TP 1 Transfert Thermique Conduction PTC100 Corrige PDF [PDF]

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TP 1 – Transfert-Thermique-Conductivité– PTC100

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BANC D’ETUDE DE LA TRANSMISSION DE CHALEUR Description Le banc PTC 100 permet d’étudier la transmission de chaleur. Une plaque plane chauffée qui peut être mise dans différentes positions (angle variable) nous permet de quantifier l’énergie thermique transmise à l’air par convection et par radiation. Les étudiants compareront les différents angles ainsi que les différents régimes (forcée ou naturelle). Des plaques de différents matériaux peuvent également être disposées sur la plaque chauffante. Le but est de mesurer la conductivité thermique de ceux-ci (on mesure la différence de température et la quantité d’énergie traversant la plaque). Applications pédagogiques 

Etude des échanges thermiques sur une plaque par convection forcée.



Influence de l’inclinaison de la plaque sur la transmission de la chaleur à l’air ambiant par convection libre

 Etude de la conductivité thermique de différents matériaux isolants.

Objectif : Mesurer la conductivité thermique des matériaux. Organisation du travail : En autonomie, exécuter les consignes définies sur les documents TP. Prérequis : Connaître les éléments constituant une installation de transmission de chaleur. Connaître le principe de fonctionnement d’une installation de transmission de chaleur.

PROTOCOLE EXPERIMENTAL : - Effectuez les vérifications décrites dans la section installation de l’équipement - Tournez le sectionneur sur la position ON - Positionnez la plaque chauffante brillante (couleur aluminium) à 40cm du ventilateur - Orientez-la avec un angle de 45° face chauffante vers le haut (utilisez le rapporteur fourni pour valider l’angle) - Tournez le sectionneur sur la position ON - Placez l’élément isolant que vous souhaitez étudier sur la plaque chauffante (exemple : DURATEC 1000) - Maintenez la plaque isolante sur la plaque chauffante à l’aide de la barre en aluminium et des molettes fournies. - Tournez le commutateur de mise sous tension du système sur la position ON Page 1:4

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- Le régulateur doit s’allumer - Réglez la vitesse du ventilateur à 100% (tournez la molette de réglage dans le sens horaire) - A l’aide des flèches situées sur le clavier du régulateur, fixez une consigne de température à 30°C (la consigne correspond à l’affichage inférieur, l’affichage supérieur correspond à la mesure) - Laissez le système se stabiliser pendant 10 minutes - Remplissez le tableau situé page suivante pour les différentes températures de plaque (Ts) (A chaque changement de consigne, laissez le système se stabiliser 10min) - La température externe est mesurée à l’aide de la sonde portable sur la surface de l’isolant. Le point de mesure doit être le même pour toute l’expérience (afin d’assurer une bonne reproductibilité des mesures) - Pour mesurer la puissance consommée par la résistance (puissance de maintien), suivez la procédure suivante : Appuyer sur la touche du régulateur, le régulateur affiche alors le pourcentage de puissance de sortie. L’affichage du bas indique ce pourcentage que l’on appellera α De ce pourcentage, on déduit la puissance délivrée par la formule :

P

 Pmax 100

La mesure de Pmax se fait à l’aide du voltmètre et de l’ampèremètre lorsque la LED L1 du régulateur est allumée en continu (la puissance de sortie est alors de 100%). Pour lire le courant et la tension pressez le bouton lecture puissance. On obtient Pmax par la relation liant le courant et la tension :

Pmax  U. I P exprimé en [W] Plaque inclinée à 45°, avec convection forcée Matériau : DURATEC 1000, épaisseur 6 mm Partie 1- Etude théorique Hypothèses : on suppose que le transfert est monodirectionnel et se propage dans une direction perpendiculaire à la surface chauffée de la plaque. Activité 1 : Enoncer la loi de Fourier : ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… Activité 2 : Exprimer la puissance thermique qui traverse la plaque en fonction de (,e,S,Te,Ts) avec : Page 2:4

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-  : conductivité thermique (Wm-1k-1) - e : épaisseur de la plaque (m) - S : surface de la plaque (m-2) - Te : température d’entrée de la plaque (K) - Ts : température de sortie de la plaque (K) ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………

Activité 3 : Déterminez l’expression de la conductivité thermique du matériau . ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………

Partie 2- Exploitation des résultats Activité 4 : Calculez l’écart thermique sur la plaque pour chaque point de mesure (ΔT = Ts – Te) Activité 5 : Calculez la puissance consommée pour chaque point à partir de l’équation suivante :

P

 Pmax 100

Avec : Pmax = 14,5 W Activité 6 : En déduire la valeur de  pour chaque point de mesure. On donne : S : surface de la plaque (0,0625 m2) e : épaisseur de la plaque (6.10-3 m)

Température superficielle Ts

°C

30

40

50

60

70

Température externe Te

°C

26.9

31.9

37.4

42.7

49.5

ΔT = Ts – Te

°C

% Puissance consommée α

%

10.9

24.9

37.2

43.8

56.5

Puissance consommée P

W

Conductivité thermique λ

W/m.K

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Activité 7 : Est-ce que la valeur de la conductivité varie avec la température ? La conductivité varie peut avec la température

Activité 8 : Comparer vos valeurs avec la valeur donnée par le fabricant à 50°C qui est de 0,56 W/m.K. Sont-elles en accord ? Les résultats sont en accords mais l’on constate un petit écart lié à la chaine de mesure expérimentale.

Partie 3- Exploitation pédagogique Objectif : Concevoir et organiser le plan d'une séquence de formation pour un objectif pédagogique donné et un niveau de classe donné. La séquence pédagogique prend appui sur les investigations et les analyses effectuées au préalable par le candidat au cours des activités pratiques. Niveau et situation de l’exploitation pédagogique : Activité pédagogique : Cours ou TP Classe: BTS ESA Niveau : à définir Situation dans l’année : à définir. Contenu du programme sollicité : Transfert thermique

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