L’émissivité et sa mesure - Themacs...
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Exemples d’échanges radiatifs:
Equilibre thermique d’un revêtement
soumis au rayonnement solaire
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THEMACS Ingénierie 23 rue Alfred Nobel 77420 Champs-sur-Marne Tél : 06.29.82.44.34
[email protected] www.themacs.fr
- L’émissivité et sa mesure
- L’albédo et sa mesure
- Bilan thermique d’un revêtement
soumis au flux solaire
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L’émissivité : présentation et définition
Loi de Stefan-Boltzmann
Max : 3000/T (µm)
λ (µm)
(MW.m-3)
Loi de Planck
Rayonnement du corps noir
5 10 15 20 25 30 35
40 45
360K
390K
330K
300K 1
5
4
3
2
0
4
L’émissivité : présentation et définition
Les matériaux réels rayonnent une fraction du
rayonnement du corps noir. Ce qui donne en
terme de luminance spectrale :
L’émissivité est liée aux propriétés réfléchissantes d’un matériau opaque
par la loi de Kirchhoff:
ρ+ε=1
Pour une même longueur d’onde
L’émissivité dépend :
- de la longueur d’onde
- de l’incidence
- de la température
Où ελ est l’émissivité
spectrale.
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L’émissivité : présentation et définition
Métal d’indice de réfraction:
n = 5.7+9.7i Diélectrique d’indice de
réfraction:
n = 1.5
D’après : L. Kauder, Spacecraft Thermal Control Coatings References, NASA-TP-
2005-212792, NASA-Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Maryland, (2005)
Emissivité directionnelle en fonction de l’angle d’émission
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εh=(εh/εn). εn
Figure from:
Int. Comm. Heat Mass Transfer
M.Rubin, D.Arasteh, J.Hartmann,
(1987)
Values of εh/εn :
In european
standard
EN 12898
ε h/ε
n
From Fresnel coefficient
Experimental values
εn
D’après:
Int. Comm. Heat Mass
Transfer
M.Rubin, D.Arasteh,
J.Hartmann, (1987)
Emissivité normale / Emissivité hémisphérique
εh/εn
εn
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Les méthodes de mesure Méthode calorimétrique :
Mesure directe de
l’émissivité totale
hémisphérique par chauffage
de l’échantillon et mesure
de l’énergie dissipée:
P=ε.σ.(T4-T4back).S
Méthode
radiométrique:
Mesure de l’émittance
spectrique
directionnelle
Méthode
réflectométrique:
Mesure du facteur de
réflexion total
hémisphérique
directionnel
Emissivité spectrale
directionnelle
Emissivité totale
directionnelle
Mesure
directe
Sommation et
extrapolation sur
l’ensemble du
spectre
Multiplication par le
rapport
émissivité totale
hémisphérique/
émissivité totale
directionnelle pour un
diélectrique lisse
Facteur de réflexion
total hémisphérique
directionnel
Emissivité totale
directionnelle
Loi de Kirchhoff :
ε=1-ρ
Multiplication par le
rapport
émissivité totale
hémisphérique/
émissivité totale
directionnelle pour un
diélectrique lisse
Emissivité totale hémisphérique
Méthode réflectométrique
spectrale:
Mesure du facteur de
réflexion spectral
directionnel hémisphérique
Loi de Kirchhoff : ε=1-ρ
+ Sommation et
extrapolation sur
l’ensemble du spectre
Multiplication par le
rapport
émissivité totale
hémisphérique/
émissivité totale
directionnelle pour un
diélectrique lisse
Facteur de réflexion
spectral directionnel
hémisphérique
Emissivité totale
directionnelle
- L’émissivité et sa mesure
- L’albédo et sa mesure
- Bilan thermique d’un revêtement
soumis au flux solaire
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L’albédo : présentation et définition
Flux solaire incident: ΦI Flux réfléchi: ΦR
Albédo: A= ΦR/ΦI
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Méthode de laboratoire
Mesure du facteur de réflexion spectral
par sphère intégrante et spectromètre
UV-Visible
Sommation sur tout le
spectre après pondération
par le spectre solaire
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Rayonnement solaire au
niveau de la mer selon la
norme ASTM G173 − 03
Reçu pour une surface
plane et une surface inclinée
de 37°
Méthode de laboratoire
- Présentation de THEMACS
- L’émissivité et sa mesure
- L’albédo et sa mesure
- Bilan thermique d’un revêtement
soumis au flux solaire
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λ : Visible Infrarouge
ρ 1
0
λ : Visible Infrarouge
ρ 1
0
λ : Visible Infrarouge
ρ 1
0 λ : Visible Infrarouge
ρ 1
0
ε=0 ε=1
A=0
A=1
Pein
ture
noire
Pein
ture
bla
nche
alu
min
ium
anodis
é
Panneaux s
ola
ires
therm
iques
Alu
min
ium
poli
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Quelques exemples d’étude
Photos sous licence CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons
Revêtement
des engins
spatiaux
Comportement
thermique des
câbles aériens
Comportement
thermique d’une
fenêtre PVC
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Comportement thermique des câbles aériens
Contexte :
Réduire l’échauffement du câble soumis au rayonnement
solaire pour limiter l’augmentation de la résistivité
électrique et assurer un bon maintien mécanique.
Objectif de l’étude :
Mesurer les propriétés de surface afin de simuler le
comportement thermique du câble neuf et vieilli.
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Comportement thermique des câbles aériens
ΦRE
ΦR
ΦSa
Câble
Φc
Modèle thermique
simplifié :
Φsa= le flux solaire absorbé (W/m2)
ΦR= le flux rayonné par la surface (W/m2)
ΦRE= le flux rayonné par l’environnement (W/m2)
Φc= le flux dissipé par convection (W/m2)
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Comportement thermique des câbles aériens
A : albédo de la surface du câble
Φs : flux solaire incident pris à 500W/m2
ε : émissivité de la surface
σ : constante de Stefan-Boltzmann (5.67×10-8W/m2/K-4)
Tair : température de l’air prise à 303K (30°C)
Tsurf : température de la surface
h : coefficient de convection
En linéarisant les transferts par rayonnement, on obtient une expression
simplifiée pour le calcul de la température d’équilibre :
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Tm est la température moyenne entre l’air et la surface. Dans notre calcul nous
avons pris h=4 W/m2/K, Tm=300K et Tair=30°C. Ces valeurs sont discutables
mais permettent cependant d’évaluer de manière significative les écarts de
performances des différents revêtements.
Φs est pris égal à 500W/m2, soit le rayonnement solaire maximal sur la moitié
de la surface du câble exposé, alors que les échanges radiatifs et convectifs
ont lieu sur la totalité de la surface.
Comportement thermique des câbles aériens
Hypothèses :
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Comportement thermique des câbles aériens
Câble 1 Câble 2 Câble 3 Câble 4
Albédo 0.63 0.42 0.32 0.61
Emissivité 0.76 0.186 0.83 0.8
(1-A)/e 0.49 3.12 0.82 0.49
T équilibre (°C) 51.4 86.4 67.4 51.9
Synthèses des mesures
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Comportement thermique d’une fenêtre PVC
Contexte :
Désir du client d’avoir des fenêtres noires, et réduire l’échauffement de la
fenêtre malgré le côté absorbant de cette couleur. Limiter la dilatation
thermique de la fenêtre.
Objectif de l’étude :
Mesurer les propriété de surface afin de simuler le comportement
thermique de la peinture utilisée.
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ΦRE ΦR
ΦS
a ΦI
Fenêtre PVC
Φc
Comportement thermique d’une fenêtre PVC
Φsa=flux solaire absorbé
ΦR= le flux rayonné par la surface
ΦRE= le flux rayonné par l’environnement
ΦI= le flux dissipé par conduction et par convection côté intérieur de la fenêtre
Φc= le flux dissipé par convection côté extérieur de la fenêtre
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Comportement thermique d’une fenêtre PVC
Le bilan thermique s’écrit ainsi :
A : albédo de la surface
Φs: le flux solaire pris à 1000W/m2
ε : émissivité de la surface
σ : constante de Stephan-Boltzmann
Tair : température de l’air prise à 303K (30°C)
Tsurf : température de la surface
hext : coefficient de convection côté extérieur
hint : coefficient de convection côté intérieur
R : résistance thermique du montant prise dans un premier temps à 1K.m2/W
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Comportement thermique d’une fenêtre PVC
Par simplification on a pris :
heq prend en compte tous les échanges conductifs et convectifs
dépendant de la différence de température entre la surface et l’air. On
peut ajuster ce paramètre.
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Albédo Emissivité T surface (°C) flux solaire reçu (W/m2)
Peinture 1 0.22 0.95 70.9 782
Peinture 2 0.03 0.94 80.3 975
Peinture 3 0.03 0.95 80.0 973
Peinture 4 0.04 0.94 79.6 960
Peinture 5 0.29 0.95 67.3 710
Scénarion avec une température cible pour la peinture 3 de 80°C avec heq=11.8
Comportement thermique d’une fenêtre PVC
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Conclusion
- Importance de mesurer les propriétés
radiatives des surfaces pour les échanges
thermiques
- Nécessité d’une ingénierie des matériaux
pour contrôler ces échanges
Merci de votre attention
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