TP Convection Naturelle Et Forcée [PDF]

Zitiervorschau

Département Génie mécanique Licence énergétique Module: TP Transfert de Chaleur

TP N°1: Transfert de chaleur par convection libre et forcée

1. Introduction la convection est un mode de transfert de chaleur qui se produit le plus souvent entre un fluide en mouvement et une paroi solide. On distingue deux types de convection: 1. Convection libre (naturelle); où le mouvement de fluide est causé par un champs de force intérieur (gravité, gradient de densité, gradient de température… etc.); 2. Convection forcée; où le fluide est mis en mouvement par l'action d'un champs de force externe (pompe ou ventilateur… etc.).

Figure 1: Appareil WL352. 1. Capteur de température, 2. Conduit d'air, 3. Thermocouple type K, 4. Appareil d'affichage et de commande, 5. Elément chauffant "plaque", 6. Elément chauffant "ailettes", 7. Capteur d'écoulement, 8.Elément chauffant "faisceau tubulaire", 9. Raccord de mesure pour thermocouple.

2. Objectif de TP: Pour les deux cas; convection naturelle et forcée: 1. Calcul de flux de chaleur échangé; 2. Calcul de coefficient d'échange convectif (h); 3. Calcul de l'efficacité de l'appareil.

L'élément principal de l'appareil d’essai WL 352 est une conduite disposée à la verticale, dans laquelle est utilisé un élément chauffant. L'air passe devant l'élément chauffant où il absorbe de la chaleur. Trois éléments chauffants présentant une surface différente sont disponibles: une plaque plane, un faisceau tubulaire ou des ailettes. Des capteurs enregistrent la vitesse d'écoulement, la puissance de chauffe et les températures à tous les points. Les valeurs mesurées peuvent être lues sur des affichages numériques.

3. Description de l'appareil WL 352 L'appareil WL352 (Figure 1) est destiné à la réalisation de TP de la transmission de la chaleur par convection; libre et forcée dans un écoulement d'air.

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TP N°1: Transfert de chaleur par convection libre et forcée 4. Réalisation de l'essai

𝜑 = ℎ 𝑆 (𝑇𝑝 − 𝑇𝑓 )

1. Fixer l'élément chauffant choisi (source de chaleur);

𝜑: Flux de chaleur échangé (W); ℎ : Coefficient d'échange convectif (W/m²°C);

2. Activer l'amplificateur de mesure;

𝑆 : Surface d'échange (m²);

3. Activer l'interrupteur de puissance électrique et choisissez une puissance pour chauffer la source de chaleur;

𝑇𝑝 : Température de la paroi solide (°C); 𝑇𝑓 : Température du fluide (°C).

4. Patientez (20 à 30 minutes) pour que l'air à l'intérieur de la conduite s'échauffe;

La thermodynamique affirme que l'énergie absorbée par l'air froid égale au flux de chaleur échangé par convection:

5. Noter T0 la température auprès la source de chaleur mesurée par le thermocouple;

𝜑 = 𝑚̇ 𝐶𝑝 Δ𝑇

6. Enregistrez les valeurs qui s'affichent sur l'amplificateur de mesure telles que:    

𝐶𝑝 : Chaleur spécifique de l'air (J/kg°C); 𝑚̇ : Débit massique de l'air (kg/s).

P (puissance électrique) 𝑣 (vitesse de l'air) T1 (température de l'air à l'entrée de la conduite) T2 (température de l'aire à la sortie de la conduite)

𝑚̇ = 𝑣 𝐴 𝜌 𝑣 : Vitesse de l'air (m/s); 𝐴 : Section de passage de l'air (m²);

Remarque:

𝜌 : Masse volumique de l'air (kg/m3);

Pour les essais avec convection forcée, on suit les mêmes étapes plus l'ajout d'un agent extérieur (ventilateur), et on choisi une vitesse pour le circulation de l'air.

Δ𝑇: Différence de température (°C). Δ𝑇 = 𝑇2 − 𝑇1 Pour calculer la masse volumique et la chaleur spécifique, il est impératif de se référer au tableau en annexe. On choisi la valeur de 𝜌 (et de 𝐶𝑝 ) qui corresponde à la température moyenne de l'air

5. Travail demandé 5. 1. Calcul de flux échangé par convection: Dans le cas de transfert de chaleur entre un solide et un fluide en mouvement, la puissance transférée par convection est donnée par la relation suivante (Loi de Newton):

𝑇′ =

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𝑇1 + 𝑇2 2

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TP N°1: Transfert de chaleur par convection libre et forcée 5.2. Calcul de coefficient d'échange convectif:

Application :

Le flux étant déjà calculé, il nous reste de calculer la différence de température (𝑇𝑝 − 𝑇𝑓 ). Dans ce cas la différence entre l'air chaud et l'air froid n'est pas constante, pour cela on introduit 𝑇𝑚 la Moyenne Logarithmique de Différences de Température aux deux extrémités de la conduite, on obtient:

Tableau récapitulatif des résultats de calculs Convection naturelle Plaque Faisceau Ailettes plane tubulaire P (W) 𝑇1 (°C) 𝑇2 (°C) 𝑇0 (°C) 𝑣 (m/s) 𝑇 ′ (°C) 𝜌 (kg/m3) 𝐶𝑝 (J/kg°C) 𝑚̇ (kg/s) 𝜑 (W) ℎ (W/m²°C)

𝜑 = ℎ 𝑆 (𝑇𝑝 − 𝑇𝑓 ) = ℎ 𝑆 𝑇𝑚 avec: 𝑇𝑚 =

(𝑇0 − 𝑇1 ) − (𝑇0 − 𝑇2 ) (𝑇 − 𝑇1 ) ln 0 (𝑇0 − 𝑇2 )

Convection forcée Plaque Faisceau Ailettes plane tubulaire

5.3. Calcul de l'efficacité de l'appareil: L'efficacité de l'appareil est le rapport entre la valeur énergétique produite (calculée) et la valeur énergétique consommée (électrique) dans un processus. Un rendement énergétique est compris entre 0 et 1 (100%). 𝜂=

P (W) 𝑇1 (°C) 𝑇2 (°C) 𝑇0 (°C) 𝑣 (m/s) 𝑇 ′ (°C) 𝜌 (kg/m3) 𝐶𝑝 (J/kg°C) 𝑚̇ (kg/s) 𝜑 (W) ℎ (W/m²°C)

𝜑𝑐𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙é 𝜑é𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑞𝑢𝑒

Caractéristiques de l'appareil WL352 : La section d'écoulement: 120x120mm

Faite une comparaison entre les trois Sources de chaleur

Les surfaces d'échange de chaque élément chauffant sont :   

Plaque plane: 0.014 m² Faisceau tubulaire: 0.098 m² Ailettes: 0.14 m²

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