TRAVAUX PRATIQUES Transfert thermique L3 CM
Transcript of 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
L3 - CM - TP. Transfert
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.
L3 - CM - TP. Transfert
2
L3 – CM TP. Transfert de chaleur
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.
L3 - CM - TP. Transfert
3
L3 – CM TP. Transfert de chaleur
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.
L3 - CM - TP. Transfert
4
L3 – CM TP. Transfert de chaleur
F. BOUGUERNE
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).
L3 - CM - TP. Transfert
5
L3 – CM TP. Transfert de chaleur
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.
L3 - CM - TP. Transfert
6
L3 – CM TP. Transfert de chaleur
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 !
L3 - CM - TP. Transfert
7
L3 – CM TP. Transfert de chaleur
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…
L3 - CM - TP. Transfert
8
L3 – CM TP. Transfert de chaleur
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.
L3 - CM - TP. Transfert
9
L3 – CM TP. Transfert de chaleur
F. BOUGUERNE
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.
L3 - CM - TP. Transfert
10
L3 – CM TP. Transfert de chaleur
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.
L3 - CM - TP. Transfert
11
L3 – CM TP. Transfert de chaleur
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
L3 - CM - TP. Transfert
12
L3 – CM TP. Transfert de chaleur
F. BOUGUERNE
Suite de la figure 2
Figure 3
L3 - CM - TP. Transfert
13
L3 – CM TP. Transfert de chaleur
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
L3 - CM - TP. Transfert
14
L3 – CM TP. Transfert de chaleur
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.
L3 - CM - TP. Transfert
15
L3 – CM TP. Transfert de chaleur
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.
L3 - CM - TP. Transfert
16
L3 – CM TP. Transfert de chaleur
F. BOUGUERNE
A la suite de chaque variation de la puissance s'assurer que les conditions d’états
stationnaires ont bien été atteintes.
Dresser le tableau suivant :
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)
L3 - CM - TP. Transfert
17
L3 – CM TP. Transfert de chaleur
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.
Dresser le tableau suivant :
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?
L3 - CM - TP. Transfert
18
L3 – CM TP. Transfert de chaleur
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).
L3 - CM - TP. Transfert
19
L3 – CM TP. Transfert de chaleur
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
L3 - CM - TP. Transfert
20
L3 – CM TP. Transfert de chaleur
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).
L3 - CM - TP. Transfert
21
L3 – CM TP. Transfert de chaleur
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?
L3 - CM - TP. Transfert
22
L3 – CM TP. Transfert de chaleur
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 ?
L3 - CM - TP. Transfert
23
L3 – CM TP. Transfert de chaleur
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.
L3 - CM - TP. Transfert
24
L3 – CM TP. Transfert de chaleur
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
L3 - CM - TP. Transfert
25
L3 – CM TP. Transfert de chaleur
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
L3 - CM - TP. Transfert
26
L3 – CM TP. Transfert de chaleur
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
L3 - CM - TP. Transfert
27
L3 – CM TP. Transfert de chaleur
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
L3 - CM - TP. Transfert
28
L3 – CM TP. Transfert de chaleur
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.
L3 - CM - TP. Transfert
29
L3 – CM TP. Transfert de chaleur
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?
L3 - CM - TP. Transfert
30
ANNEXE
Programme détaillé de la matière
Transfert thermique
Cours et TP
L3 - CM - TP. Transfert
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.
L3 - CM - TP. Transfert
32
P a g e | 129
Intitulé de la Licence : Construction mécanique Année: 2018-2019
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
L3 - CM - TP. Transfert
33
P a g e | 136
Intitulé de la Licence : Construction mécanique Année: 2018-2019
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:
L3 - CM - TP. Transfert
34