Telechargé par khala.mohamed

TP-thérmique

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Faculté des Sciences et Techniques Er-rachidia
Master technologie solaire et développement durable
Année universitaire 2019/2020
SOMMAIRE
INTRODUCTION : .............................................................................................................................................. 3
T.P. 1 : CONDUCTION THERMIQUE LINEAIRE EN REGIME STATIONNAIRE ......................................................... 4
I.
II.
III.
IV.
BUT : ..................................................................................................................................................... 4
PARTIE THEORIQUE :.................................................................................................................................. 4
ETUDE PRATIQUE : ............................................................................................................................... 5
MANIPULATION : ...................................................................................................................................... 6
IV.1. Verification de l’équation de la chaleur ........................................................................................ 6
IV.2. Déduction de conductivité thermique de laiton Cherchons la conductivité thermique λaiton............ 8
T.P. 2 : TRANSFERTS DE CHALEUR COMBINES : CONVECTION ET RAYONNEMENT ........................................... 9
I.
II.
BUT : ..................................................................................................................................................... 9
PARTIE THEORIQUE .................................................................................................................................... 9
II.1.
Transfert de chaleur par convection :............................................................................................ 9
II.2.
.Transfert de la chaleur par rayonnement : ................................................................................. 11
III. PARTIE PRATIQUE : ............................................................................................................................. 11
IV. MANIPULATION : .................................................................................................................................... 12
IV.1. Etude en convection naturelle :................................................................................................... 12
IV.2. Etude en convection forcée :....................................................................................................... 13
TP3 : LA MAISON THERMIQUE........................................................................................................................ 15
I.
INTRODUCTION....................................................................................................................................... 15
II. BUT : .................................................................................................................................................. 15
III. PARTIE THEORIQUE : .......................................................................................................................... 15
IV.
PARTIE PRATIQUE : ........................................................................................................................ 16
IV.1. Le dispositif de travail :............................................................................................................... 16
IV.2. Conclusion :................................................................................................................................ 19
Liste des tables et figures
MESURES DES THI DE 1A 8
SANS TH4ET TH5 EN FONCTION DES DEFERENTS TENSIONS ........................................................ 7
LES COURBES DE DISTRIBUTION DE TEMPERATURE SANS SECTION INTERMEDIAIRE ........................................ 7
MESURES DES THI DE 1A 8
AVEC
TH4ET TH5 EN FONCTION DES DEFERENTS TENSIONS ....................................................... 7
LES COURBES DE DISTRIBUTION DE TEMPERATURE AVEC SECTION INTERMEDIAIRE : ...................................... 8
COEFFICIENT D'ECHANGE DE CHALEUR PAR CONVECTION ............................................................................... 9
LES COEFFICIENTS C1 ET C2 ET LES EXPOSANTS N ET M SONT : ...................................................................................... 10
VARIATION DES FLUX EN FONCTION DE Q ...................................................................................................... 13
T EN FCT DE VITESSE ....................................................................................................................................... 13
VARIATION DES FLUX EN FONCTION DE UA.................................................................................................... 14
LES COURBES DE TEMPERATURES : ................................................................................................................ 18
2
INTRODUCTION :
L’énergie correspond à un transfert ou échange par interaction d’un système Avec
Son environnement. Ce système subit alors une transformation. On distingue
habituellement deux
types d’énergie :
 le travail noté W qui peutprendre diverses formes selon l’origine physique du
transfert en jeu (électrique, magnétique, mécanique…..)
 la chaleur notée Q. On distingue entre troismodes de transfert de chaleur :
 La conduction :
transport d’énergie dans la matière sans de déplacement de matière transport par les
électrons (conducteur) ou les phonons (isolant)

nécessite un milieu solide de transmission

transmission faible dans les gaz
 La convection :
transport d’énergie dans la matière avec déplacement de matière transport par
écoulement de fluide (liquides, gaz) / différence de masse volumique.

nécessite un milieu fluide de transmission
 Le rayonnement :
Transport d’énergie sous forme d’ondes électromagnétiques, pas de
déplacement de matière pas de contact entre les objets ou milieux qui échangent l’énergie
pas de milieu de transmission nécessaire (dans le vide, ça marche aussi !)
3
T.P. 1 : Conduction thermique linéaire en régime
stationnaire
I. But :
Objectifs de cette manipulation est :
 Détermination de la distribution des températures au sien de la
barre métallique
 Vérification de la loi de Fourier
 Détermination de la conductivité thermique de laiton
II.
Partie théorique :
 La loi de Fourier :
Dans
cette
barre
métallique
chauffée en son extrémité A, on observe
un gradient longitudinal de température
T(x): T(A) > T(B)
Cette
différence
du
potentiel
température T(A) - T(B) provoque un flux
de chaleur ᶲ :
ᶲ=
grad(T)
 Equation de la chaleur :
Pour Un solide homogène, de conductivité thermique λ constante, sans
sources de chaleur, l’équation de propagation de la chaleur s’exprime par :
4
𝝆𝒄
𝝏𝑻
= 𝝀∆𝑻
𝝏𝒕
Cas d’une transmission de chaleur unidimensionnelle dans le cas d’une
transmission de chaleur unidimensionnelle
Par rapport à l’axe des x :
Ou 𝜶 est ladiffusivité thermique et l la longueur de la barre.
Dans le cas du régime permanent,la relation précédant se réduit à
𝛛𝟐 𝐓
=𝟎
𝛛𝐱𝟐
Par la suite T=ax+b avec a et b sont des constantes à déterminer à partir
des conditions aux limites.
III.
ETUDE PRATIQUE :
Une
maquette
est
HT10X
une
barre
métallique
en
laiton de longueur
l=25cm de diamètre d=25cm, verticale et thermiquement isolée constitue de
deux parties, supérieur est chaud et inférieur est froid.
5
L’appareil HT10X est une unité de service, qui peut être reliée à plusieurs
maquettes
(conduction
linéaire,
conduction
radiale,
couplage
convection-
rayonnement, rayonnement pur,…), utilisées dans l’étude des différents modes de
transferts thermiques.les Le panneau frontal contient essentiellement les fonctions
suivantes :
1 : permet d’allumer ou éteindre
l’unité.
Switchs 6/13 :permettent de choisir la
grandeur physique à afficher.
2 :utilisation manuelle ou contrôle
de l’appareil à partir d’une
périphérie extérieure via l’entrée
sortie(15).
15 :est une porte entrée/sortie qui peut être
reliée à un micro-ordinateur.
3:atténuer ou amplifier la tension V,
le courant I, la densité du flux
radiatif R, la luminescence L, la
vitesse de l’air Ua et le débit de
l’eau FW.
7 :permet de mesurer la radiation thermique.
5/14 : permettent d’afficher les
grandeurs citées ainsi que les
températures T1 jusqu’à T12.
8 :est un potentiomètre zéro à la gauche de
la douille de radiomètre.
9 :pour mesurer la luminescence.
10 :pour mesurer le débit de l’eau utilisée
pour le refroidissement du matériau
conductif.
11 :mesure le débit volumique.
IV. Manipulation :
IV.1.
Verification de l’équation de la chaleur
Tout d’abord en doit relier le tuyau du système de refroidissement de la
partie froide au robinet de la salle de TPEn suite, un débit d’eau sera réglé et
maintenu pendant toute la séance de TP.Pour trois tension (U=9v, 12v,15v), en
6
mesure les températures en régime permanent à l’aide des thermocouples Thi
(i=1 à 6 ou à 8), sans et avec la section intermédiaire de laiton.
 Remplissage des tableaux
Mesures des Thi de 1à 8 sans Th4et Th5 en fonction des déférents tensions
Sans section
U=9VI=1,3A U=12VI=1,66A U=15I=1,11A
intérmédaire
Th1
Th2
Th3
Th6
Th7
Th8
56,5
51,9
47,9
31,2
28 ,0
24,8
62,5 81 ,8
58,2
53,6
35,4
31,3
27,2
76,3
69,2
46,2
39,5
33,1
Les courbes de distribution de température sans section intermédiaire
evolution des thermocouples en fonction des positions
sans section intermédaire
*
thermocouples
100
80
60
u=9
40
u=12
20
u=15
0
0
20
40
60
80
100
position
Mesures des Thi de 1à 8 avec Th4et Th5 en fonction des déférents tensions
Avec section intérmedaire U=9VI=1,26A U=12VI=1,67A
Th1
Th2
Th3
Th4
Th5
Th6
Th7
Th8
7
63,8
60,9
57,6
39,9
37,2
29,2
29,5
23,7
68,3
64,6
60,8
40
38
29,5
26,6
23,8
U=15VI=2
,16A
103,8
97,3
90,5
61,6
56,2
40,4
35
29,2
Les courbes de distribution de température avec section intermédiaire :
evolotion des temperatures en fonction des position avec section
intérmedaire
thermocouple
120
100
80
60
u=9
40
U=12
20
U=15
0
0
20
40
60
80
100
120
position
IV.2.
Déduction de conductivité thermique
laiton Cherchons la conductivité thermique λaiton
𝛌
P=ᴓ avec ᴓ=- ∆T et P=U*I
On la relation
Donc
𝒍
-
𝛌
𝐥
∆T=U*I
d’où
U∗I∗L
λ=-
Pour U=9v on a
∆T
λlaiton=16,56*10^-3W.M-1.K-1
Pour U=12v on a λlaiton=19,9*10^-3W.M-1.K-1
Pour U=15v on a λlaiton=12,89*10^-3W.M-1.K-
8
de
T.P. 2 : Transferts de chaleur combinés :
convection et rayonnement
I.
But :
L’objectif de cette manipulation :
 Déterminer l’influence du mode de transfert de chaleur par
convection (naturelle) sur le flux de chaleur
combiné
(ᴓrad+ᴓconv) dans un tube cylindrique vertical
 mesure des coefficients de transfert de chaleur convectif
(hconv)et radiatif(hrad)
II. partie théorique
II.1. Transfert de chaleur par convection :
C'est le transfert de chaleur par des courants de fluides, liquides ou
gazeux. Ce phénomène peut se développer naturellement, les différences de
potentiel motrice étant différences d’intensité: c'est la convection naturelle.
On peut aussi le générer mécaniquement à l'aide de pompes ou de
ventilateurs : c’est la convection forcée.
Coefficient d'échange de chaleur par convection
9
hSTpT
La loi de Newton
ᴓ : Flux de chaleur transmis par convection [W]
h : coefficient de transfert [W.m-2K-1]
TP : température de la surface d'échange [K, °C]
T : température du fluide loi de la surface d'échange [K, °C]
S : aire de la surface d'échange solide/fluide [m2]


Nu=C(GrPr) (convection libre)
Nu=C2 (Re)m (Pr)1/ 3 (convection
forcée)

Nu=
ℎ𝑐𝑜𝑛𝑣 𝐷

𝛽𝑔∆𝑇𝜌2𝐷

Gr=

Pr=

Re=
𝜇2
𝐶𝑝 𝜇

𝜌𝑈𝑎 𝐷
𝜇
Nombre de Nusselt
3
Nombre de Grashof
Nombre de Prandtl
Nombre de Reynolds
Avec :
𝜇 : viscosité dynamique du fluide, (Pa.s)
Cp : Chaleur spécifique à pression constante, (J.kg1
.℃−1 )
∆𝜌 ∶ 𝜌𝑎 − 𝜌𝑠 : Variation de la masse volumique, (Kg.m3
)
𝜌𝑎 : Vasse volumique de fluide a la température
ambiante, (Kg.m-3)
𝜌𝑠 : Vasse volumique de fluide a la température
surfacique, (Kg.m-3)
1 ∆𝜌
𝛽=𝜌
𝑎
∆𝑇
: Coefficient de la dilatation du fluide, (C-1)
g : accélération de la gravité, (m.s-2)
Ua : vitesse du fluide, (m.s-1)
D : diamètre du tube chauffe, (m)
Les coefficients C1 et C2 et les exposants n et m sont :
Cas de la convection naturelleNu=C1(GrPr)n
GrPr
C1
N
10^-10-10^-2
0.675
0.058
10^-2-10^2
1.02
148
10^2-10^4
0.850
0.188
10^4-10^7
0.480
0.25
10^7-10^12
0.125
0.33
10
II.2. .Transfert de la chaleur par rayonnement :
Cette forme de transfert d'énergie n'a besoin d'aucun milieu de
transport. Ce transfert a également lieu dans le vide. La différence de potentiel
motrice est la différence entre les puissances quatrièmes des températures de
la source et du récepteur
𝑺(𝑻𝒔 − 𝑻𝒂 ) = 𝝈𝜺𝒔 𝑺(𝑻𝒔 − 𝑻𝒂 )
𝑻𝟒𝒔 −𝑻𝟒𝒂
D’où :𝒉𝒓𝒂𝒅 = 𝝈𝜺𝒔
𝑻𝒔 −𝑻𝒂
𝜑𝑟𝑎𝑑 :Le flux de chaleur transmise par
rayonnement (W)𝜎 : Constante de Boltzmann 𝜎 =
5,67 ∗ 10−8 (W.m-2.K-4)
𝜀𝑠 : Facteur d’émission de la surface.
III.
PARTIE PRATIQUE :
Le dispositif expérimentale est constitué de : d’un tube cylindrique
verticale du diamètre intérieur 70mm. Et d’une pièce métallique, cylindrique
et horizontale du diamètre extérieur D=10mm. et d’un ventilateur centrifuge.
11
Manipulation :
IV.
On veut déterminer les nombres adimensionnels, et les propriétés
thermophysiques (, 𝜇, 𝜌, 𝑐𝑝 ) sont calculées à une température moyenne 𝑇𝑚 =
𝑇𝑠 −𝑇𝑎
2
.
IV.1.
Etude en convection naturelle :
Dans ce mode de transfert, le module de commande de puissance du
ventilateur est éteint, une fois le régime permanent est atteint, effectuant les
mesures suivants :
V
(V)
I
(A)
0,54
1,09
1,62
2,15
2,6
3,51
3
6
9
12
15
20
Q=VI
(W)
1,62
6,54
14,58
25,8
39
70,2
Ts
(℃)
57
132
214
332
417
550
∆𝑻 = 𝑻𝒔 − 𝑻𝒂
(℃)
37,7
112,2
193,9
311,3
395,8
527,9
Ta
(℃)
19,3
19,8
20,1
20,7
21,2
22,1
Tm
(℃)
38,15
75,9
117 ,05
26,95
219,1
286,05
En se basant sur tableau au dessus, et en effectuant des calculs
intermédiaires nécessaires (nombre de Prandtl, nombre de grashof et les
propriétés thermophysique nécessaires), on trouve les résultats :
V
12
C1
n
Nu
hconv
fu cnv
3
0.675
0.058
0.457
0.172
h
flu rad
F total
radiatif
0.014
0.016
0.001
0.016
6
0.675
0.058
0.455
0.195
0.048
0.153
0.038
0.086
9
0.675
0.058
0.451
0.218
0.093
0.613
0.262
0.355
12
0.675
0.058
0.451
0.240
0.164
2.213
1.515
1.680
15
0.675
0.058
0.438
0.255
0.222
4.332
3.772
3.994
20
0.675
0.058
0.438
0.294
0.341
9.828
11.414
11.756
Les courbes */
Variation des flux en fonction de Q
flux en fct de puissance
14.000
12.000
10.000
8.000
6.000
4.000
2.000
0.000
0
10
20
30
40
h radiatif
50
flu rad
60
70
80
F total
 Comparaison des flux et la puissance
Le graphe de flux radiatif augmente au même temps le flux convectif
presque nul.
IV.2. Etude en convection forcée :
Le module de commande de puissance du ventilateur est mis en marche
et la tension est fixée a V=12v on fait varier Ua de 0 à 6m/s et on prélève les
températures surfaciques et ambiantes une fois le régime permanant et attient
, effectuant les mesures suivants .
T en fct de Vitesse
Ua
13
Ts
Ta
T en fct de Vitesse
0
330
23.9
400
1
256
25.6
300
2.5
200
24.7
3
190
24.5
5
150
23.9
6
139
24
200
100
0
0
2
4
Ts
6
Ta
8
En se basant sur tableau au dessus, et en effectuant des calculs intermédiaires
nécessaires (nombre de Prandtl, nombre de grashof et les propriétés
thermophysique nécessaires), on trouve les résultats :
C2
m
Nu
hconv
fu cnv
h radiatif
delta t4
flu rad
F total
0.989
0.330
0.000
0.000
0.000
2.197
118.589
1.479
1.479
0
0.911
0.385
1.707
0.337
0.171
1.057
42.945
0.536
0.706
1
0.911
0.385
2.162
0.289
0.111
0.517
15.996
0.200
0.311
2.5
0.911
0.385
2.320
0.309
0.113
0.446
13.028
0.163
0.275
3
0.911
0.385
2.926
0.390
0.108
0.227
5.059
0.063
0.171
5
0.911
0.385
3.139
0.419
0.106
0.184
3.730
0.047
0.152
6
5
6
7
Variation des flux en fonction de Ua
les flux en fct de Ua
2.000
1.500
1.000
0.500
0.000
0
1
2
3
fu cnv
14
Ua
4
flu rad
F total
TP3 : LA MAISON THERMIQUE
I. Introduction
L’objectif de la maison thermique est de déterminer la conductivité
thermique des matériaux solides et le coefficient d’échange avec l’air ambiant.
Ainsi, les échantillons de différents matériaux peuvent être fixés sur les parois
latérales remplaçables de la maison, et un flux thermique est assuré à l’aide
d’une lampe incandescente placée à l’intérieur de celle-ci.
La conductivité thermique et le coefficient d’échange sont déterminés
en mesurant les différentes températures de surfaces et d’ambiances et la
quantité de chaleur traversant l’échantillon en régime permanent.
II. BUT :
 Mesure et interprétation des températures des parois pendant la phase de
mise en température.
 Détermination des conductibilités thermiques de Tronc, Pétrone et Grappe
rassembler par le carton.
 Détermination du coefficient global des transferts thermiques dans le cas
d’un mur multicouches
III.
PARTIE THEORIQUE :
En régime permanent, la densité du flux de chaleur 𝜑 à travers une
paroi plane et homogène est déterminée par le transfert de chaleur de l’air
vers la paroi et par la conduction de la chaleur dans la paroi elle-même. Cette
densité est fonction des différences de température respective.
Chaque couche est caractérisée par :
15



Son épaisseur ei.
Sa conductivité 𝜆i.
Les températures Ti et Ti+1 de ses 2 faces.
Ainsi nous avons :
𝝋 = 𝒉𝒊𝒏𝒕 (𝑻𝒍𝒐𝒄𝒂𝒍 − 𝑻𝒊𝒏𝒕 ) = 𝝀𝒊
𝑻𝒊𝒏𝒕 𝒊 − 𝑻𝒆𝒙𝒕 𝒊
= 𝒉𝒆𝒙𝒕 (𝑻𝒆𝒙𝒕 𝒊 − 𝑻𝒂𝒎𝒃 )
𝒆𝒊
Avec :
ℎ𝑖𝑛𝑡 : le coefficient de transfert thermique intérieur.
ℎ𝑒𝑥𝑡 : le coefficient de transfert thermique extérieur.
𝑇𝑙𝑜𝑐𝑎𝑙 : la température de l’air à l’intérieur de la maison thermique.
𝑇𝑖𝑛𝑡 𝑖 : la température sur la paroi intérieure.
𝑇𝑒𝑥𝑡 𝑖 : la température à la paroi extérieure.
𝑇𝑎𝑚𝑏 :la température de l’air à l’extérieur de la maison thermique.
IV.
PARTIE PRATIQUE :
IV.1.
Le dispositif de travail :
C’est une sorte de maquette de forme cubique, avec quatre parois
latérales Remplaçables, un sol bien isolé avec une couche de polystyrène de 5
cm, ainsi que le toit, qu’on peut relever et poser facilement à chaque fois qu’on
fixe un échantillon sur une paroi latérale, et qui est sécurisé avec des vis
d’assemblage. Le reste de la surface latérale est aussi bien isolé qu’on peut le
supposer adiabatique.
16
1. On mettre les échantillons à étudier dans leurs emplacements.
Demander l’aide du professeur
2. Coller les têtes de deux thermocouples sur la face interne
(température Ti) et externe (température Te) de chaque
échantillon. Poser deux autres respectivement dans l’ambiance
intérieure (température Tai) et extérieure (température Tae) de
la maison.
NB :
o Comme
les
températures
interviennent
directement
sur
l’évaluation des caractéristiques thermiques, il faut veuillez à ce
que les thermocouples soient étalonnés.
o Veuillez manipuler les tètes des thermocouples avec prudence (ils
sont faciles à se casser).
o on mettre le toit de la maison en serrant les quatre vices des
quatre coins.
o on allume le régulateur de température, l’ampoule intérieure
s’allume et le chauffage commence.
o on relève à chaque 5 minutes les températures Ti et Te
enregistrées sur les thermocouples jusqu’à atteindre le régime
permanant,
c'est-à-dire
quand
les
températures
restent
constantes pendant plus d’une quelque 15 min. Une température
est dite constante si l’erreur absolue sur sa valeur ne dépasse pas
0.1°C.
Échantillons :
 50% tronc et 50% carton
 40% Pétrone et 60% carton
 60% grappe et 40% carton
Données :
17
S=0 ,06 𝑚2
e=0,03 m
ℎ𝑖𝑛𝑡 =8 ,1 w /𝑚2 𝐾
 Tableaux des mesures
Ech1
Text
Temps
5
10
15
20
25
30
35
40
Ech2
Text
Tint
25.2
24.9
25.3
25.9
28.8
27.5
27.7
27.6
35.8
42.3
47.4
51
50.5
51.7
51.7
51.2
Ech3
Text
Tint
25.1
25.5
26.6
27.8
28.1
28.8
29
29.2
35.8
42.8
48.5
52.4
52
52.8
52.8
52.2
Tint
24.9
25.5
26.4
27.6
28.5
28.6
29.1
29.3
T local
35.8
42.5
47.9
51.9
51.5
52.6
52.8
52.1
42.5
53.9
59.4
63.3
56.6
61.3
60.4
58.4
Les courbes de températures :
Ech1
Ech2
60
60
40
40
20
20
0
0
0
0
10
20
Text
30Tint
40
10
50
30
Text
Ech3
40
50
Tint
T local
70
60
50
60
40
50
30
40
20
30
10
20
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 On remarque que la température de la maison thermique diminue de l’intérieur vers
l’extérieur
 le temps ou le régime est permanent est d’ après 30min
*justification :car la température reste presque constant après 30 min
 détermination de conductivité thermique :
On a la conservation de flux
ᴓconv =ᴓcond
ℎ𝑖𝑛 𝑆(𝑇𝑙𝑜𝑐 − 𝑇𝑖𝑛𝑡𝑒𝑐ℎ ) =
𝑆
𝜆(𝑇𝑖𝑛𝑡𝑒𝑐ℎ − 𝑇𝑒𝑥𝑡 )
𝑒
Ech1 : 𝜆1 = 0,088 𝜔/𝑚. 𝑘
Ech2 :𝜆2 = 0,07759 𝜔/𝑚. 𝑘
Ech3 :𝜆3 = 0,07792 𝜔/𝑚. 𝑘
IV.2. Conclusion :
L’échantillon 2 a la conductivité la plus basse donc le meilleur isolant est
ce qui contient 40% Pétrone et 60% carton.
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