Echange thermique par rayonnement

Sommaire

Définitions

Le rayonnement thermique d’un corps est la quantité d’énergie qu’il cède sous forme d’ondes électromagnétiques comprises entre 0,04 et 800 μm. C’est dans le domaine de l’infrarouge (800 nm et 800 μm) que l’énergie calorifique sous forme de rayonnement est la plus importante.

La loi de Stefan-Boltzman exprime la quantité d’énergie rayonnée par une surface dans toutes les directions et pour toutes les longueurs d’onde :

E = C x (T/100)⁴ [W/m²]

avec :

E = émittance énergétique pour un corps noir;
C = coefficient de rayonnement du corps considéré [W/m².K⁴];
T = température absolue [K].

Cette formule n’est pas pratique et ne reflète pas la réalité. Pour les meubles frigorifiques notamment, ce qui est plus intéressant est l’échange de chaleur entre deux surfaces. Dans ce cas, la surface ouverte du meuble, où les températures des denrées sont fort différentes des températures des surfaces environnantes (plafond par rapport à la surface limite d’une gondole), échange de la chaleur rayonnante selon la formule suivante :

Q_ray = hro x A (t_paroi – t_i) x φ₁ x φ₂ [W]

avec :

hro = coefficient d’échange par rayonnement entre deux corps noirs[W/m².K]. (Ce coefficient en froid alimentaire est de l’ordre de 4-6 W/m².K) ;
A = la surface ouverte du meuble frigorifique [m²]
t_paroi = température des parois rayonnant vers les parois intérieures au meuble [°C];
t_i = température des parois recevant le rayonnement [°C];
φ₁ = facteur de correction d’émissivité mutuelle entre deux corps gris parallèles (qui n’absorbent pas 100 % du rayonnement contrairement aux corps noirs). 0,8 est une valeur courante;
φ₂ = facteur de correction d’angle lorsque les surfaces ne sont parallèles. φ₂ = 1 lorsque les surfaces sont parallèles et φ₂ = 0,65 pour des surfaces orthogonales.

Le coefficient d’émissivité

La capacité d’un matériau à émettre de la chaleur de manière radiative est appelée son émissivité. Ce coefficient d’émissivité ε varie en fonction de la longueur d’onde du signal émis.

Les matériaux que l’on trouve à l’intérieur d’un bâtiment, émettent typiquement des radiations sous forme de rayons infrarouges de très grande longueur d’onde.

A savoir aussi que pour une longueur d’onde donnée, le coefficient d’absorption d’un matériau est égal au coefficient d’émissivité.

Matériaux à basse émissivité

Les matériaux tels que les tôles d’aluminium ou les alliages à base d’aluminium dont les caractéristiques principales sont d’être de type poli et non anodisé ont un coefficient d’émissivité de l’ordre de :

0,1 à 0,15 pour les longueurs d’onde allant du visible à l’infrarouge lointain;

0,8 pour les longueurs d’onde dans l’infrarouge lointain. Pour ces longueurs d’onde, le matériau se comporte comme un corps noir (corps absorbant complètement la lumière visible avec ε=1).

Un matériau dont le coefficient d’émissivité est de 0.1 émettra seulement 10 % de l’énergie possible à cette température, donc absorbera seulement 10 % du rayonnement de grande longueur d’onde qui l’atteint. Autrement dit, il réfléchira 96 % du rayonnement infrarouge de grande longueur d’onde venant des plafonds ou des murs auxquels il fait face.

Attention que ce type de matériau recouvert par un vernis voit son coefficient d’émissivité augmenter en fonction de l’épaisseur. Selon les vernis et le mode de pose, l’émissivité peut varier de 0,3 à 0,96.

Il existe des matières telles que les revêtements argentés et dorés qui présentent des surfaces possédant des coefficients d’émissivité intéressants du même ordre de grandeur que les aluminiums polis non anodisés. Attention à l’état de surface et d’empoussièrement.