tp TRANSFERT THERMIQUE-RAYONNEMENT ET CONVECTION NATURELLE.pdf

download tp TRANSFERT THERMIQUE-RAYONNEMENT ET CONVECTION NATURELLE.pdf

of 3

Transcript of tp TRANSFERT THERMIQUE-RAYONNEMENT ET CONVECTION NATURELLE.pdf

  • Facult des Sciences de lIngnieur Dpartement Energtique

    TP Transfert Thermique

    1

    TP 03: RAYONNEMENT ET CONVECTION NATURELLE

    But du T.P. Objectifs

    On propose de mettre en vidence le transfert dnergie par rayonnement thermique et par

    convection naturelle. On dterminera l'exposant de la loi de Stefan Boltzmann, la valeur de la

    constante de Stefan, l'missivit d'un corps gris ainsi que la valeur du coefficient de convection

    naturelle.

    1- Transfert de chaleur par rayonnement

    Le rayonnement est un transfert de chaleur entre deux corps, spars par du vide ou un milieu transparent, par l'intermdiaire d'ondes lectromagntiques. Nous ne considrerons que les

    corps solides opaques au rayonnement. Pour l'tude du rayonnement, on dfinit un corps de rfrence appel le corps noir (quivalent au gaz parfait en thermodynamique classique) dont on

    peut dterminer les proprits. La seule qui nous intressera par la suite est l'mittance M dfinie comme la puissance mise par unit de surface sur toute la gamme de longueur d'ondes (entre 0 et ) dans tout le demi-espace suprieur. On dmontre que M = T 4 ou T est la temprature absolue

    (en Kelvin) du corps considr et la constante de Stefan Boltzmann. Les proprits des corps rels sont dfinies par rapport celles du corps noir. On ne

    considrera par la suite que l'approximation du corps gris diffusant. Dans ce cas, les proprits du

    corps rel sont dduites de celles du corps noir par simple multiplication par l'missivit . L'missivit est un nombre strictement gale ou infrieur 1.

    La puissance change entre deux corps (respectivement de surface S1, temprature T1 et la

    surface S2, temprature T2) se met sous la forme 4 4

    1 2 1 1 2 1 2( )p S F T T o F1-2 est un nombre

    sans dimension appel facteur de forme qui fait intervenir la gomtrie considre et les

    missivits des deux corps. Dans le cas qui nous intressera par la suite (corps plac l'intrieur d'une enceinte dont les dimensions sont grandes par rapport celles du corps) cette relation

    devient simplement4 4

    1 1 1 2P = S (T -T ) .

    2 - Dispositif exprimental

    Figure 1: Dispositif exprimental

    Une pastille mtallique (1), place l'extrmit d'une tige (7), peut tre place

  • Facult des Sciences de lIngnieur Dpartement Energtique

    TP Transfert Thermique

    2

    - soit dans la partie haute temprature d'une enceinte le four (2), maintenue temprature

    leve et constante grce a un collier chauffant (3) et une rgulation (4)

    - soit dans la partie basse temprature de l'enceinte de lchangeur (5), maintenue

    temprature ambiante grce un changeur eau (6) La temprature de la pastille est mesure l'aide d'un thermocouple. On peut afficher

    directement cette temprature en C sur le thermomtre digital (8). On peut galement enregistrer

    la tension dlivre par ce thermocouple ainsi que la drive par rapport au temps de cette tension en (9).

    En plaant au dpart la pastille au niveau de l'changeur eau, la temprature de cette dernire se stabilise rapidement une valeur proche de la temprature ambiante. Si l'on dplace la pastille dans l'enceinte chauffe, sa temprature s'lev par rayonnement o par convection et

    rayonnement selon le cas, les mesures peuvent tre faites sous vide grce une pompe vide connecte en (11). La pression est lue sur le manomtre (12). On peut ainsi faire les mesures avec ou sans convection naturelle que l'on soit sous atmosphre ou sous vide.

    3- Mise en quation Donnes exprimentales :

    La masse du corps M=1.16g La chaleur massique C=386 J/Kg C La surface du corps S=2.2 cm

    Exprience sous vide : pour le cas dchauffement on peut crire lquation de labsorption du corps :

    4 4( )eMCdT S T T dt Te : la temprature de lenceinte en Kelvien.

    On peut crire la puissance chang par rayonnement Py :

    4 4( )y edT

    P MC S T Tdt

    ; donc on peut dduire lvolution de la temprature du corps en

    fonction de temps.

    4 4( )edT S

    T Tdt MC

    'RY (1)

    Pour la mme procdure on peut crire lquation de lmission du corps (refroidissement):

    4 4( )fdT S

    T Tdt MC

    'RZ (2)

    Exprience sous atmosphre: lquation de lchauffement du corps par convection et rayonnement est donne par la relation :

    4 4( )e cMCdT S T T P dt avec Pc : est la puissance chang par convection.

    Lvolution de la temprature du corps en fonction de temps:

    4 4( ) CePdT S

    T Tdt MC MC

    'C+RY (3)

    Et pour les mmes tempratures T du corps, en comparant les quations (1) et (3), pour chaque

    valeur de temprature T du corps. La puissance change par convection naturelle Pc scrit :

    ' '( )C R RY Y MC CP

    Pour la mme procdure on peut crire lquation de refroidissement du corps :

    4 4( ) CfPdT S

    T Tdt MC MC

    'C+RZ (4)

    En comparant les quations (2) et (4) on en dduit : ' '( )C R RZ Z MC CP

  • Facult des Sciences de lIngnieur Dpartement Energtique

    TP Transfert Thermique

    3

    Note : La puissance chang par convection naturelle peut sexprimer par :

    0( )hS T T CP

    Ou T est la temprature du corps noir ou gris et T0 celle de la paroi de lchangeur.

    4 - Mesures et exploitations des rsultats

    4.1 - Mesures

    Les mesures effectuer sont les mmes quelle que soit la pastille utilise. Commencer par ouvrir l'eau de refroidissement pour stabiliser la temprature de l'changeur froid. Regler la consigne de la rgulation du four a une temprature comprise entre 180 et 200 C (en

    aucun cas le collier chauffant ne doit dpasser une temprature de 350 C) et s'assurer que la puissance de sortie est bien active.

    Placer la pastille en position haute au niveau de l'changeur froid. Faire ou non le vide dans lenceinte suivant le type de mesures dsires. Apres la mise en route, il est ncessaire d'attendre une vingtaine de minutes pour que la temprature de l'ensemble se stabilise.

    Une fois tous les rglages effectus et la temprature d'quilibre atteinte, descendre la pastille dans l'enceinte chauffe et procder l'enregistrement de T et de dT/dt jusqu' l'quilibre haute

    temprature. Refaire la mesure en sens inverse en remontant la pastille au niveau de l'changeur froid. 4.2 - Corps noir

    On considrera que la pastille se comporte comme un corps presque noir en prenant une missivit de noir = 0,95.

    a) Tracer les courbes d'chauffement et de refroidissement du corps noir sous vide. b) On ngligera les pertes par conduction dans cette partie. Etablir la relation donnant la variation de la temprature de la pastille au cours du temps. Calculer la valeur de la constante de Stefan ().

    Conclusions ? c) Tracer les courbes d'chauffement et de refroidissement du corps noir sous atmosphre

    On ngligera galement les pertes par conduction dans cette partie. Etablir la relation donnant la variation de la temprature de la pastille au cours du temps. En considrant que l'enceinte chauffe se comporte comme un corps noir et que l'air dans l'enceinte est la mme temprature que

    l'enceinte, trouver le bon diagramme pour dterminer le coefficient d'change par convection h. Conclusions.

    e) Comparer les puissances changes par convection et par rayonnement. Conclusions ? f) On a nglig jusqu' prsent les pertes par conduction. Comment se manifestent-elles et quoi sont-elles dues ?

    4.3 - Corps gris

    a) Tracer les courbes d'chauffement et de refroidissement du corps gris sous vide

    b) On ngligera les pertes par conduction dans cette partie. Etablir la relation donnant la variation de la temprature de la pastille au cours du temps. En considrant que l'enceinte chauffe se comporte comme un corps noir, trouver la valeur de l'missivit du corps gris connaissant la

    constante de Stefan Boltzmann = 5,67 108Wm2K4. Conclusions ? d) Tracer les courbes d'chauffement et de refroidissement du corps gris sous atmosphre

    On ngligera galement les pertes par conduction dans cette partie. Etablir la relation donnant la variation de la temprature de la pastille au cours du temps. En considrant que l'enceinte chauffe se comporte comme un corps noir et que l'air dans l'enceinte est la mme temprature que

    l'enceinte, trouver le bon diagramme pour dterminer le coefficient d'change par convection h. Conclusions ?

    e) Comparer les puissances changes par convection et par rayonnement. Conclusions ? f) On a nglige jusqu' prsent les pertes par conduction. Comment se manifestent-elles et a quoi sont-elles dues ?