Compte Rendu Du TP N°1 Transfert de Chaleur [PDF]

Zitiervorschau

République Algérienne Démocratique et Populaire Université de Constantine Salah Boubnider Faculté de Génie des Procèdes

Compte rendu du TP n°1 Transfert de chaleur

- Préparé par : 

Guimer Hadil

UNIVERSITÉ DE CONSTANTINE SALAH BOUBNIDER 3ÈME ANNÉE :2020 – 2021

 Intoduction : Le transfert thermique est un échange d'énergie entre deux corps causé par leur différence de température. Il existe trois types de transfert thermique : la conduction; la convection; le transfert par rayonnement. C’est un phénomène que l’on trouve dans de nombreux secteurs de l'industrie et dans notre vie quotidienne. Les ingénieurs et les techniciens se trouvent confrontés à ce genre de problème ; et essayent de maximiser ou de minimiser ce phénomène selon les besoins de l’industrie et dans le souci d’économiser cette énergie qui revient chère.

 Le but de TP: Etude des régissant le transfert de chaleur par conduction en régime stationnaire (permanant) et la détermination de conductibilité thermique d’un matériau et le flux ou la quantité de chaleur et aussi examiner le profil de température.

 Partie théorique : 1. Quelque Définitions: - La conduction thermique : C'est un mode de transfert thermique provoqué par une différence de température entre deux régions d'un même milieu, ou entre deux milieux en contact, et se réalisant sans déplacement global de matière (à l'échelle macroscopique). La conduction thermique est un phénomène de transport de l'énergie interne dû à une hétérogénéité de l'agitation moléculaire. C'est donc un phénomène irréversible. Dans les fluides (liquides et gaz) ce transport d'énergie résulte du non uniformité du nombre de chocs par unité de volume, de façon analogue au phénomène de diffusion. Dans les solides, la conduction thermique est assurée conjointement par les électrons de conduction et les vibrations du réseau cristallin (phonons). -

La loi de fourrier: Fourier a découvert que le flux de chaleur qui traverse un matériau d'une face A à une face B est toujours proportionnel à l'écart de température entre les 2 faces : Si le matériau a une température homogène (pas d'écart de température), il n'y a pas de flux de chaleur. Si en revanche le matériau est soumis à une différence de température, on dit alors que « le système est en état de déséquilibre ». Un flux de chaleur va alors se créer, du plus chaud vers le plus froid, tendant à uniformiser la température. L'équation de la loi de Fourier s'écrit de la dT

manière suivante : Q = −k . A. dx

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Module : Transfert de chaleur

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Conduction en régime stationnaire: On définit un régime permanent (ou stationnaire) quand les températures ne dépendent pas du temps. La température ne dépend plus que de la disposition du point où l'on effectue la mesure et plus du temps.

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Le flux thermique: Le flux thermique ou flux de chaleur est la puissance qui traverse une surface au cours d'un transfert thermique, c'est-à-dire l'énergie thermique transférée Q ou quantité de chaleur par unité de temps. Il s'exprime en watt.

 Partie pratique : 1. Description de l'appareil: L'équipement comprend deux modules chauffés électrique ente et monté sur un banc de support. Le premier module est formé de deux barres pour les études de transfert de chaleur par conduction suivant la coordonnée cartésienne X ; le deuxième ne module est un disque pour l'étude de la conduction de chaleur suivant la coordonnée radia : R. L'une des deux faces de chaque module est continuellement refroidie par un écoulement d'eau de robinet pour permettre l'équilibre thermique. Une console électrique est utilisée pour le chauffage électrique entre 0 et 100watts, et la lecture digitale de la température aux points sélectionnés le k 13 des parcours d'énergie des deux modules (voir appareil), avec une précision de +0.1 °C. L'appareil avec les échantillons de pièces conductrices et le: disques isolants permettent la mesure et la comparaison des conductivités thermiques de ces composées de différents métaux. La résistance thermique d'une série de barres composées de différents matériaux collées entre elles par une graisse thermique appliquée par a pression d'attachement des crochets du module linéaire est mesurable.

2. Mode

opératoire :

1. deuxième conduction disque en 2. Attacher tuyau de

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Sélectionner le module de qui est un laiton. fermement le l'eau de refroidissement

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a un robinet d'eau ordinaire assurant au moins un débit de trois litre/minute. Ouvrir e robinet et essayer de régler le débit d'eau et le maintenir à 3 litre/minute. 3. Monter les six fils des thermocouples sur le module un côté et sur la console de l'autre côté. Etre sûr que les positions du centre vers la conférence du disque sur le module correspondant aux positions numérotées de 1 à 3 et de 7 à 9 sur la console, respectivement. 4. Faire les connections électriques entre le module et la console et entre la console et une prise de courant électrique. 5. Démarrer le chauffage électrique sur la console et régler a puissance à 20 watts.

 Les réponses : 1- On a augmenté le chauffage à 20 watts donc on obtient ces résultats: r (mm) T (C°) Ln (r)

0 30,1 /

10 27,6 2,30

20 23,2 2,99

30 21,2 3,40

40 19,7 3,68

50 18,3 3,90

2- Sur Excel le graphe de la température T en fonction de Ln(r), sachant que la distance entre deux points consécutifs de mesure de température est 10 mm:

Graphe de la température T en fonction de Ln (r) 30

27.6

25

23.2 21.2 19.7

18.3

T(C°)

20

15

10

5

0

0

1

2

3

Ln(r)

4

5

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3- La vérification de la loi de fourrier de la conduction de chaleur; en établissant un bilan de chaleur sur un élément de volume: 4

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On a la relation suivante: Q = −k . A.

dT dr

Donc : Q entrant = Q sortant −k . A1.

dT dT = −k . A2. dr 2 dr 1 dT dT c r1 . r . dr 1 = 2 dr 2 = … = 1

−k .2 π r 1 l.

dT dr 1

dT

= −k .2 π r 2 l. dr 2

T = c 1.lnr + c 2 Y = ax +b

21,2−27,6 = -5,81 3,40−2,30 On calcule c 2 = T2 - c 1. Lnr2 donc: c 2 = 27,6 – (-5,81.2,3) c 2 = 14,237

On calcule c 1= tgα =

4- Détermination de conductivité thermique du disque métallique (laiton); sachant que la pièce a un diamètre de 110 mm et une épaisseur de 3 mm : dT et donc le cas de cylindre A = 2 π rl dr dT Q = −k .2 πrl . dr c c dr dr c 1 = r. = 1 Q = −k .2 πrl . 1 dT dT r r −Q −20 Donc : k = 2 πl c = = 182,71 w/m.k 2.3,14.0,003 .(−5,81) 1

D'après la loi de fourrier on a : Q = −k . A.

5- La comparaison entre la conductivité thermique calculée pratiquement avec celle reportée de la littérature : - La conductivité thermique calculée pratiquement: 182,71 w/m.k - La conductivité thermique reportée de la littérature : 125 w/m.k (Wikipédia) On remarque que la conductivité thermique calculée pratiquement est plus grand que la reportée de la littérature: 182,71 > 125 6- On augmente le chauffage à 40 watts et refaire le même travail : r (mm) T (C°) Ln (r) -

0 42 /

10 38,4 2,30

20 36 2,99

30 33,6 3,40

40 30,8 3,68

50 28 3,90

Sur Excel le graphe de la température T en fonction de Ln(r), sachant que la distance entre deux points consécutifs de mesure de température est 10 mm:

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Graphe de la température T en fonction de Ln (r) 45 38.4

40

36 33.6

35

30.8 28

30

T(C°)

25 20 15 10 5 0

-

0

1

2

3

Ln(r)

4

5

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La vérification de la loi de fourrier de la conduction de chaleur; en établissant un bilan de chaleur sur un élément de volume: On a la relation suivante: Q = −k . A.

dT dr

Donc : Q entrant = Q sortant −k . A1.

dT dT −k . A2. = dr 1 dr 2 dT dT c r1 . r2 . = dr 1 dr 2 = … = 2

−k .2 π r 1 l.

dT dr 1

dT

= −k .2 π r 2 l. dr 2

T = c 2.lnr + c 3 Y = ax +b

30,8−37,5 On calcule c 2= tgα = = -6,32 3,68−2,62 On calcule c 3 = T2 - c 2. Lnr2 donc: c 3 =38,4 – (-6,32.2,3) c 3 = 23,864

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Détermination de conductivité thermique du disque métallique (laiton); sachant que la pièce a un diamètre de 110 mm et une épaisseur de 3 mm : dT et donc le cas de cylindre A = 2 π rl dr dT Q = −k .2 πrl . dr c c dr dr c 2 = r. = 2 Q = −k .2 πrl . 2 dT dT r r −Q −40 Donc : k = 2 πl c = =335,94 w/m.k 2.3,14.0,003 .(−6,32) 2

D'après la loi de fourrier on a : Q = −k . A.

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La comparaison entre la conductivité thermique calculée pratiquement avec celle reportée de la littérature : -

La conductivité thermique calculée pratiquement: 335,94 w/m.k La conductivité thermique reportée de la littérature : 296 w/m.k

On remarque que la conductivité thermique calculée pratiquement est plus grand que la reportée de la littérature: 335,94 > 125

 Conclusion : Dans ce TP : - on a appliquée la loi de Fourier pour la conduction, - on a déterminé le profile de température sur la longueur du cylindre - on a obtenu une droite décroissante qui ne passe pas de origine de la forme ax+b - on note également remarque quand la température augmente la conductivité augmente plus et qui il y a une relation entre les deux

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