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7/24/2019 TP_transfertdechaleur_.pdf

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UNIVERSITE KASDI MERBAH OUARGLA

Dr: CHENNOUF Nasreddine

Manuel des Travaux Pratiquesde transfert de chaleur

3meAnne Gnie des Procds

DEPARTEMENT DE GENIE DES PROCEDES

FACULTE DES SCIENCES APPLIQUEES

OUARGLA 2014


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Sommaire

1 Introduction

2

TP N1 : Transfert de chaleur par convection naturelle et force

2-1 But du TP N1

2-2Rappels thoriques

2-3 Description de l'appareil WL 352

2-4Ralisation de l'essai pour la convection naturelle

2-5 Travaille demand

3 TP N2 : Transfert de chaleur par rayonnement

3-1 But du TP N2

3-2 Rappels thoriques

3-3 Description de l'appareil WL 360

3-4 Ralisation de l'essai avec un corps therorayonnant

3-5 Ralisation de l'essai avec une source lumineuse

3-6 Ralisation de l'essai avec une source lumineuse

Annexe

Proprits physiques de l'air

Caractristiques techniques de l'appareil WL 352



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1-Introduction

On distingue conventionnellement trois modes de transmission de la chaleur: la

conduction, la convection et le rayonnement.

La conduction

Ce mode de transmission de chaleur sapplique plus particulirement aux solides,

mais concerne aussi les fluides au repos.

Il correspond une propagation de la chaleur de proche en proche au sein de la

matire, le passage de la chaleur se faisant par contact entre particules (atomes ou

molcules) voisines. La matire se comporte vritablement comme un conducteur

de la chaleur.

La convection

La transmission de chaleur par convection met en jeu le mouvement des fluides (gaz

ou liquides).

Ce mouvement permet lchange de chaleur entre le fluide et une paroi et facilite la

diffusion de la chaleur au sein de lensemble du fluide grce lagitation produite.

Dans la transmission de chaleur par convection, le fluide se comporte comme un

vhicule de la chaleur.

La convection est dite naturelle ou libre lorsque le mouvement du fluide est cr par

les diffrences de masse volumique existant au sein du fluide du fait des diffrences

de tempratures. Lorsque le mouvement est communiqu par une machine agitateur,

pompe, compresseur ou ventilateur, la convection est dite force.

Le rayonnement

La transmission de chaleur par rayonnement correspond au transport dnergie

thermique sous forme dondes lectromagntiquesanalogues celle de la lumire.

En effet, tout corps, mme plac dans le vide, met de lnergie thermique sous

forme dun rayonnement quiest vhicul sans support matriel. Cette mission est

dautant plus importante que la temprature du corps metteur est leve. Elle nest

cependant notable qu partir de 700 800C. Dans le cas du soleil, dont la

temprature superficielle est de lordre de 6000C, lmission thermique estparticulirement importante.


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Paralllement, tout autre corps plac sur le trajet de ce rayonnement en absorbe une

partie et, de ce fait, est un rcepteur de chaleur.

Dans la pratique des procds industriels, la mise en oeuvre des changes de chaleur

fait appel simultanment aux diffrents modes de transmission de la chaleur.

Ce travail est dont le but de prsent d'un support des travaux pratiques de transfert

de chaleur pour les tudiants de 3m

Anne Gnie des Procds


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2 TP N1 : Transfert de chaleur par convectionnaturelle et force

2-1-But du TP :

Calculer le flux de chaleur change par convection naturelle et force ;

Calculer le coefficient d'change par convection.

2-2-Rappels thoriques

La convection est un transfert de chaleur dans un milieu matriel avec

mouvement de matire. Ce mode de transfert ne concerne donc que les fluides ou

les changes entre un solide et un fluide.

Dans le cas d'un transfert entre un solide et un fluide, la puissance transfre par

convection est donne par la relation suivante :

fp TThS ..(1)

Tp: la temprature de la paroi du solide ;

Tf : la Temprature du fluide loin de la paroi ;

h : le coefficient d'change de surface. Sa dtermination fait intervenir des

relations de corrlations entre des nombres sans dimension, dtermins partir

des proprits thermophysiques du fluide.

On distingue deux types de convection :

La convection libre (ou naturelle) dans laquelle les mouvements du fluide sont

dus aux variations de masse volumique,

La convection force dans laquelle les mouvements du fluide sont imposs par

une pompe ou un ventilateur.


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2-3-Description de l'appareil WL 352

L'appareil WL 352 (Figure 1) est destin la transmission de la chaleur

(Convection libre et convection force dans un coulement d'air)

Figure 1: L'appareil WL 352(Transfert de chaleur par convection)

1- capteur de temprature.

2 - canal d'air.

3 - thermocouple type K.

4- appareil d'affichage et de commande.

5- lment chauffant "plaque".

6- lment chauffant "ailettes".

7- capteur d'coulement,

8- lment chauffant "faisceau tubulaire".

9- raccord de mesure pour thermocouple


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Figure 2: Amplificateur de mesure

2-4--Ralisation de l'essai pour la convection naturelle

- Activer l'amplificateur de mesure ;

Fixer la source de chaleur choisie (plaque plane, faisceau tubulaire, ailettes)

- Activer l'interrupteur de puissance lectrique et choisissez une puissance

pour chauffer la source de chaleur ;

- Patienter (30 40 minutes) pour que l'air l'intrieur de la conduite

s'chauffe ;

-

Noter T0 la temprature auprs de la source de chaleur dtermine par le

thermocouple type K

- Enregistrer les valeurs qui s'affichent l'amplificateur de mesure tel que

- T1(temprature de l'air l'entre)

- T2(temprature de l'air la sortie),

- w (vitesse de l'air)

-

P (puissance lectrique).

Remarque : pour la convection force on suivra les mme tapes et on ajoute

une action extrieur reprsente par la ventilation et on choisi une vitesse pour le

mouvement du fluide.

T1 T2 T0

w P


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Figure 3:1 convection libre sur lment chauffant, 2 convections forces sur

lment chauffant

2-5-Travaille demand

- transfert thermique pour diffrentes surfaces: Calculez le flux chang par

convection

* plaque plane

* faisceau tubulaire

* ailettes

- calcul du coefficient de transfert de chaleur pour la convection libre et la

convection force

- calcul de la quantit de chaleur transmise et du rendement

- Calculez le flux chang par convection:

La loi de Newton fp TThS avec cette loi on ne peut pas calculer le flux parce

quon na pas la valeur du coefficient dchange convective (h).

La thermodynamique 'affirme que l'nergie absorbe par l'air froid est gale au flux

chang par la convection:

TCm p ..(2)


9/22

m : dbit massique kg/s :

wAm ..(3)

W: vitesse de l'air (m/s)A: section de passage (m

2).

: masse volumique de l'air (kg/m3)

pC : chaleur spcifique (J/kg.C)

T : Tsortie(T2)T entre(T1) ( C).

Pour calculer la masse volumique et la chaleur spcifique, il est impratif de se

rfrer au tableau en annexe.

Lefficacitde lappareil

Lefficacit de lappareil est le rapport entre la valeur nergtique produite

(calculer) et la valeur nergtique consomme (lectrique) dans un processus.

En toute logique, un rendement nergtique est ncessairement compris entre 0 et 1

(ou entre 0% et 100%). Un rendement de 100% serait le fait d'un systme idal : il

n'existe jamais.

lectrique

calculer

(4)

Calcul du cfficient d'change par convection:

Le flux tant dj calcul, il nous reste calculer la diffrence de temprature

(TpTf) Mais dans ce cas la diffrence de temprature entre le fluide chaud et le

fluide froid n'est pas constante pour cela on introduit Tmla moyenne logarithmique

des diffrences de temprature aux deux extrmits de l'appareil:

mfp hSTTThS (5)


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2

1

21

lnTT

TT

TTTTT

ou t

in

ou tin

o

o

oo

m

(6)

-Dans ce cas nous supposons que Tint= Tout= To

-Les surfaces d'change:

Plaque plane = 0.014m2

Faisceau tubulaire = 0.098 m2

ailettes = 0.14m2

Compltez le tableau suivant :

convection naturelle convection force

plaque

plane

faisceau

tubulaire

ailettes plaque

plane

faisceau

tubulaire

ailettes

T1

T2

T0

W

P

h

Commentez vos rsultats


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3-TP N2 : Transfert de chaleur par rayonnement

3-1-But du TP

Le but du TP est de dterminer :- L'exposant de la loi de Stefan Boltzmann, et la valeur de la constante de Stefan

Boltzmann ;

- La loi de l'inverse du carr de Lambert ;

- La loi du cosinus de Lambert.

3-2-Rappels thoriques

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 dont on peut dterminer les proprits. La seule proprit qui nous intressera

par la suite est l'mittance M dfinie comme tant 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 :

4TM ..(07)

T : la temprature absolue du corps considr (K) ;

: la constante de Stefan.

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 infrieur

1.

La puissance change entre deux corps (respectivement de surface S1,temprature T1et de surface S2, temprature T2) se met sous la forme :


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42

4

1121 TTFSQ ..(08)

F 1,2: un nombre sans dimension appel facteur de forme qui fait intervenir lagomtrie considre et les missivits des 2 corps.

3-3-Description de l'appareil WL 360

L'appareil WL 360 (Figure N7) est destin pour la transmission de la chaleur par

rayonnement

L'appareil WL 360 transmission de la chaleur par rayonnement est destin

l'analyse des conformits la loi du rayonnement en prenant l'exemple du

rayonnement thermique et lumineux.

L'appareil possde un corps thermorayonnant sous forme de source noir avec pile

thermolectrique correspondant qui mesure l'intensit lumineuse. Un luxmtre avec

avec source lumineuse saisit l'intensit lumineuse, des thermocouples mesurent la

temprature.

Figure 4 :L'appareil WL 352


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-(1) Corps thermorayonnant.

-(2) Pile thermolectrique pour la mesure du rayonnement, sur support rotatif.

-(3) Luxmtre pour mesurer l'intensit lumineuse, sur support rotatif.

-(4) Plaque d'absorption avec points de mesure de temprature.-(5) Filtres colors (rouge, vert, infrarouge) avec fixation par pince.

-(6) Source lumineuse orientable.

-(7) Amplificateur de mesure avec cble de raccordement.

-(8) bti de rception des dispositifs.

Figure 5: Amplificateur de mesure

-(1) Afficheur de flux d'nergie du rayonnement (w/m2).

-(2) Afficheur de l'intensit lumineuse en Lux.

-(3) Afficheur des tempratures des thermocouples raccords.

-(4) Rgulateur de puissance pour modifier la tension d'alimentation.

-(5) interrupteur de rgulateur.

Figure 6: Dos de l'amplificateur de mesure


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(6) Raccordement secteur.

(7) Interrupteur principal.

(8) Port PC.

(9) Raccordement d'alimentation.

(10) Sonde pour mesurer l'intensit lumineuse.

(11,13) Sondes thermolectriques.

(12) Sonde pour mesurer le flux d'nergie du rayonnement.

3-4-Ralisation de l'essai avec un corps therorayonnant:

L'exposant de la loi de Stefan Boltzmann, et la valeur de la constante de

Stefan Boltzmann

Figure 7: Ralisationde la loi de Stefan Boltzmann

- Activez l'amplificateur de mesure.

- Fixez la pile thermolectrique une distance de L=50 mm par rapport au

corps thermorayonnant et enlever tous les autres modules intgrs entre cesappareils.


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- Notez la temprature ambiante.

- Rglez le rgulateur de mesure sur 7. la temprature augmente lentement.

- Enregistrez la srie de mesures en notant tous les 10 kelvins la temprature et

le flux d'nergie du rayonnement affich.

Loi de Stefan Boltzmann

Le flux d'nergie du rayonnement total Es d'une source noir est

proportionnel la quatrime puissance de la temprature absolu de

rayonnement T :

Es = T4 (09)

La loi est gnralement applique sous sa forme plus pratique

4

100

TCE ss

(10)

Avec la constante de rayonnement du corps noir : Cs =5.67 (W/m2K

4)

Il faut tenir compte du fait que la pile thermolectrique n'absorbe que le

rayonnement de la source Esource et que pour Stefan Boltzmann, c'est la

totalit du rayonnement Es, y compris le rayonnement ambiant Eambqui doit

tre inscrite.

Es=(Esource/)+Eamb (11)

Eamb=Cs(Tamb/100)4 (12)

: missivit de la surface rayonnante, dans ce cas, elle prise gale 0,75.


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1-Compltez le tableau suivant

T (C) T ( K) Esource(W/m ) Es (W/m ) ln(T) ln(Es)

100

110

120

130

140

2- tracez la courbe ln(Es) en fonction de ln(T).

3- calculez les constantes de la courbe.

4-Commentez vos rsultats


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3-5-Ralisation de l'essai avec une source lumineuse:

Loi de l'inverse du carr de Lambert.

Figure 8: Ralisationde la Loi de l'inverse carr de Lambert

- Activez l'amplificateur de mesure.

- Reliez le luxmtre, une distance de 70 Cm par rapport la source

lumineuse, et enlevez tous les autres modules intgrs entre ces appareils.- Fixez la source lumineuse sur la position 0.

- Activer entirement le rgulateur de puissance sur l'amplificateur de mesure.

- Enregistrez la srie de mesure en diminuant la distance L en carts judicieux

et en lisant chaque fois le flux d'nergie du rayonnement E et la distance L.

-

Loi de l'inverse carr de Lambert

La loi indique que le flux d'nergie du rayonnement (= intensit lumineuse)

d'un rayonnement mis par une source ponctuelle diminue avec le carr de la

distance:


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2

1

LEpt

Avec

Ept : flux d'nergie du rayonnement sur le point de mesure.

E : source flux du rayonnement de la source.L : distance du point de mesure par rapport la source ponctuelle en m.

1-Compltez le tableau suivant

Distance par rapport la source de

rayonnement L

Flux d'nergie de rayonnement E (W/m2)

0.15

0.25

0.35

0.45

0.55

0.65

2- tracez la courbe ln(E) en fonction de ln(L).

3- calculez les constantes de la courbe.

4-que constatez-vous?


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3-6-Ralisation de l'essai avec une source lumineuse:

Loi du cosinus de Lambert.

Figure 9: Ralisationde la Loi du cosinus de Lambert

L'essai de vrification de la loi du cosinus doit tre ralis, dans la mesure du

possible, dans l'obscurit:

- activer l'amplificateur de mesure.

- Fixer le luxmtre, une distance de L= 400 mm par rapport la source

lumineuse, et enlever tous les autres modules intgrs entre ces appareils.

-

Ouvrir entirement le rgulateur de puissance sur l'amplificateur de mesure.- Fixer la source lumineuse sur la position 0 .

- Enregistrer la srie de mesure en augmente l'angle d'incidence cart de

10 et lire l'intensit lumineuse E correspondante.

-Compltez le tableau suivant.

Angle d'incidence dans le luxmtre

rapport l'axe lumineuse

Intensit lumineuse (lux)

010

20

30

40

50

60

70

80

90


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-reprsentez lintensit lumineuse standardisele long du cercle unit.


21/22


22/22


Canal d'air- section d'coulement: 120x120mm

- hauteur: 1m

- vitesse de l'air max.: 3,2m/s

Ventilateur axial- dbit max.: 170m/h- diffrentiel de pression max.: 54Pa

- puissance absorbe: 6,5W

- vitesse de rotation nominale: 2900min-1

lments chauffants- limitation de temprature max.: 120C

- puissance de chauffe max.: 170W

- surface de la plaque plane: 140cm

- surface du faisceau tubulaire: 980cm

- surface des lamelles: 1400cm

Plages de mesure- vitesse d'coulement: 0...10m/s

- temprature: 2x 0...100C, 1x 0...200C

- puissance de chauffe: 0...375W

Caractristiques techniques de l'appareil WL 360Emetteur de rayonnement lumineuxPlage de rotation 0-90 des deux cots

Puissance de l'ampoule 40W

Surface claire 0.0289 m2

Corps thermorayonnantPuissance consomme max 400 W(version 120V/60Hz max 340W)Temprature maximale 150C

Surface de rayonnement 0.0320 m2

LuxmtrePlage de mesure 0-2000 Lux

ThermocouplesPlage de mesure 0-200 C

Pile thermolectriquePlage de mesure 0-400 W/m2

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