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Manuel des Travaux Pratiques de transfert
de chaleur
3éme Année Génie des Procédés
Sommaire
1 Introduction
2 TP N°1 : Transfert de chaleur par convection naturelle et forcée
2-1 But du TP N°1
2-2 Rappels théoriques
2-3 Description de l'appareil WL 352
2-4 Réalisation de l'essai pour la convection naturelle
2-5 Travaille demandé
3 TP N°2 : Transfert de chaleur par rayonnement
3-1 But du TP N°2
3-2 Rappels théoriques
3-3 Description de l'appareil WL 360
3-4 Réalisation de l'essai avec un corps therorayonnant
3-5 Réalisation de l'essai avec une source lumineuse
3-6 Réalisation de l'essai avec une source lumineuse
Annexe
Propriétés physiques de l'air
Caractéristiques techniques de l'appareil WL 352
Caractéristiques techniques de l'appareil WL 360
1-Introduction
On distingue conventionnellement trois modes de transmission de la chaleur: la
conduction, la convection et le rayonnement.
• La conduction
Ce mode de transmission de chaleur s’applique plus particulièrement aux solides,
mais concerne aussi les fluides au repos.
Il correspond à une propagation de la chaleur de proche en proche au sein de la
matière, le passage de la chaleur se faisant par contact entre particules (atomes ou
molécules) voisines. La matière se comporte véritablement comme un conducteur
de la chaleur.
• La convection
La transmission de chaleur par convection met en jeu le mouvement des fluides (gaz
ou liquides).
Ce mouvement permet l’échange de chaleur entre le fluide et une paroi et facilite la
diffusion de la chaleur au sein de l’ensemble du fluide grâce à l’agitation produite.
Dans la transmission de chaleur par convection, le fluide se comporte comme un
véhicule de la chaleur.
La convection est dite naturelle ou libre lorsque le mouvement du fluide est créé par
les différences de masse volumique existant au sein du fluide du fait des différences
de températures. Lorsque le mouvement est communiqué par une machine agitateur,
pompe, compresseur ou ventilateur, la convection est dite forcée.
• Le rayonnement
La transmission de chaleur par rayonnement correspond au transport d’énergie
thermique sous forme d’ondes électromagnétiques analogues à celle de la lumière.
En effet, tout corps, même placé dans le vide, émet de l’énergie thermique sous
forme d’un rayonnement qui est véhiculé sans support matériel. Cette émission est
d’autant plus importante que la température du corps émetteur est élevée. Elle n’est
cependant notable qu’à partir de 700 à 800°C. Dans le cas du soleil, dont la
température superficielle est de l’ordre de 6000°C, l’émission thermique est
particulièrement importante.
Parallèlement, tout autre corps placé sur le trajet de ce rayonnement en absorbe une
partie et, de ce fait, est un récepteur de chaleur.
Dans la pratique des procédés industriels, la mise en oeuvre des échanges de chaleur
fait appel simultanément aux différents modes de transmission de la chaleur.
Ce travail est dont le but de présenté d'un support des travaux pratiques de transfert
de chaleur pour les étudiants de 3émé
Année Génie des Procédés
2 TP N°1 : Transfert de chaleur par convection
naturelle et forcée
2-1-But du TP :
Calculer le flux de chaleur échangée par convection naturelle et forcée ;
Calculer le coefficient d'échange par convection.
2-2-Rappels théoriques
La convection est un transfert de chaleur dans un milieu matériel avec
mouvement de matière. Ce mode de transfert ne concerne donc que les fluides ou
les échanges entre un solide et un fluide.
Dans le cas d'un transfert entre un solide et un fluide, la puissance transférée par
convection est donnée par la relation suivante :
fp TThS …………………………..(1)
Tp : la température de la paroi du solide ;
Tf : la Température du fluide loin de la paroi ;
h : le coefficient d'échange de surface. Sa détermination fait intervenir des
relations de corrélations entre des nombres sans dimension, déterminés à partir
des propriétés thermophysiques du fluide.
On distingue deux types de convection :
La convection libre (ou naturelle) dans laquelle les mouvements du fluide sont
dus aux variations de masse volumique,
La convection forcée dans laquelle les mouvements du fluide sont imposés par
une pompe ou un ventilateur.
2-3-Description de l'appareil WL 352
L'appareil WL 352 (Figure 1) est destiné à la transmission de la chaleur
(Convection libre et convection forcée dans un écoulement d'air)
Figure 1 : L'appareil WL 352(Transfert de chaleur par convection)
1- capteur de température.
2 - canal d'air.
3 - thermocouple type K.
4- appareil d'affichage et de commande.
5- élément chauffant "plaque".
6- élément chauffant "ailettes".
7- capteur d'écoulement,
8- élément chauffant "faisceau tubulaire".
9- raccord de mesure pour thermocouple
Figure 2 : Amplificateur de mesure
2-4--Réalisation de l'essai pour la convection naturelle
- Activer l'amplificateur de mesure ;
Fixer la source de chaleur choisie (plaque plane, faisceau tubulaire, ailettes)
- Activer l'interrupteur de puissance électrique et choisissez une puissance
pour échauffer la source de chaleur ;
- Patienter (30 à 40 minutes) pour que l'air à l'intérieur de la conduite
s'échauffe ;
- Noter T0 la température auprès de la source de chaleur déterminée par le
thermocouple type K
- Enregistrer les valeurs qui s'affichent à l'amplificateur de mesure tel que
- T1 (température de l'air à l'entrée)
- T2(température de l'air à la sortie),
- w (vitesse de l'air)
- P (puissance électrique).
Remarque : pour la convection forcée on suivra les même étapes et on ajoute
une action extérieur représentée par la ventilation et on choisi une vitesse pour le
mouvement du fluide.
T1 T2 T0
w P
Figure 3: 1 convection libre sur élément chauffant, 2 convections forcées sur
élément chauffant
2-5-Travaille demandé
- transfert thermique pour différentes surfaces: Calculez le flux échangé par
convection
* plaque plane
* faisceau tubulaire
* ailettes
- calcul du coefficient de transfert de chaleur pour la convection libre et la
convection forcée
- calcul de la quantité de chaleur transmise et du rendement
- Calculez le flux échangé par convection:
La loi de Newton fp TThS avec cette loi on ne peut pas calculer le flux parce
qu’on n’a pas la valeur du coefficient d’échange convective (h).
La thermodynamique 'affirme que l'énergie absorbée par l'air froid est égale au flux
échangé par la convection:
ΔTCm p
…………………………..(2)
m : débit massique kg/s :
wAm …………………………..(3)
W: vitesse de l'air (m/s)
A: section de passage (m2).
: masse volumique de l'air (kg/m3)
pC: chaleur spécifique (J/kg.°C)
T : Tsortie (T2) – T entrée (T1) ( °C).
Pour calculer la masse volumique et la chaleur spécifique, il est impératif de se
référer au tableau en annexe.
L’efficacité de l’appareil
L’efficacité de l’appareil est le rapport entre la valeur énergétique produite
(calculer) et la valeur énergétique consommée (électrique) dans un processus.
En toute logique, un rendement énergétique est nécessairement compris entre 0 et 1
(ou entre 0% et 100%). Un rendement de 100% serait le fait d'un système idéal : il
n'existe jamais.
électrique
calculer
(4)
Calcul du cœfficient d'échange par convection:
Le flux étant déjà calculé, il nous reste à calculer la différence de température
(Tp – Tf) Mais dans ce cas la différence de température entre le fluide chaud et le
fluide froid n'est pas constante pour cela on introduit Tm la moyenne logarithmique
des différences de température aux deux extrémités de l'appareil:
mfp hSTTThS
(5)
2
1
21
lnTT
TT
TTTTT
out
in
outin
o
o
oo
m
(6)
-Dans ce cas nous supposons que Tint = Tout = To
-Les surfaces d'échange:
Plaque plane = 0.014m2
Faisceau tubulaire = 0.098 m2
ailettes = 0.14m2
Complétez le tableau suivant :
convection naturelle convection forcée
plaque
plane
faisceau
tubulaire
ailettes
plaque
plane
faisceau
tubulaire
ailettes
T1
T2
T0
W
P
Φ
η
h
Commentez vos résultats
3-TP N°2 : Transfert de chaleur par rayonnement
3-1-But du TP
Le but du TP est de déterminer :
- L'exposant de la loi de Stefan Boltzmann, et la valeur de la constante de Stefan
Boltzmann ;
- La loi de l'inverse du carré de Lambert ;
- La loi du cosinus de Lambert.
3-2-Rappels théoriques
Le rayonnement est un transfert de chaleur entre deux corps, séparés par du
vide ou un milieu transparent, par l'intermédiaire d'ondes électromagnétiques. Nous
ne considérerons que les corps solides opaques au rayonnement.
Pour l'étude du rayonnement, on définit un corps de référence appelé le corps
noir dont on peut déterminer les propriétés. La seule propriété qui nous intéressera
par la suite est l'émittance M définie comme étant la puissance émise par unité de
surface sur toute la gamme de longueur d'ondes (entre 0 et ∞) dans tout le demi-
espace supérieur. On démontre que :
4TM …………………………..(07)
T : la température absolue du corps considéré (K) ;
σ : la constante de Stefan.
Les propriétés des corps réels sont définies par rapport à celles du corps noir.
On ne considérera par la suite que l'approximation du corps gris diffusant. Dans ce
cas, les propriétés du corps réel sont déduites de celles du corps noir par simple
multiplication par l'émissivité ε. L'émissivité est un nombre strictement inférieur à
1.
La puissance échangée entre deux corps (respectivement de surface S1,
température T1 et de surface S2, température T2 ) se met sous la forme :
4
2
4
1121 TTFSQ …………………………..(08)
F 1,2 : un nombre sans dimension appelé facteur de forme qui fait intervenir la
géométrie considérée et les émissivités des 2 corps.
3-3-Description de l'appareil WL 360
L'appareil WL 360 (Figure N°7) est destiné pour la transmission de la chaleur par
rayonnement
L'appareil WL 360 transmission de la chaleur par rayonnement est destiné à
l'analyse des conformités à la loi du rayonnement en prenant l'exemple du
rayonnement thermique et lumineux.
L'appareil possède un corps thermorayonnant sous forme de source noir avec pile
thermoélectrique correspondant qui mesure l'intensité lumineuse. Un luxmètre avec
avec source lumineuse saisit l'intensité lumineuse, des thermocouples mesurent la
température.
Figure 4 : L'appareil WL 352
-(1) Corps thermorayonnant.
-(2) Pile thermoélectrique pour la mesure du rayonnement, sur support rotatif.
-(3) Luxmètre pour mesurer l'intensité lumineuse, sur support rotatif.
-(4) Plaque d'absorption avec points de mesure de température.
-(5) Filtres colorés (rouge, vert, infrarouge) avec fixation par pince.
-(6) Source lumineuse orientable.
-(7) Amplificateur de mesure avec câble de raccordement.
-(8) bâti de réception des dispositifs.
Figure 5 : Amplificateur de mesure
-(1) Afficheur de flux d'énergie du rayonnement (w/m2).
-(2) Afficheur de l'intensité lumineuse en Lux.
-(3) Afficheur des températures des thermocouples raccordés.
-(4) Régulateur de puissance pour modifier la tension d'alimentation.
-(5) interrupteur de régulateur.
Figure 6 : Dos de l'amplificateur de mesure
(6) Raccordement secteur.
(7) Interrupteur principal.
(8) Port PC.
(9) Raccordement d'alimentation.
(10) Sonde pour mesurer l'intensité lumineuse.
(11,13) Sondes thermoélectriques.
(12) Sonde pour mesurer le flux d'énergie du rayonnement.
3-4-Réalisation de l'essai avec un corps therorayonnant:
L'exposant de la loi de Stefan Boltzmann, et la valeur de la constante de
Stefan Boltzmann
Figure 7 : Réalisation de la loi de Stefan Boltzmann
- Activez l'amplificateur de mesure.
- Fixez la pile thermoélectrique à une distance de L=50 mm par rapport au
corps thermorayonnant et enlever tous les autres modules intégrés entre ces
appareils.
- Notez la température ambiante.
- Réglez le régulateur de mesure sur 7. la température augmente lentement.
- Enregistrez la série de mesures en notant tous les 10 kelvins la température et
le flux d'énergie du rayonnement affiché.
Loi de Stefan Boltzmann
Le flux d'énergie du rayonnement total Es d'une source noir est
proportionnel à la quatrième puissance de la température absolu de
rayonnement T :
Es = σT4 (09)
La loi est généralement appliquée sous sa forme plus pratique
4
100
TCE ss
(10)
Avec la constante de rayonnement du corps noir : Cs =5.67 (W/m2K
4)
Il faut tenir compte du fait que la pile thermoélectrique n'absorbe que le
rayonnement de la source Esource et que pour Stefan Boltzmann, c'est la
totalité du rayonnement Es, y compris le rayonnement ambiant Eamb qui doit
être inscrite.
Es=(Esource/Ɛ)+Eamb (11)
Eamb=Cs(Tamb/100)4 (12)
Ɛ : émissivité de la surface rayonnante, dans ce cas, elle prise égale à 0,75.
1-Complétez le tableau suivant
T (°C) T (° K) Esource (W/m2) Es (W/m
2) ln(T) ln(Es)
100
110
120
130
140
2- tracez la courbe ln(Es) en fonction de ln(T).
3- calculez les constantes de la courbe.
4-Commentez vos résultats
3-5-Réalisation de l'essai avec une source lumineuse:
Loi de l'inverse du carré de Lambert.
Figure 8 : Réalisation de la Loi de l'inverse carré de Lambert
- Activez l'amplificateur de mesure.
- Reliez le luxmètre, à une distance de 70 Cm par rapport à la source
lumineuse, et enlevez tous les autres modules intégrés entre ces appareils.
- Fixez la source lumineuse sur la position 0°.
- Activer entièrement le régulateur de puissance sur l'amplificateur de mesure.
- Enregistrez la série de mesure en diminuant la distance L en écarts judicieux
et en lisant à chaque fois le flux d'énergie du rayonnement E et la distance L.
-
Loi de l'inverse carré de Lambert
La loi indique que le flux d'énergie du rayonnement (= intensité lumineuse)
d'un rayonnement émis par une source ponctuelle diminue avec le carré de la
distance:
2
1
LE pt
Avec
Ept : flux d'énergie du rayonnement sur le point de mesure.
E : source flux du rayonnement de la source.
L : distance du point de mesure par rapport à la source ponctuelle en m.
1-Complétez le tableau suivant
Distance par rapport à la source de
rayonnement L
Flux d'énergie de rayonnement E (W/m2)
0.15
0.25
0.35
0.45
0.55
0.65
2- tracez la courbe ln(E) en fonction de ln(L).
3- calculez les constantes de la courbe.
4-que constatez-vous?
3-6-Réalisation de l'essai avec une source lumineuse:
Loi du cosinus de Lambert.
Figure 9 : Réalisation de la Loi du cosinus de Lambert
L'essai de vérification de la loi du cosinus doit être réalisé, dans la mesure du
possible, dans l'obscurité:
- activer l'amplificateur de mesure.
- Fixer le luxmètre, à une distance de L= 400 mm par rapport à la source
lumineuse, et enlever tous les autres modules intégrés entre ces appareils.
- Ouvrir entièrement le régulateur de puissance sur l'amplificateur de mesure.
- Fixer la source lumineuse sur la position 0 .
- Enregistrer la série de mesure en augmente l'angle d'incidence à écart de
10° et lire l'intensité lumineuse E correspondante.
-Complétez le tableau suivant.
Angle d'incidence dans le luxmètre
rapporté à l'axe lumineuse
Intensité lumineuse (lux)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
-représentez l’intensité lumineuse standardisée le long du cercle unité.
Caractéristiques techniques de l'appareil WL 352
Canal d'air
- section d'écoulement: 120x120mm
- hauteur: 1m
- vitesse de l'air max.: 3,2m/s
Ventilateur axial
- débit max.: 170m³/h
- différentiel de pression max.: 54Pa
- puissance absorbée: 6,5W
- vitesse de rotation nominale: 2900min-1
Éléments chauffants
- limitation de température max.: 120°C
- puissance de chauffe max.: 170W
- surface de la plaque plane: 140cm²
- surface du faisceau tubulaire: 980cm²
- surface des lamelles: 1400cm²
Plages de mesure
- vitesse d'écoulement: 0...10m/s
- température: 2x 0...100°C, 1x 0...200°C
- puissance de chauffe: 0...375W
Caractéristiques techniques de l'appareil WL 360
Emetteur de rayonnement lumineux
Plage de rotation 0-90° des deux cotés
Puissance de l'ampoule 40W
Surface éclairée 0.0289 m2
Corps thermorayonnant
Puissance consommée max 400 W(version 120V/60Hz max 340W)
Température maximale 150°C
Surface de rayonnement 0.0320 m2
Luxmètre
Plage de mesure 0-2000 Lux
Thermocouples
Plage de mesure 0-200 °C
Pile thermoélectrique
Plage de mesure 0-400 W/m2
