TRAVAUX PRATIQUES Transfert thermique L3 CM

TRAVAUX PRATIQUES

Transfert thermique L3 CM

Ce TP est destiné aux étudiants de la Licence L3 CM,

Filière Mécanique conformément aux programmes

harmonises 2016/2017. Support des cours théoriques : TRANSFERT THERMIQUE (Dr. D. TITOUNA)

LES TROIS MODES DE TRANSFERT THERMIQUE

TP1 : APPAREIL DE CONDUCTION DE CHALEUR.TP2 : APPAREIL DE TRANSFERT DE CHALEUR PAR CONVECTION LIBRE ET FORCEE. TP3 : APPAREIL DE RADIATION THERMIQUE.

Réalisé par : F. BOUGUERNE

Année Universitaire : 2019 - 2020

L3 - CM - TP. Transfert

CONTENU

Ces travaux pratiques sont destinés

aux étudiants de la troisième année licence en

construction mécanique.

Page

Rappels…………………………………………………………………………………………………………………………… 2

TP1 : Appareil de conduction de chaleur……………………………………………………………. 10

TP2 : Appareil de transfert de chaleur par convection libre et forcée…… 19

TP3 : Appareil de radiation thermique………………………………………………………………. 24

Annexe : Programme de la matière « Transfert thermique »………………….. 31


1

L3 – CM TP. Transfert de chaleur

F. BOUGUERNE

Rappels

Lorsqu'il existe une différence de température entre deux points d'un système, ou lorsque

deux systèmes à des températures différentes sont mis en contact, on constate une tendance à

l'égalisation des températures. On dit qu'il y a transfert de chaleur. La différence de température

joue le rôle de différence de potentiel pour l'échange de chaleur.

Le transfert de chaleur obéit aux principes fondamentaux de la thermodynamique, mais les lois

de la thermodynamique ne suffisent pas pour expliquer de quelle manière s'effectue le transfert

de chaleur ou pour prévoir la vitesse de ce transfert. Le transfert de chaleur est donc régi par

d'autres mécanismes, importants dans différentes branches de l'industrie.

Les problèmes de transferts thermiques se ramènent généralement à l'une ou l'autre des deux

formes suivantes :

Rechercher la manière la plus efficace de transmettre une quantité donnée de chaleur

entre deux systèmes.

Réduire au minimum les pertes de chaleur à travers une surface.

La résolution de ces problèmes est souvent complexe car le transfert de chaleur peut résulter

de trois mécanismes de propagation obéissant à des lois bien différentes et mis en jeu parfois

simultanément :

La conduction, la convection et le rayonnement.


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F. BOUGUERNE

Bon à savoir : il ne faut pas confondre chaleur et température ! La chaleur est un transfert

d’énergie qui est dit désordonné alors que la température caractérise l’état d’un corps et peut

être mesurée en °C ou en K.

Quelques définitions

Régime permanent - Régime transitoire

La température en un point d'un système à un instant donné dépend de la position de ce point

par rapport à un repère fixe de coordonnées :

θ = θ (x, y, z) θ en °C T = T (x, y, z) T en K

Si la température de tous les points du système est indépendante du temps, on dit que le régime

est permanent.

Si la température dépend du temps, on dit que le régime est transitoire. Dans ce cas, on peut

écrire :

θ = θ (x, y, z, t) T = T (x, y, z, t)

Surface isotherme

On appelle surface isotherme θ0 la représentation dans l'espace de l'équation θ = θ (x, y, z) à

un instant donné.

En régime permanent, les surfaces isothermes restent fixes.

En régime transitoire, les surfaces isothermes peuvent se déplacer et se déformer.

Gradient de température

On appelle gradient de température en un point M (x, y, z) d'un système à un instant donné, le

vecteur de composantes ∂θ/∂x, ∂θ/∂y, ∂θ/∂z, soit : grad θ.

Ce vecteur est normal à la surface isotherme passant par le point M.


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F. BOUGUERNE

Flux de chaleur

On appelle flux de chaleur, Q, à travers une surface, la quantité de chaleur qui traverse cette

surface par unité de temps. Le flux de chaleur est un scalaire qui représente le débit de chaleur

à travers la surface.

Densité de flux

On appelle densité de flux de chaleur q

, en un point d'une surface, le flux de chaleur ramené à

l'unité d'aire qui s'écoule à travers un élément différentiel de surface situé autour de ce point.

La densité de flux est un vecteur qui caractérise la vitesse d'écoulement de la chaleur en un

point particulier. C'est un vecteur perpendiculaire à la surface.

Grandeurs physiques utilisées pour les transferts de chaleur

Le transfert de chaleur fait intervenir différentes grandeurs physiques qu'il convient de définir.

On précisera également les unités habituellement utilisées (unités S.I. et autres).

Grandeur Dimension Unité

Masse M Kg

Longueur L m

Température θ °C, K

Chaleur M L2 T-2 Joule

Chaleur spécifique L2 T-2 θ-1 J.Kg-1K-1 , Kcal.Kg-1°C-1

Chaleur latente L2 T2 J.Kg-1 , Kcal.Kg-1

Viscosité M L-1 T1 Kg.m-1s-1

Définition de la convection :

Il s'agit d'un transfert de chaleur qui s'effectue grâce à un mouvement de matière dans un milieu

liquide ou gazeux. En effet, la circulation d’un fluide chauffe et fait circuler la chaleur. C’est donc

un terme plutôt réservé aux fluides. La chaleur est propagée par déplacement de matière.


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Lors de la convection les mouvements se produisent en général de manière spontanée sous

l'effet d'une différence de température entre des zones d'un fluide. En effet, la densité d'une

substance dépend de sa température : un gaz ou un liquide possède une densité d'autant plus

faible que sa température est élevée.

Par conséquent, un fluide chaud à donc tendance à s'élever et un fluide froid à descendre ce qui

provoque des courants ascendants ou descendants que l'on retrouve par exemple dans l'air ou

dans l'eau. Au cours de ces mouvements, les fluides chauds transmettent de la chaleur aux

fluides plus froids.

La convection naturelle se retrouve dans les phénomènes environnementaux.

Quand une zone de l'atmosphère change de température et se déplace verticalement : le

changement de température influe sur sa masse volumique. Il se créer un mouvement de

convection à l’origine des phénomènes naturels comme par exemple les courants marins.

La convection forcée est une circulation artificielle d’un fluide.

On trouve ce système de convection forcée dans le chauffage central avec accélérateur, les

chauffe-eau solaires ou même la circulation sanguine ! (Les échanges thermiques entre les

organes et la peau se font essentiellement par convection, assurée grâce à la circulation

sanguine.)

Définition de la conduction

La conduction correspond au transfert de chaleur direct entre des matières en contact. La

conduction thermique est un terme spécifique aux solides. C’est un transfert thermique direct

au sein d’un milieu matériel (par propagation de proche en proche).


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F. BOUGUERNE

Toute matière est composée d'atomes (qui font éventuellement partie de molécules) et ces

atomes ne sont jamais totalement fixes : ils vibrent et ces vibrations peuvent se transmettre de

proche en proche aux atomes voisins et c'est ce phénomène qui correspond à un transfert de

chaleur par conduction. La chaleur est ainsi transmise des particules les plus agitées (celles

qui ont donc la température la plus élevée) vers les particules les moins agitées (celles qui ont

la température la plus faible).

La conduction se définit par une transmission de chaleur de proche en proche dans un matériau

comme le métal. En effet, les métaux sont de bons conducteurs de chaleur.

Qu’est-ce qu’un conducteur de chaleur ?

Les métaux peuvent être classés en fonction d’une caractéristique particulière : leur conductivité

thermique. C’est une grandeur qui caractérise l’aptitude d’un corps à conduire la chaleur. Plus elle est

élevée et plus le matériau conduit la chaleur et donc moins il est isolant. En effet, les électrons de la

matière communiquent leur agitation de proche en proche. Cette caractéristique va de pair avec la

conductivité électrique. Le cuivre et l’aluminium sont des matériaux présentant une très forte

conductivité thermique. Le bois, le polystyrène ou l’air sont des isolants. Les matériaux isolants

permettent de limiter les déperditions de chaleur.

Le saviez-vous ? Les batteries de cuisine professionnelles sont le plus souvent en cuivre. Mais

pourquoi ? Le cuivre possède des caractéristiques exceptionnelles. C’est un matériau

hygiénique (il possède des propriétés antibactériennes naturelles) et surtout il possède une

excellente conductivité thermique. Ainsi, le cuivre transmet la chaleur entre la flamme et

l’aliment en répartissant la chaleur de façon la plus homogène possible.

Définition du rayonnement

Tout corps émet des rayonnements dont la fréquence (et donc l'énergie) dépend de la

température de ce corps : ce phénomène est décrit par la loi de Wien. A température ambiante

la majorité de ces rayonnements sont des infrarouges qui sont absorbés par la matière

environnante et en convertis en chaleur. Qu'est-ce que la loi de Wien ?

La loi de Wien met en relation le rayonnement d'un corps noir (corps opaque et non réfléchissant

et non diffusant et capable d'absorber toutes les radiations électromagnétiques incidentes) à

une longueur d'onde.


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F. BOUGUERNE

Le rayonnement (de nature électromagnétique) peut se propager dans le vide. L’absorption par

la matière peut ainsi donner lieu à des phénomènes thermiques. En effet, le rayonnement

électromagnétique permet de chauffer les aliments par agitation thermique très grande qui

donne une élévation de température.

Exemple : le rayonnement solaire ou le four à micro-ondes.

Le saviez-vous ? L’histoire de la microonde est liée à la gourmandise d’un homme : Percy

Spencer. L’histoire se déroule en 1946. Percy Spencer travaillait alors dans une usine de

magnétrons pour radars. Gourmand, Percy Spencer avait dans sa poche une barre chocolatée.

Un jour qu’il s’approchait du magnétron, sa barre de chocolat fondit dans sa poche. Il comprit

alors que les micro-ondes pouvaient avoir une autre utilisation : la cuisson des aliments.

Le micro-onde était né. Pour aller plus loin...Et une enceinte adiabatique, qu’est-ce que c’est ? Il

s’agit d’un matériau parfaitement imperméable à la chaleur (comme par exemple un thermos

ou encore un calorimètre). Dans une bouteille thermos un vide partiel règne entre les parois et

le matériau externe est isolant, ce qui limite fortement les échanges thermiques par convection.

De plus, les parois sont argentées pour limiter les pertes de chaleur par rayonnement en

réfléchissant le rayonnement infrarouge. Attention à ne pas confondre avec le terme

diathermane qui désigne un objet parfaitement perméable à la chaleur.

Exemple concret d'échanges thermiques : les modes de chauffage

Il existe plusieurs types de chauffage :

Le chauffage par conduction

Il s’agit d’un chauffage par transfert de chaleur qui se réalise par le contact de deux milieux de

températures différentes. Ainsi, quand un élément est chaud il va réchauffer un autre élément

plus froid dès que les deux éléments seront en contact. Le plancher chauffant est un exemple

de chauffage par conduction ou la chaleur est directement transmise aux pieds !


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F. BOUGUERNE

Le chauffage par convection

Ce type de chauffage s’effectue via des convecteurs électriques. Le chauffage par convection

repose sur le principe suivant : la chaleur monte et le froid descend. Le principe de ce type de

chauffage est simple : l’air froid entre dans le bas de l’appareil, il est ensuite se réchauffer via

une résistance électrique et cet air chaud, plus léger va s’échapper par les grilles supérieures

vers le haut, permettant de réchauffer l’air ambiant

Le radiateur à convection, un moyen de chauffage.

Le chauffage par rayonnement

Ce type de chauffage permet de transmettre la chaleur grâce aux ondes, de façon homogène.

Les nouvelles générations de radiateurs, appelés radiateurs rayonnants diffusent la chaleur en

ligne droite. Une résistance électrique chauffe une plaque située à l’intérieur de l’appareil. La

chaleur rayonne ensuite à travers des grilles pour chauffer la pièce tout entière. Le chauffage

par rayonnement possède de nombreux avantages comme le fait de brasser moins de poussière

et d’obtenir un air moins sec. Pour aller plus loin… Les échanges thermiques sont

particulièrement étudiés par les scientifiques. A Odeillo, il existe un four solaire qui sert de

véritable laboratoire de recherche au CNRS (Centre National de la Recherche Scientifique). Ce

four permet d’étudier les échanges thermiques à haute température, le comportement des

matériaux dans des conditions extrêmes etc…


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F. BOUGUERNE

Ce four a été construit pour fonctionner sur le principe de la concentration des rayons du Soleil

grâce à des miroirs réfléchissants. Cette configuration permet d’obtenir des changements de

température très brusques et d’étudier entre autre, l’effet des chocs thermiques.

Pourquoi le four solaire est-il composé de miroirs ? Tout corps chaud est émetteur d’un

rayonnement électromagnétique (notamment d’infrarouges). On emploie des matériaux polis ou

des surfaces argentées qui réfléchissent ce rayonnement comme la lumière sur un miroir.


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TP1 : APPAREIL DE CONDUCTION DE CHALEUR

INTRODUCTION

La conduction thermique est le mode de transfert qui a lieu dans un matériau en vertu du

gradient de température en son sein. En pratique, la conduction de chaleur a lieu dans les trois

dimensions, ce qui rend le phénomène complexe à étudier et analyser. Au laboratoire ; par

contre, une approche unidimensionnelle suffit pour démontrer la loi fondamentale qui relie le

flux de chaleur au gradient de la température et à la surface. L’appareil permet d’effectuer un

grand nombre de mesures et d’expériences dont nous décrirons certaines d’entre elles plus

loin.

I. DESCRIPTION:

L’équipement (figure 1) comprend deux spécimens de conduction de chaleur, une barre à

sections multiples pour l’étude de la conduction linéaire et un disque métallique pour l’étude de

la conduction radiale.


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F. BOUGUERNE

Figure 1

I.1. Module linéaire:

La loi de Fourrier pour la conduction de la chaleur est plus facilement démontrable à l’aide du

module de conduction linéaire, ce dernier comprend:

Un élément réchauffeur (1) fabriqué en bronze et muni d’un réchauffeur électrique (2).

Trois sondes de température (3) sont installées à 10 mm d’intervalle le long de l’élément

d’étude qui a un diamètre de 25 mm.

Un élément refroidisseur (bout froid) (4) est également fabriqué en bronze et refroidi par une

circulation d’eau et se trouve muni de sondes de température disposées à 10mm d’intervalle.

L’élément réchauffeur (1) et l’élément refroidisseur peuvent être assemblés directement pour

former une barre de bronze continue. Il est également possible de monter aux choix un des

trois éléments d’étude suivant entre ces deux éléments principaux.


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F. BOUGUERNE

Le premier élément (7) ayant une longueur de 30 mm, est fabriqué en bronze et possède le

même diamètre que les deux éléments principaux et est muni de sondes de températures (8)

disposées à 10 mm d’intervalle, le second élément (9) est également en bronze et a une

longueur de 30 mm mais son diamètre est de 13 mm et il ne possède pas de sondes de

température. Il permet l’étude de l’effet d’une réduction d’une section en transfert de chaleur,

le troisième élément (10) est en acier inoxydable et possède les mêmes dimensions que le

premier élément. Par contre il n’est pas muni de sonde de température. Il permet l’étude de

l’effet d’un changement de matériau alors que la section reste constante. Les propriétés de

conduction de chaleur des isolants peuvent être déterminées par simple insertion d’un mince

spécimen entre élément chaud et élément froid. L’exemple d’un tel isolant est un morceau de

papier. Les sondes de température peuvent être connectées à l'aide de fils électriques à la

lecture digitale de température. Un bouton sélecteur de température sur le panneau permet la

lecture de n’importe quelles températures.

Figure 2


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F. BOUGUERNE

Suite de la figure 2

Figure 3


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F. BOUGUERNE

I.2. Module radial:

Le module de conduction (figure 2, 4) radiale comprend un disque en bronze (17) de 110 mm de

diamètre et de 3 mm d'épaisseur, dont le centre est réchauffé par un réchauffeur électrique

(18) et dont la circonférence est refroidie par l'eau qui circule dans un tube de cuivre. Les

sondes de températures (20) sont montées à partir du centre du disque et sont disposées de

1Omm d'intervalle le long du rayon du disque, soit 6 au total. Ces sondes peuvent également

être connectées à la console pour lecture directe des températures.

Figure 4


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F. BOUGUERNE

II. MANIPULATIONS :

II.1. Conduction le long d'une barre simple

II.1.1. But :

Etude de la loi de Fourrier pour la conduction linéaire le long d'une barre simple.

II.1.2. Théorie : Soit un mur simple d'épaisseur x, limité par deux plans parallèles. Si les parois

de ce mur sont soumises à une différence de température T, alors le flux de chaleur Q qui

traverse la surface A par conduction pendant l'unité de temps est proportionnel à A et

T

X. Si

le matériau dont est fait le mur est homogène et a une conductivité, thermique k alors

TQ K A

X

II.1.3. Protocol expérimental:

1. Montage: Voir figure 3.

Placer l’échantillon entre le réchauffeur et le refroidisseur

N.B/ Au moment d'assembler l'élément échantillon, entre le réchauffeur et le refroidisseur, ii faudra s'assurer

qu'il a été bien placé (prendre soin de bien disposer les épaulements dans les logements en Nylon).

Choisir une position intermédiaire du réglage de la puissance de chauffe puis attendre 10

temps nécessaire pour obtenir les conditions d'état stationnaire avant de noter la température

aux 9 points considérés et la puissance délivré au wattmètre.


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F. BOUGUERNE

Répéter cette procédure pour d'autres puissances jusqu'à atteindre le maximum de

l'appareil.

A la suite de chaque variation de la puissance, s'assurer que les conditions d’état stationnaire ont été bien

atteintes.

Dresser le tableau suivant :

Température T(°C) T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9

Puissance Q(W)=20W 35 32.1 27.7 27.4 26.4 25.7 23.9 23.1 22.5

Puissance Q(W)=40W 42.4 39.8 33.9 33.7 29.9 29.1 25.7 24.4 23.4

Pour chaque valeur de la puissance, porter sur un même graphique le profil de la

température en fonction de la position des points de mesure. En déduire la valeur du

coefficient de conductivité thermique du bronze K.

Comparer la valeur obtenue avec la valeur typique donnée par la littérature? Faire les

commentaires nécessaires?

Le coefficient k est-il constant ou varie-t-il avec la température?

Commenter les résultats obtenus ?

Comment ce facteur influa t’il sur la forme du profit de la température ?

II.2. Conduction le long d'une barre composée

II.2.1. But:

Etude de la conduction de chaleur le long d'une barre composée et évaluation du coefficient de

transfert de chaleur global.

II.2.2. Protocol expérimental :

Placer l'élément en acier inoxydable entre le réchauffeur et le refroidisseur,

Choisir une position intermédiaire du réglage de la puissance de chauffe, après avoir obtenu

l'état stationnaire noter la température aux 6 points considérés ainsi que la puissance

délivrée.

Répéter cette procédure pour d'autres puissances jusqu’à atteindre le maximum de

l'appareil.


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F. BOUGUERNE

A la suite de chaque variation de la puissance s'assurer que les conditions d’états

stationnaires ont bien été atteintes.


Température T(°C) T1 T2 T3 T7 T8 T9

Puissance Q(W)=20W 40.00 37.4 32.3 22.6 22.1 21.8

Puissance Q(W)=40W 52.3 48 41.7 23.9 23.1 22.6

Pour chaque valeur de la puissance, porter sur un même graphique, le profil de température

en fonction de la position des points de mesure et des dimensions des éléments considérés.

Les températures des surfaces limitées extérieures du réchauffeur (Ths) et du refroidisseur

(Tcs) peuvent être obtenues par extrapolation à partir des courbes tracées.

Ceci permet la détermination de coefficient de transfert de chaleur global U par:

UQ

A T Ths cs

( )

Cette valeur obtenue expérimentalement est à comparer avec la valeur de U obtenue par le

calcul en utilisant l'équation suivante et en utilisant les valeurs des coefficients de conductivité

du bronze et de l'acier inoxydable donnés par la littérature :

1

U

X

K

X

K

X

Kh

h

S

s

c

c

(Equation à démontrer, voir le cours)

Comparer les deux valeurs de U et donnez vos commentaires ?

Quelle est la signification en pratique du coefficient U ?

Quel est l'effet de la variation de la puissance délivrée?

II.3. Conduction radiale

II.3.1. But :

Examiner le profil de température et déterminer le flux de transfert de chaleur résultant de la

conduction radiale en régime stationnaire à travers la paroi d'un cylindre.

II.3.2. Mode opératoire : On utilisera ici le module radial (figure 4)


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F. BOUGUERNE

Choisir une position intermédiaire du réglage de la puissance de chauffe, puis après avoir

obtenu l'état stationnaire, noter la température aux 6 points considérés ainsi que la puissance

délivrée.

Répéter cette procédure pour d'autres valeurs de la puissance jusqu'à atteindre le maximum

de l'appareil.

A la suite de chaque variation de la puissance, s'assurer que les conditions d'état

stationnaire ont bien été atteintes.


Température T(°C) T1 T2 T3 T4 T5 T6

Puissance Q(W)=20W 40.00 37.4 32.3 22.6 22.1 21.8

Puissance Q(W)=40W 52.3 48 41.7 23.9 23.1 22.6

Pour chaque valeur de la puissance, porter sur un même graphique, le profil de la

température en fonction de la position des points de mesure.

Déterminez par extrapolation les températures aux limites des parois du disque puis

calculez le flux radial de chaleur par conduction.

Comparez la valeur trouvée à celle fournie par le wattmètre. Commentez ?

Tracer le graphe des températures en fonction des positions des points considérés.

Commentez?


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F. BOUGUERNE

TP 2. APPAREIL DE TRANSFERT DE CHALEUR PAR CONVECTION LIBRE ET FORCEE

INTRODUCTION :

L'appareil permet l’étude des profils de température et des flux de chaleur dans une

conduite d'air où se trouvent disposés des modules interchangeables à surfaces chauffées de

dimensions connues en utilisant les instruments fournis, il est possible de déterminer les

coefficients de transfert de chaleur en convection libre et forcée pour une surface plane, une

surface à ailettes et une surface à cylindres.

DESCRIPTION DE L’APPAREIL : (figure 1)

L'appareil consiste en une conduite rectangulaire verticale supportée par un socle. Un

échangeur à surface plane (3), ailette ou cylindrique (5) peut être installé dans la conduite et

immobilisé par deux loquets (18) à ouvertures rapides disposés sur chaque côté, chaque

échangeur est muni d’un élément chauffant‚ électrique, La température à la base de chaque

échangeur peut être suivie à l'aide d'une sonde thermique reliée par un câble (7). L’échangeur

utilisé peut être observé à travers une vitre transparente en acrylique (14). Un ventilateur (21)

situé au sommet de la conduite fournit un flux d’air ascendant pour les expérimentations de

convection forcée. La vitesse de l’air dans la conduite, que ce soit pour le régime naturel ou

forcé, est indiquée par un anémomètre portatif (2) dont la sonde (16) peut être introduite à

travers la paroi. Une sonde de température permet la mesure des températures de l’air ainsi

que des températures de surface des échangeurs à ailettes et cylindriques par introduction de

cette sonde à travers des trous accessibles (20).


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F. BOUGUERNE

Une console électrique (8) munie d’un autre transformateur variable (10) alimente l’échangeur

utilisé. Le circuit de commande de puissance fournit une puissance électrique pouvant varier

de 0 à 100 W. Une alimentation variable en courant continue et en basse tension est fournie au

ventilateur à l’aide d’un câble (17), la console c prend également le réglage de la vitesse du

ventilateur ainsi que le réglage de la puissance de chauffe fournie. S’y trouvent également les

lectures digitales directes des températures et des puissances.

Figure 1


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F. BOUGUERNE

Figure 2

II. MANIPULATIONS

II.1. Convection naturelle :

II.1.1. Théorie : La surface chauffée dissipe la chaleur à partir d’un processus nommé

convection on néglige les effets de la conduction et de la radiation). L’air en contact avec la

surface chaude s’échauffe et s’élève à cause de la diminution de densité et sera remplacé par

de l’air frais. Ce processus est appelé convection libre. Plus la température de la surface est

élevée, plus le courant concessif est grand et plus la puissance sera dissipée.

II.1.2. But : Détermination du coefficient de transmission thermique par convection en

convection libre (naturelle à partir de la loi de Newton).


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F. BOUGUERNE

II.1.3. Mode opératoire :

Placer l’échangeur de chaleur à ailettes dans la conduite d’expérimentation

L =100 mm, P =8 mm, e =4 mm, h =68 mm

Noter la température de l’air ambiant (tA).

Régler la puissance de chauffe à 20 W.

Prendre suffisamment de temps pour réaliser les conditions d’état stationnaire avant de

noter la température de la plaque chauffée (tH).

Répéter la procédure pour 40, 60 watts.

Prendre les mesures toutes les 10 minutes.

Résultats : Température de l’air ambiant t A = 22.5°C

Puissance d’entrée (W) tH (°C) tH - tA (°C)

20 39.30

40 49.70

60 62.70

80 76.10

Tracer le graphe de la puissance en fonction de la température de la surface (tH - tA).

En déduire le coefficient de transmission thermique par convection?


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F. BOUGUERNE

II.2. Convection forcée.

II.2.1. Théorie: En convection libre la vitesse de transfert de chaleur à travers une surface

limitée par les faibles mouvements d’air générés par ce flux plus la chaleur peut être

transférée à travers la surface chauffée si on augmente la vitesse de l’air en circulation.

Ce processus est appelé : convection forcée. Ainsi la surface chauffée en expérimentation en

convection forcée aura une température plus basse que celle d’une même surface en

convection libre et pour la même puissance utilisée.

II.2.2. But : Détermination du coefficient de transmission thermique par convection en

convection forcée ainsi que démontrer l’influence des surfaces étendues sur ce même

coefficient (pour améliorer le transfert de chaleur à travers une surface).

II.2.3. Mode opératoire :

Placer l’échangeur à ailettes dans la conduite

Noter la température ambiante (tA).

Fixer la puissance à 60 W (pour que les résultats soient significatifs)

Accorder un temps suffisant afin d’avoir un régime stationnaire avant de noter la

température tH.

Fixer la vitesse du ventilateur à 0.5 m/s accorder un temps suffisant avant de noter la

température (tH).

Répéter l’expérience à 1 m/s et 1.5 m/s.

Dresser le tableau suivant pour chaque cas

Vitesse de l’air (m/s) tH (°c) tH - tA(°c)

0 74.30

0.5 67.40

1.0 60.00

1.5 51.50

Tracer le graphe de la vitesse d’air en fonction de la température de la surface?

En déduire le coefficient de transmission thermique par convection?

Comparer pour une même plaque le coefficient de transmission h obtenu en convection libre

et en convection forcée

Faire les commentaires nécessaires ? Conclusion ?


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F. BOUGUERNE

TP3. APPAREIL DE RADIATION THERMIQUE

I. DESCRIPTION DE L'APPAREIL:

L’appareil d'étude des radiations thermiques est constitue de différentes sources

d’énergie, de fibres, de dispositifs d'absorption et d'instruments de mesures, on monte ces

différents constituants sur un banc gradué‚ en fonction des expériences que l'on veut réaliser.

Le banc est constitué de deux rails parallèles et horizontaux maintenues dans un châssis

rigide.

Deux sources d’énergie peuvent être utilisées successivement :

* une source de chaleur constituée d'un dispositif de chauffage électrique monté dans un

corps noir.

* une source lumineuse comprenant une ampoule de 40 w disposée dans un carter que l'on

peut faire pivoter d'un angle connu.

Un verre dépoli est disposé devant l'ampoule.

La puissance fournie aux sources d’énergie est réglable et peut être contrôlée par un

régulateur à thyristors monté dans une console.

Les accessoires se montent sur le banc sont:

* 2 plaques métalliques noirs et 2 plaques métalliques grises chacune équipé d'un

thermocouple.

* 2 plaques métalliques recouvertes de liège permettant de réaliser une fente verticale de

largeur variable.


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F. BOUGUERNE

* 5 fibres en Plexiglas d'opacité différentes.

Chaque paire de thermocouples peut être reliée à un thermomètre à affichage digital monté

sur la console.

Un radiomètre est monté sur le banc, il fournit un signal électrique qui dépend du flux de

chaleur transmis par radiation.

On lit la valeur de ce signal sur un appareil de mesure à affichage digital sur la console. De

la même façon, un luxmètre permet d’effectuer les mesures de l'intensité‚ lumineuse reçue.

Figure 1

Figure 2


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F. BOUGUERNE

Figure 3

II MANIPULATION

II.1. Loi du carre inverse :

II.1.1. But: Montrer que l'intensité du rayonnement sur une surface est inversement

proportionnelle au carré de la distance entre la surface et la source de rayonnement.

II.1.2. Mode opératoire : (Montage voir figure 2)

Disposer le capteur du radiomètre face à la source de chaleur à une distance initiale, x = 100 mm.

Régler le bouton de puissance dans une position intermédiaire

Attendre un moment pour la stabilisation puis noter la valeur lue sur le radiomètre digital.

Modifier la position du capteur du radiomètre (3 autres positions: x=150, 200, 250mm) et

noter les valeurs des distances et des radiations R.

Noter ces valeurs sur un tableau puis calculer log x et log R


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F. BOUGUERNE

Tracer le graphique de log R en fonction de x ?

Quelle est la pente de la droite obtenue ?

Que signifie-t-elle ?

Commenter?

II.2. Loi de Stefan Boltzmann :

II.2.1. But : Montrer que l'intensité du rayonnement est proportionnelle à la quatrième

puissance de la température de la source.

II.2.2. Théorie sommaire:

La relation de Stefan Boltzmann s'écrit : q T TS A

.( )4 4

Ou q : énergie par unité de surface émise par le corps noir (en W.m ).

: constante de Stefan Boltzmann = 56,7.10-9 Wm-2 °K -.

TA : température ambiante (en °K).

TS : température de la surface (en °K).

II.2.3. Mode opératoire: (voir figure 3)

Positionner la plaque noire à 50 mm de la source de la chaleur et le capteur de radiomètre à

110 mm de cette source.

Effectuer le branchement de thermocouple de la plaque et du radiomètre sur la console

électrique.

Mesurer la température ambiante à l'aide du thermocouple.

x(mm)

R Logx logR

100 735

200 287

300 127

450 59

600 34

700 25

800 20


27


F. BOUGUERNE

Régler la puissance de chauffe sur la première graduation, puis après stabilisation noter la

température de la plaque et la valeur de l'énergie rayonnée.

Monter la puissance d'une graduation à chaque fois puis noter les valeurs de la température

et du rayonnement.

Dressez les tableaux de toutes les mesures effectuées

X=100 mm

Position de la

puissance

Température de la

plaque noir (°K)

Energie rayonnée

R

qexp qth

1 322 38

2 323 39

3 323 40

4 324 41

5 324 42

6 325 43

7 326 44

Répéter la même procédure pour deux autres positions de la plaque.

X=150 mm

Position de la

puissance

Température de la

plaque noir (°K)

Energie rayonnée

R

qexp qth

1 315 29

2 314 27

3 313 25

4 312 24

5 311 23

6 311 22

7 310 21


28


F. BOUGUERNE

X=350mm

Position de la

puissance

Température de la

plaque noir (°K)

Energie rayonnée

R

qexp qth

1 306 16

2 306 14

3 304 12

4 303 11

5 303 10

6 302 9

7 301 8

Prendre soin de garder constante, la distance entre la plaque et le radiomètre.

Calculez l’énergie rayonnée à l'aide de la formule de Boltzmann ?

Comparez les valeurs calculées aux valeurs expérimentales?

Conclusions?

Discutez l'influence du changement de position de la plaque?

Prendre les mesures toutes les dix minutes.

NOTE IMPORTANTE:

L'énergie émise par la surface est égale à 5.59 * R.

Le facteur R est la valeur lue sur le radiomètre.

L'ensemble est doté de l'unité W/m2.

II.3. Loi du cosinus de Lambert :

II.3.1. But: montrer que l’énergie rayonnée dans une direction faisant un angle avec une surface

est égale à l'énergie rayonnée perpendiculairement multipliée par le cosinus de l'angle entre

la direction du rayonnement et la normale à la surface.

II.3.2. Mode opératoire : Montage (voir figure 4)

On fait tourner la source de lumière d'un angle désiré et on la fixe avant de prendre les

mesures.


29


F. BOUGUERNE

Figure 4

Disposer le luxmètre à une distance X = 100 mm de la source de lumière.

Faire varier la position de la source de lumière de 10° à chaque fois entre les brins de plus ou

moins de 90 de chaque côté‚ de l'axe du banc.

Noter chaque fois la valeur lue sur le luxmètre?

Intensité lumineuse (lux)

(gauche)

Angle d’incidence ɵ dans

le luxmètre rapporté à

l’axe lumineuse

Intensité lumineuse (lux)

(droite)

500 0 500

450 10 450

400 20 400

300 30 300

288 40 280

255 50 250

220 60 200

110 70 100

85 80 80

60 90 0

Tracer le graphe de la luminance en fonction des angles choisis?

Commenter la forme de la courbe obtenue?

Tracer sur le même graphe à l'aide d'une autre couleur la courbe donnant la luminance

calculée en fonction des angles?

Comparaison des deux courbes et commentaire?


30

ANNEXE

Programme détaillé de la matière

Transfert thermique

Cours et TP


31

P a g e | 128

Intitulé de la Licence : Construction mécanique Année: 2018-2019

CP

ND

ST

Un

ive

rsit

é

Semestre : 6 Unité d’enseignement : UEF 3.2.2

Matière :Transfert thermique

VHS: 45h00 (cours:01h30, TD: 01h30 )

Crédits : 4

Coefficient : 2

Objectifs de l’enseignement: Evaluer les flux conduits, convectés ou rayonnés dans différentes situations. Etre capable de modéliser un problème thermique et de le résoudre dans des cas stationnaires et géométries simples. Etre capable de faire le bon choix des matériaux pour toute application thermique.

Connaissances préalables recommandées:

Thermodynamique et mathématiques de L1 et L2.

Contenu de la matière :

Chapitre 1. Conduction de la chaleur (5 semaines)

• Introduction des transferts thermiques et position vis-à-vis de la thermodynamique. • Lois de base des transferts de chaleur. • Loi de Fourier. • Conductivité thermique et ordres de grandeur pour les matériaux usuels. Discussion

des paramètres dont dépend la conductivité thermique. • Equation de l’énergie, les hypothèses simplificatrices, et les différentes formes. Les

conditions aux limites spatiales et initiales. Les quatre conditions linéaires et leur signification pratique. Dans quelles conditions peut-on les réaliser ?

• Quelques solutions de l’équation de la chaleur, en coordonnées cartésiennes, cylindriques et sphériques avec les conditions linéaires et en régime stationnaire.

• Conduction stationnaire avec sources de chaleur. • L’analogie électrique. Les résistances en série et les résistances en parallèle Mur

composites et cylindres concentriques). • Les ailettes : Les différents types d’ailette, intérêt pratique des ailettes. Equation de

l’ailette rectangulaire longitudinale. Résolution pour les quatre conditions aux limites classiques. Calcul du flux perdu, calcul du rendement et de l’efficacité de l’ailette. Epaisseur optimale des ailettes rectangulaires longitudinales.

Chapitre 2. Transfert de chaleur par convection (4 semaines)

• Mécanismes des transferts de chaleur par convection. Paramètres intervenant dans les transferts convectifs.

• Mise en évidence des différents types de transfert par convection : Convection forcée, naturelle et mixte. Citer des exemples courants. Discerner entre transfert convectif laminaire et turbulent dans les deux modes forcé et naturelle.

• Méthodes de résolution d’un problème de convection (Analyse dimensionnelle et expériences, méthodes intégrales pour les équations approchées de couche limite, résolution des équations représentant la convection et analogie avec des phénomènes similaire comme les transferts de masse), citation seulement.


32

P a g e | 129


CP

ND

ST

Un

ive

rsit

é

• Analyse dimensionnelle alliée aux expériences : Théorème Pi, faire apparaître les nombres sans dimensions les plus utilisés en convection (Reynolds, Prandtl, Grashoff, Rayleigh, Peclet et Nusselt) forcée et naturelle. Expliquer la signification de ces nombres. Expliquer l’utilisation des corrélations les plus courantes sur des exemples concrets.

Chapitre 3. Transfert de chaleur par rayonnement (5 semaines)

• Introduction : Notions d’angle solides. • Mécanisme du transfert radiatif de surface et de volume. • Définitions et lois générales (Luminance, éclairement, intensité, émittance..) • Formule de Bouguer, loi de Kirchhoff et loi de Draper • Le corps noir (CN). La loi de Planck. Flux émis par le CN dans une bande spectrale. La

loi de Stefan-Boltzmann. • Propriétés radiatives globales des surfaces grises et relations entre elles. • Echanges radiatifs entre deux plans parallèles infiniment étendus séparées par un

milieu transparent. Notions d’écran. • Echange radiatif entre deux surfaces concaves noires. Notions de facteurs de forme.

Relations de réciprocités. Règle de sommation. Règle de superposition. Règle de symétrie. Facteurs de forme entre surfaces infiniment longues. La méthode des cordes croisées.

• Flux perdu par une surface concave. • Echanges radiatifs entre n surfaces quelconques formant une enceinte. Règles de

l’enceinte pour les facteurs de forme. Méthode des éclairements-radiosité pour évaluer les flux échangés.

• Analogie électrique en transfert radiatif. Mode d’évaluation : Contrôle continu : 40% ; Examen : 60%.

Références bibliographiques:

1. Jean-Luc Battaglia, Andrzej Kusiak, Jean-Rodolphe Puiggali, Introduction aux transferts thermiques, cours et solutions, Dunod éditeur, Paris 2010.

2. J. F. Sacadura coordonnateur, Transfert thermiques : Initiation et approfondissement, Lavoisier 2015.

3. A-M. Bianchi , Y. Fautrelle , J. Etay, Transferts thermiques, Presses Polytechniques et Universitaires Romandes 2004

4. Kreith, F.; Boehm, R.F.; et. al., Heat and Mass Transfer, Mechanical Engineering Handbook Ed. Frank Kreith, CRC Press LLC, 1999.

5. Bejan and A. Kraus, Heat Handbook Handbook, J. Wiley and sons 2003. 6. Y. A. Cengel, Heat transfer, a practical approach, Mc Graw Hill, 2002 7. Y. A. Cengel, Heat and Mass Transfer, Mc Graw Hill 8. H. D. Baehr and K. Stephan, Heat and Mass transfer, 2nd revised edition, Springer

Verlag editor, 2006. 9. F. P. Incropera and D. P. Dewitt, Fundamentals of Heat and Mass transfer, 6th edition,

Wiley editor. 10. J. P. Holman, Heat Transfer, 6th edition, Mc Graw Hill editor, 1986. 11. J. H. lienhard IV and J. H. Lienhard V, Heat Transfer Textbook, 3rd edition, Phlogiston

Press, 2004 12. Chris Long and NaserSayma, Heat Transfer,Ventus Publishing APS, 2009

13. Hans Dieter Baehr, Karl Stephan, Heat and Mass Transfer, Springer editor, 2006


33

P a g e | 136


CP

ND

ST

Un

ive

rsit

é

Semestre : 6 Unité d’enseignement : UEM 3.2

Matière :TP Transferts Thermiques

VHS: 15h00 (TP: 01h00 )

Crédits : 1

Coefficient : 1

Objectifs de l’enseignement:

Fixer les acquis en conduction et convection.

Connaissances préalables recommandées:

Contenu de la matière :

Prévoir quelques expériences en relation avec le Transfert de chaleur selon les moyens

disponibles.

Mode d’évaluation :Contrôle continu : 100 % .

Références bibliographiques:


34

dbata

Surligné

dbata

Surligné

Documents

TRAVAUX PRATIQUES Transfert thermique L3 CM