·K) ?
Les facteurs de conversion sont : \( 1\ \tfrac{\text{BTU}}{\text{h}\cdot\text{ft}^2\cdot\text{F}} \approx 5.678\ \tfrac{\text{W}}{\text{m}^2\cdot\text{K}} \) et \( 1\ \tfrac{\text{kcal}}{\text{h}\cdot\text{m}^2\cdot\text{C}} \approx 1.163\ \tfrac{\text{W}}{\text{m}^2\cdot\text{K}} \). Pour les autres grandeurs : \( 1\ \text{ft}^2 = 0.0929\ \text{m}^2 \), \( 1\ \text{in}^2 = 6.45\times10^{-4}\ \text{m}^2 \), et un écart de température en °F vaut \( \tfrac{5}{9} \) du même écart en K. Ne convertissez jamais des températures absolues — seul l'écart compte.
Comment trouver le bon coefficient d'échange h pour ma situation ?
Estimer \( h \) est la partie la plus délicate. Pour un calcul approximatif, utilisez les plages typiques : air en convection naturelle 5–25, air en convection forcée 25–250, eau en écoulement 500–20 000 W/(m²·K). Pour un travail précis, utilisez une corrélation d'ingénierie (relations du nombre de Nusselt telles que \( h = Nu \, k / L \)) adaptée à votre géométrie — plaque plane, cylindre, écoulement en conduite — et à votre régime d'écoulement. Les corrélations des manuels comportent une incertitude de 20 à 30 % : prévoyez donc une marge au dimensionnement des dissipateurs, radiateurs ou équipements de CVC.
Peut-on utiliser ce calculateur pour l'eau, l'huile ou d'autres liquides ?
Oui. La formule \( q = h \, A \, \Delta T \) s'applique à tout fluide — gaz, eau, huile, fluides frigorigènes. Seul le coefficient d'échange change : les liquides transfèrent généralement la chaleur bien mieux que les gaz, et le \( h \) de l'eau en écoulement peut être des centaines de fois supérieur à celui de l'air. Choisissez simplement un \( h \) adapté à votre liquide et à sa vitesse d'écoulement.
Quelle est la différence entre le flux de chaleur et la densité de flux thermique ?
Le flux de chaleur \( q \) est l'énergie totale traversant l'ensemble de la surface à chaque seconde, mesurée en watts. La densité de flux thermique \( q/A \) est cette même énergie rapportée à l'unité de surface, en W/m². Un grand radiateur et une petite puce peuvent présenter une densité de flux identique mais des flux totaux très différents. La densité de flux sert à comparer des surfaces ou à vérifier qu'un composant ne dépasse pas une densité thermique admissible.
Quelles sont les erreurs fréquentes avec q = h·A·ΔT ?
Les erreurs les plus courantes : utiliser des températures absolues (par exemple 60 °C) au lieu de la différence entre la surface et le fluide ; prendre un \( h \) valant pour une autre situation (valeur d'air calme pour une surface refroidie par ventilateur) ; oublier que les deux faces de la surface comptent (seule l'aire en contact avec le fluide est prise en compte) ; et négliger le rayonnement, qui en air calme ou à haute température peut évacuer une quantité de chaleur comparable et doit être ajouté séparément.
Cette formule tient-elle compte de la chaleur perdue par rayonnement ou par conduction ?
Non. \( q = h \, A \, \Delta T \) ne couvre que la convection. En réalité, les surfaces rayonnent simultanément vers leur environnement (environ \( q_{rad} = \varepsilon \sigma A (T_s^4 - T_{sur}^4) \)) et échangent de la chaleur par conduction à travers les parties solides. À températures modérées avec de l'air en mouvement, la convection domine généralement ; à température ambiante en air calme, le rayonnement peut être du même ordre de grandeur. Pour la perte de chaleur totale, calculez chaque mode séparément, puis additionnez.