Convection Forcée [PDF]

Zitiervorschau

République Tunisienne Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Ecole Nationale d’Ingénieurs de Monastir

Compte rendu TP transfert thermique Manipulation2 : Convection forcée Travail Elaboré par :

HADDEJI Chayma SELMI Mohamed Enseignante :

Classe :

Madame YAHIYA

2éme année G. Mécanique G3

Année universitaire 2019/2020

Introduction : La convection est un phénomène de transfert de chaleur se produisant entre une surface et un fluide en mouvement lorsque ceux-ci sont à des températures différentes. Le transfert thermique par convection est divisé en deux parties suivant la nature d’écoulement : -Convection naturelle. -Convection forcée : Le mouvement du fluide est induit par une cause indépendante des différences de température (pompe, ventilateur…).

But de TP : Le but de ce TP est de vérifier la théorie et les formules en rapport avec la convection forcée dans les tubes.

Description du dispositif expérimental :

7 1

2

8

6 5

3

4

Figure1 : dispositif expérimental 1 : thermomètre 2 : conduite d’étude 3 : diaphragme 4 : vanne de réglage de débit 5 : Afficheur de température 6 : Sélecteur de température 7 : Voltmètre 8 : Ampèremètre

-La conduite d’essai (2) est traversée par un écoulement d’air grâce à un ventilateur qui permet de refouler l’air à l’entrée de la conduite avec différents débits. -Le débit massique est réglé manuellement à l’aide de la vanne de réglage du débit (4) (système disque/écrou).Sa valeur est déterminée à partir la mesure de la perte den charge singulière ΔP au niveau du diaphragme(3). -La paroi interne de la conduite est chauffée électriquement par effet joule à l’aide d’un enroulement chauffant traversé par un courant électrique. -Treize thermocouples sont placés en différents points du système. Ils sont repérés par des abscisses dont l’origine (x=0) correspond au début de l’enroulement chauffant. Les 7 premiers thermocouples (𝑇 à 𝑇 ) sont placés sur la paroi interne de la conduite afin de mesurer la répartition longitudinale des températures et les 6 autres (𝑇 à 𝑇 ) sont placés de part et d’autre de l’isolant thermique afin d’évaluer les pertes de chaleur à travers le calorifugeage. -L’afficheur de température (5) permet de lire ces températures. -Le dispositif contient trois manomètres qui mesurent respectivement la pression de sortie du ventilateur 𝑃 , la perte de charge au niveau du diaphragme ΔP et la perte de charge linéaire entre les deux prises de pression statiques.

Bilan thermique dans la partie chauffée de la longueur 𝒙𝟎 : -La puissance de chaleur totale fournie par l’élément chauffant sur la longueur 𝐿 est : Ф = 𝑈𝐼

-La puissance de chaleur reçue par le gaz sur la longueur 𝑥 est : Ф =

𝑥

-La puissance de chaleur perdue à travers le calorifugeage sur toute la longueur L2 est :

Ф

=𝜆

2𝜋𝐿 𝛥𝑇 𝑅 𝐿𝑛( 𝑅 )

Avec : 𝜆 = conductivité thermique de l’isolant (W/m.°C) 𝑅 : Rayon intérieur de l’isolant (m) 𝑅 : Rayon extérieur de l’isolant (m)

𝛥𝑇 : Valeur moyenne sur la longueur 𝐿 de la différence de température à la traversée de l’isolant. Suivant les différentes prises de températures de part et d’autres de l’isolant tel que 𝛥𝑇 = 𝑇 −𝑇 (°C) -La puissance de chaleur perdue sur la partie de conduite de longueur 𝑥 Ф =

Ф 𝐿

est :

𝑥

-La puissance de chaleur reçue par le gaz est : Ф = Ф − Ф

-Connaissant Ф’, on peut déduire h d’après l’équation suivante : Ф = ℎ𝑆

∆ ( ) ∆ ( ) ( ) [ ( )]

Avec : ΔT(x)=Tp(x)-T (x) et S surface d’échange (m²) : S=2π𝑟 𝑥

Manipulation : a) Mise en marche de l’appareil : Après avoir vérifié que les manomètres sont aux niveaux zéro, on commence par ouvrir la vanne de réglage du débit d’air au maximum. Puis, on met le ventilateur en marche. On fixe la pression Ps avec la vanne du débit après on fait lancer le chauffage et on fixe la puissance de chauffe à l’aide du potentiomètre.

b) Principe de l’expérience : On est demandé d’effectuer 3 expériences en variant à chaque fois la valeur du débit d’air afin d’avoir 3 nombres de Reynolds différents, tout en maintenant la même puissance de chauffe (U=140V).

Remarque : Pour chaque débit fixé, il faut attendre la stabilisation des températures (prendre la température 𝑇 comme référence et suivre l’évolution dans le temps).

c) Donnée : 𝐶 = 0.613 𝐷 = 40𝑚𝑚 𝑟 = 16.3𝑚𝑚 𝑟 = 𝑅 = 17.5𝑚𝑚 𝑅 = 42.5𝑚𝑚

𝐿 = 1030𝑚𝑚 𝐿 = 1752𝑚𝑚 𝜆 = 381 𝑊/𝑚.K 𝜆 = 0.0415 𝑊/𝑚.K 1𝑚𝑚 𝐻 𝑂 = 9.81 𝑁/𝑚

Exploitation des mesures : Tableau1 : Mesures expérimentales(1) Expèrience U(v) I(A) Ps (cm H2O) ∆P(cm H2O) Te(°C) T1 (°C) T2(°C) T3(°C) T4(°C) T5(°C) T6(°C) T7(°C) T8(°C) T9(°C) T10(°C) T11(°C)

1 140 2,8 32,5 20 25 40 44 47 47 48 48 46 47 20 47 20

2 140 2,8 23 14 27 46 51 54 55 56 55 53 57 23 57 23

3 140 2,8 14,5 8,5 29 50 56 60 61 62 62 59 61 23 61 23

Pour les 3 débits d’air, on a tracé les courbes de variation de la température de la paroi 𝑇 en fonction de x. (voir le papier millimétré)

Figure 1 T=f(L2)

A partir de chaque courbe, on a choisi 𝑥 limite de la partie linéaire de température de la paroi 𝑇 et puis on a déduit les valeurs de 𝑇 (0), 𝑇 (𝑥 )𝑒𝑡 𝑑𝑇 /𝑑𝑥.

Tableau 2 : Mesures expérimentales (2) Grandeur X0 Tp(0) Tp(X0) dTp/dx φt ∆T2m

φisol φ1 ρe ma φ2 φ' Tair(0) Tair(X0) h K DeltaT(0) DeltaT(x0)

Unité m °C °C °C/m W °C W W Kg/mᶟ Kg/S W W °C °C W/m².k (Kg.m)^(1/2) °C ou K °C ou K

1 1,03 37 47 9,708738 392 13,5 147,4329 230,4566 1,205997 2,345248 86,67574 143,7809 298,0002 298,0612 82,73456 0,001196 11,9998 21,93884

2 1,03 42,5 54 11,16505 392 17 149,234 230,4566 1,187217 1,628842 87,7346 142,722 300,0003 300,0875 65,40404 0,001186 15,49967 26,91254

3 1,03 45 60 14,56311 392 19 150,2632 230,4566 1,169736 0,981632 88,33967 142,117 302,0007 302,1447 59,55258 0,001178 15,99928 30,85533

Conclusion : On constate que lorsqu’on diminue le débit massique d’air il y a une diminution du coefficient d’échanges convectifs et une augmentation de la température de stabilisation T7. Donc on peut conclure que le coefficient d’échanges convectifs est proportionnel au nombre de Reynolds, qui dépend du débit massique, mais aussi inversement proportionnelle à la température de stabilisation. D’où ce coefficient dépend de ces deux derniers propriétés d’écoulement .