Dans l’industrie, la chaleur est une commodité coûteuse. Qu’il s’agisse de la transmettre via des échangeurs ou de la conserver grâce à des solutions d’isolation, la maîtrise des flux thermiques est un enjeu de rentabilité directe. Si la conduction est intuitive (le transfert thermique se fait par contact), la convection est plus insaisissable. Elle dépend de la vitesse, de la viscosité, de la rugosité des surfaces et de la nature du fluide. C’est souvent là que se cachent les gisements d’économies d’énergie les plus importants. Cet article dépasse les définitions scolaires pour explorer la mécanique des fluides au service de la thermique industrielle.
Une définition simple de la convection thermique ?
Contrairement à la conduction qui se propage dans la matière immobile, à travers un solide, la convection est un transfert d’énergie thermique qui se produit par le déplacement de matière. Elle ne concerne donc que les fluides (liquides ou gaz).
Pour faire simple : ce n’est pas la chaleur qui « voyage » d’atome en atome, c’est un groupe d’atomes chauds qui se déplace physiquement vers une zone plus froide, emportant l’énergie avec lui.
En ingénierie, on résume ce phénomène par la loi de Newton :
φ = h x S x (Tp — Tf)
- φ (Phi) : le flux de chaleur (en Watts).
- S : la surface de contact (en m²).
- Tp — Tf : la différence de température entre la paroi et le fluide.
- h : le coefficient de convection (le plus important ici ! Exprimé en W/m².K).
C’est ce fameux coefficient « h » qui intéresse les industriels. Plus il est élevé, plus l’échange est rapide. Et pour comprendre ce qui fait varier « h », il faut plonger dans la physique.
Au-delà de la définition : la mécanique de la couche limite
Pour les thermiciens, tout se joue au niveau de l’interface entre le solide et le fluide, dans une zone microscopique appelée la couche limite thermique (δ).
Pour schématiser, imaginez de l’air circulant dans une gaine de ventilation. Au centre, l’air file à toute vitesse. Mais à la surface même de la paroi, la vitesse est nulle : l’air « colle » à la paroi. Entre ces deux extrêmes, il existe une fine pellicule d’air freinée par la viscosité.
- Si vous voulez isoler : votre but est d’épaissir cette couche limite. Car dans cette zone immobile, la chaleur ne peut se déplacer que par conduction thermique et l’air est un très mauvais conducteur.
- Si vous voulez refroidir : votre but est de détruire cette couche limite pour amener du fluide frais au contact direct de la matière.
C’est ici qu’intervient le régime d’écoulement, déterminé par le Nombre de Reynolds (Re) :
- Régime laminaire (Re < 2300) : le fluide s’écoule en couches calmes et parallèles. Les échanges thermiques sont faibles.
- Régime turbulent (Re > 4000) : des tourbillons appelés vortex viennent arracher les calories à la paroi. En régime turbulent, le coefficient de convection augmente.
Note pour les bureaux d’études : Dans vos notes de calculs, c’est le Nombre de Nusselt (Nu) qui fera le lien final entre la conduction pure du fluide et la convection réelle. Il représente le ratio adimensionnel entre le transfert par convection et le transfert par conduction pure.
- Si Nu = 1, le fluide est immobile : la chaleur ne se propage que par conduction.
- Si Nu ⪢ 1, la convection domine largement.
L’objectif physique de nos isolants textiles est précisément de « casser » les vitesses d’air internes pour ramener artificiellement ce Nusselt le plus proche possible de 1, transformant ainsi une fuite convective active en une simple résistance conductive passive.
Convection naturelle vs convection forcée : le duel industriel
C’est la distinction fondamentale qui va vous permettre de mieux dimensionner vos installations.
La convection naturelle ou convection libre
Elle se produit sans intervention mécanique. Ici, quand un fluide chaud devient moins dense, plus léger, et s’élève sous l’effet de la poussée d’Archimède, remplacé par du fluide froid. C’est le même phénomène qui s’applique sur le « tirage » d’une cheminée.
- Ordre de grandeur du coefficient h (Air) : 5 à 25 W/m².K.
En industrie vous retrouvez ce phénomène avec le refroidissement passif d’un moteur à l’arrêt, ou les pertes de chaleur sur le toit d’un four non isolé. Les échanges sont lents.
La convection forcée
Ici, le mouvement du fluide est généré par un dispositif mécanique : une pompe, un ventilateur, un agitateur. On force ici le fluide à « lécher » la paroi à grande vitesse. Cela « casse » la couche limite thermique et multiplie les échanges thermiques.
- Ordre de grandeur du coefficient h (Air) : 10 à 500 W/m².K.
- Ordre de grandeur du coefficient h (Eau) : 100 à 15 000 W/m².K.
En tant qu’industriel, vous retrouvez ce principe sur les échangeurs de chaleur, lors du refroidissement liquide des moules d’injection, ou dans les fours à chaleur tournante.
Les coefficients de transfert peuvent être 10 à 100 fois supérieurs à la convection naturelle.
C’est pour cette raison qu’une fuite d’eau ou d’huile sur un calorifugeage est critique. Le liquide dont la convection est bien supérieure à celle de l’air va « laver » les calories et annuler l’effet de l’isolant.
Dans certains cas extrêmes, prenons l’exemple d’un fil de couture en aramide utilisé pour la confection d’un manchon isolant pour un point singulier, un dégagement de vapeur d’eau à très haute température peut venir détruire la protection ou pire, déclencher un incendie.
Pourquoi la convection est-elle un défi pour l’isolation industrielle ?
Si la convection est formidable pour refroidir ou chauffer un produit dans vos process de fabrication, elle est une nuisance quand vous cherchez à isoler et protéger.
Prenons une tuyauterie transportant de la vapeur à 200 °C. L’air au contact du tuyau se réchauffe, monte, et est immédiatement remplacé par de l’air froid ambiant qui vient « voler » des calories au tuyau. C’est un cycle perpétuel de perte énergétique.
Pour un expert en isolation comme nous, lutter contre la convection revient à répondre à une question : comment empêcher le fluide, ici l’air, de bouger ?
C’est le secret des matériaux isolants poreux ou fibreux.
Piéger l’air dans le matériau : l’impact de la densité
L’air immobile est l’un des meilleurs isolants au monde. Sa conductivité thermique est très faible, λ ≅ 0,026). Les textiles techniques et nappes isolantes, grâce à leurs structures fibreuses, viennent ici « capturer » l’air.
Cependant, attention au piège de la porosité si un isolant est trop peu dense, des micro-boucles de convection se créent à l’intérieur même du matériau. Il faut donc choisir des densités et des tissages serrés pour bloquer ces mouvements microscopiques.
Stopper le flux traversant grâce à l’étanchéité
Dans les environnements sévères, le vent ou les ventilations forcent l’air à traverser les isolants poreux.
La solution réside dans les textiles enduits (silicone, polyuréthane…). Ces revêtements créent une barrière étanche à l’air qui stoppe net le transport de masse, forçant la chaleur à se déplacer uniquement par conduction.
Éviter l’effet cheminée grâce aux solutions confectionnées
Sur des pièces complexes comme les vannes ou les compensateurs, un mauvais ajustement d’un calorifugeage crée une lame d’air entre la pièce chaude et l’isolant. Cet air va circuler verticalement, accélérer et évacuer la chaleur par le haut.
C’est tout l’enjeu des matelas isolants sur mesure et des gaines techniques : épouser la forme parfaite pour supprimer cet espace libre.
Les solutions textiles face aux flux convectifs
Dans des environnements sévères, l’isolation rigide ne suffit pas toujours. C’est là que les textiles techniques entrent en jeu pour limiter les pertes convectives, notamment sur les pièces de formes complexes (vannes, compensateurs, tuyauteries flexibles).
- Les gaines et rubans épousent parfaitement la forme du conducteur, en particulier sur les tuyauteries, ils suppriment la lame d’air qui pourrait circuler entre l’isolant et la pièce chaude et donc l’effet de cheminée.
- Les tissus enduits créent une barrière étanche à l’air, stoppant net le transport de masse calorifique.
- Les feutres et nappes aiguilletées ont la meilleure structure fibreuse pour emprisonner l’air et sont donc de parfaits isolants.
Maîtriser la convection pour maîtriser vos coûts
La convection est invisible, mais elle se voit sur vos factures énergétiques. Qu’il s’agisse de la favoriser (pour refroidir une machine) ou de la bloquer (pour protéger le personnel, isoler et conserver la chaleur), la compréhension de ce phénomène est la clé d’une stratégie thermique efficace.
Une fois que vous avez maîtrisé le transfert thermique par contact (conduction) et le mouvement d’air (convection), il reste un dernier « Boss final » à affronter, afin d’optimiser vos coûts énergétiques : le rayonnement thermique.
