Le transfert de chaleur par rayonnement, ou transfert thermique par rayonnement direct, est présent dans la vie quotidienne : cuisson au barbecue, utilisation de fours solaires ou de séchoirs fonctionnant à l'énergie solaire. Contrairement à la conduction, qui nécessite un contact physique, ou à la convection, qui repose sur le mouvement d'un fluide, le transfert radiatif s'effectue par rayonnement direct, sans support matériel intermédiaire.
Aperçu général
Le transfert de chaleur par rayonnement correspond à la composante électromagnétique de l'énergie thermique. Comme le souligne le Handbook of Food Science, Technology, and Engineering, Volume 3, « le transfert de chaleur radiatif dans une opération est trop souvent négligé, car il est considéré comme trop difficile à estimer ou supposé négligeable par rapport aux autres formes de transfert de chaleur ». Lorsque les calculs manuels deviennent trop complexes, les modèles informatiques permettent de prendre en compte précisément cette composante radiative.
Les facteurs influençant le transfert radiatif
Le transfert de chaleur par rayonnement dépend d'abord de la vitesse à laquelle la source d'énergie émet son rayonnement, puis de la capacité de la surface réceptrice à absorber ce rayonnement. Le principal indicateur du taux de transfert radiatif reste la différence de température entre la source émettrice et le récepteur.
La réflectivité de la surface joue également un rôle déterminant : plus elle est élevée, plus le transfert radiatif diminue. Ainsi, une surface blanche ou brillante renvoie la chaleur radiative du soleil vers l'espace au lieu d'absorber l'énergie et de s'échauffer — c'est le principe utilisé pour les vêtements clairs en été ou les revêtements réfléchissants des bâtiments.
Le concept de corps noir
Un corps noir est un modèle théorique idéal dans lequel l'objet absorbe la totalité du rayonnement qu'il reçoit. Il constitue la base de référence pour calculer le transfert radiatif maximal possible pour un ensemble donné de paramètres physiques. On parle de « corps gris » pour désigner tout objet réel dont le transfert radiatif est inférieur à cet idéal théorique.
L'analyse fondée sur le corps noir offre donc une double utilité : elle sert de point de départ aux méthodes de calcul numériques et fournit une mesure de référence pour évaluer l'efficacité du transfert radiatif d'un système réel.
Méthodes de calcul numériques
Plusieurs approches numériques permettent d'estimer le transfert de chaleur par rayonnement :
- La méthode des éléments finis (MEF/FEM) et la méthode des volumes finis (MVF/FVM), qui discrétisent le domaine d'étude pour résoudre les équations du transfert thermique.
- Les méthodes de Monte-Carlo, qui simulent différentes configurations potentielles des surfaces de l'objet ainsi que la probabilité d'occurrence de chacune, afin de fournir l'estimation la plus probable du transfert radiatif.
- La dynamique des fluides numérique (CFD), qui permet de modéliser des situations réalistes où conduction, convection et rayonnement se produisent simultanément.
Équations fondamentales
Le taux de transfert de chaleur par rayonnement se calcule à l'aide de la loi de Stefan-Boltzmann, valable pour toutes les longueurs d'onde du rayonnement. Le coefficient de transfert thermique radiatif repose sur la différence de température entre les surfaces émettrice et réceptrice, exprimée en température absolue (à partir du zéro absolu).
Cette différence de température est élevée à la puissance quatre, puis multipliée par la constante de Stefan-Boltzmann et par la surface du corps émetteur. Des logiciels spécialisés peuvent automatiquement convertir les températures exprimées en Celsius ou en Fahrenheit en températures absolues (Kelvin) avant d'effectuer le calcul du flux radiatif, simplifiant ainsi considérablement le travail de l'ingénieur.
Source : https://jardin.98905.com/building-remodeling/energy-efficient-homes/1007118773.html