Semestre 04

Résumé du cours : Phénomènes de Transfert – Licence 2 Génie des Procédés

Les phénomènes de transfert englobent les mécanismes physiques responsables du déplacement de la matière, de l'énergie et de la quantité de mouvement dans un système. Ils jouent un rôle essentiel dans les procédés industriels (ex : échangeurs thermiques, réacteurs chimiques, séparation).

1. Transfert de Quantité de Mouvement (Mécanique des Fluides)

Définition : C'est l'étude de l'écoulement des fluides (liquides et gaz) sous l'effet de forces appliquées.

• Types d'écoulement :

  • Laminaire : Écoulement ordonné, faible vitesse (Nombre de Reynolds $Re < 2000$Re<2000).
  • Turbulent : Écoulement chaotique, haute vitesse ($Re > 4000$Re>4000).

• Lois principales :

  • Loi de Newton (viscosité) : $\tau = \mu \frac{du}{dy}$τ=μdydu​ (force de cisaillement).
  • Équation de continuité : Conservation de la masse : $\nabla \cdot \mathbf{v} = 0$∇⋅v=0.
  • Équation de Navier-Stokes : Conservation de la quantité de mouvement.

2. Transfert de Chaleur (Thermique)

Définition : Mouvement de l’énergie thermique d’une région chaude vers une région froide.

• Modes de transfert :

  • Conduction : Par contact direct (Loi de Fourier : $q = -k \frac{dT}{dx}$q=−kdxdT​).
  • Convection : Par mouvement de fluide (Loi de Newton : $q = h \Delta T$q=hΔT).
  • Rayonnement : Par émission d’ondes électromagnétiques (Loi de Stefan-Boltzmann : $q = \sigma T^4$q=σT4).

• Nombre adimensionnel :

  • Nombre de Nusselt (Nu) : Rapport convection/conduction.
  • Nombre de Biot (Bi) : Influence de la résistance interne/externe.

3. Transfert de Matière (Diffusion)

Définition : Mouvement des espèces chimiques dans un milieu sous l’effet d’un gradient de concentration.

• Mécanismes :

  • Diffusion moléculaire : Déplacement dû à l’agitation thermique (Loi de Fick : $J = -D \frac{dC}{dx}$J=−DdxdC​).
  • Diffusion convective : Transport simultané avec l’écoulement du fluide.

• Lois fondamentales :

  • Première loi de Fick : Flux de diffusion proportionnel au gradient de concentration.
  • Deuxième loi de Fick : Diffusion dépendant du temps (équations non stationnaires).

• Nombres adimensionnels :

  • Nombre de Schmidt (Sc) : Ratio viscosité/diffusivité.
  • Nombre de Sherwood (Sh) : Rapport de transfert de masse par convection/diffusion.

4. Analogies entre les Transferts

Les trois types de transfert (chaleur, masse, quantité de mouvement) partagent des mécanismes similaires :

• Analogie de Reynolds : Relation entre la convection thermique et le frottement.
• Analogie de Chilton-Colburn : Corrélation entre le transfert de chaleur et de masse.

Applications Industrielles

• Procédés de séparation : Distillation, absorption, extraction.
• Échangeurs thermiques : Transfert de chaleur dans les raffineries.
• Transport de fluides : Pompes, pipelines, circuits hydrauliques.