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Transfert De Chaleur Par Convection Forcée

Force

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1
Université ZIANE ACHOUR de DJELFA
Faculté des Sciences et Technologie
Département : Génie Mécanique
Module : TP TRANSFERT THERMIQUE
Niveau : 3ème
année licence Energétique (S5)
TP N°01 :
Transfert De Chaleur Par Convection
Forcée
Dr. Laouid. Y
Fait par les Etudiants :
❖ OUANEZAR IBRAHIM (M :181839023944)
❖ Ali KASMI (M :191939021467)
Année universitaire : 2021/2022
2
Contents
I) INTRODUCTION ..............................................................................................................................................3
II) OBJECTIFS DU TP...........................................................................................................................................4
III) Principe : .............................................................................................................................................................4
IV) PARTIE 1 : RAPPELS THÉORIQUES...........................................................................................................5
1. Introduction ........................................................................................................................................................5
Le phénomène de convection : ..............................................................................................................................6
Description de l'appareil........................................................................................................................................7
APPAREIL D'ÉTUDE DE LA CONVECTION LIBRE ET FORCÉE ...........................................................................7
V) PARTIE 2 : Expérimentale................................................................................................................................9
1. Remplir le tableau des valeurs mesurées :.........................................................................................................9
2. Vérifier par calcul les grandeurs de transfert de chaleur................................................................................10
3. Tracer la différence de température AT en fonction de la puissance électrique Pet. Commenter. ............10
4. Tracer le nombre de Nusselt en fonction de la puissance électrique P. Commenter..................................11
II) CONCLUSION ................................................................................................................................................11
3
I) INTRODUCTION
On distingue conventionnellement trois modes de transmission de la chaleur : la conduction, la convection
et le rayonnement. Le transfert de chaleur par convection est l'un des modes de transfert de chaleur que l'on
rencontre fréquemment dans de nombreuses applications industrielles. Ondistingue trois modes de transfert
de chaleur par convection : la convection naturelle (ou la convection libre), la convection forcée et la
convection mixte.
Lorsque le transfert de chaleur s’accompagne d’un transfert de masse, il est appelé transfert par convection.
Ce mode d’échange de chaleur existe au sein des milieux fluides ou lorsqu’un fluide circule autour d’un
solide, permet de déterminer les échanges de chaleur se produisant entre un fluide et une paroi, la quantité
de chaleur échangé dépend de la différence de température entre la paroi et le fluide, la vitesse du fluide,
sa capacité thermique massique …
Selon le mécanisme qui génère le mouvement du fluide, on distingue :
La convection naturelle (libre) : Le fluide est mis en mouvement sous le seul effet :
- Des différences de masses volumiques résultant des différences de températures sur les frontières ou la
particule chaude se met en mouvement et assure directement le transfert de la chaleur vers le milieu le plus
froid. - D’un champ de forces extérieures (la pesanteur).
La convection forcée : Le mouvement du fluide est induit par une cause indépendante des différences de
température (pompe, ventilateur...)
On tient en considération que pour un écoulement à une température T∞ autour d'une structure à une
température uniforme TS de surface S, l'expression du flux de chaleur en convection est la suivante :
Où h est le coefficient de transfert thermique.
4
II) OBJECTIFS DU TP
Etudier le transfert de chaleur par convection forcée et déterminer le coefficient d’échange en
utilisant l’appareil TD 1005.
III) Principe :
Lorsque le transfert de chaleur s’accompagne d’un transfert de masse, il est appelé transfert
par convection. Ce mode d’échange de chaleur existe au sein des milieux fluides ou lorsqu’un
fluide circule autour d’un solide, permet de déterminer les échanges de chaleur se produisant
entre un fluide et une paroi, la quantité de chaleur échangé dépend de la différence
température entre la paroi et le fluide, la vitesse du fluide, son capacité thermique massique
….
Selon le mécanisme qui génère le mouvement du fluide, on distingue :
La convection naturelle (libre) : Le fluide est mis en mouvement sous le seul effet :
- Des différences de masses volumiques résultant des différences de températures sur les
frontières où la particule chaude se met en mouvement et assure directement le transfert de la
chaleur vers le milieu le plus froid.
-D’un champ de forces extérieures (la pesanteur).
La convection forcée : le mouvement du fluide est induit par une cause indépendante des
différences de température (pompe, ventilateur.)
5
IV)PARTIE 1 : RAPPELS THÉORIQUES
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 s’applique plus particulièrement aux solides, mais concerne aussi les
fluides au repos.
Il correspond à une propagation de la chaleur de proche en proche au sein de la matière, le passage de la
chaleur se faisant par contact entre particules (atomes ou molécules) voisines. La matière se comporte
véritablement 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 l’échange de chaleur entre le fluide et une paroi et facilite la diffusion de la chaleur
au sein de l’ensemble du fluide grâce à l’agitation produite.
Dans la transmission de chaleur par convection, le fluide se comporte comme un véhicule de la chaleur.
La convection est dite naturelle ou libre lorsque le mouvement du fluide est créé par les différences de
masse volumique existant au sein du fluide du fait des différences de températures. Lorsque le mouvement
est communiqué par une machine agitatrice, pompe, compresseur ou ventilateur, la convection est dite
forcée.
• Le rayonnement
La transmission de chaleur par rayonnement correspond au transport d’énergie thermique sous forme
d’ondes électromagnétiques analogues à celle de la lumière.
En effet, tout corps, même placé dans le vide, émet de l’énergie thermique sous forme d’un rayonnement
qui est véhiculé sans support matériel. Cette émission est d’autant plus importante que la température du
corps émetteur est élevée. Elle n’est cependant notable qu’à partir de 700 à 800°C. Dans le cas du soleil,
dont la température superficielle est de l’ordre de 6000°C, l’émission thermique est particulièrement
importante.
Parallèlement,
6
Le phénomène de convection :
La convection est un des trois modes de transfert de chaleur avec la conduction et le rayonnement. Le
terme de convection fait référence aux transferts
de chaleur se produisant entre une surface et un
fluide en mouvement lorsque ceux-ci sont à des
températures différentes. En plus du transfert
d'énergie dû à la diffusion, il y a également
transfert par le biais du mouvement du fluide. Ce
dernier est associé au fait que de multiples
molécules ont un mouvement collectif, ce qui
implique un transfert de chaleur dans le cas où il
existe un gradient thermique. La contribution
due au mouvement aléatoire des molécules, la
diffusion, domine près de la surface où la vitesse
du fluide est faible. En effet, à l'interface entre la surface et le fluide, étant donné que la vitesse du
fluide est nulle, le seul mode de transfert est la diffusion. La contribution due au mouvement du fluide
tient son origine du fait que la couche limite croît au fur et à mesure de l'avancée du fluide sur la
surface.
Le transfert thermique par convection est divisé en deux parties suivant la nature de l'écoulement :
La convection est un transfert de chaleur dans un milieu matériel avec mouvement de matière. Ce mode de
transfert ne concerne donc que les fluides ou les échanges entre un solide et un fluide.
Dans le cas d'un transfert entre un solide et un fluide, la puissance transférée par convection est donnée par
la relation suivante :
Tp : la température de la paroi du solide ;
Tf : la Température du fluide loin de la paroi ;
h : le coefficient d'échange de surface. Sa détermination fait intervenir des relations de corrélations entre
des nombres sans dimension, déterminés à partir des propriétés thermo physiques du fluide.

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Transfert De Chaleur Par Convection Forcée

  • 1. 1 Université ZIANE ACHOUR de DJELFA Faculté des Sciences et Technologie Département : Génie Mécanique Module : TP TRANSFERT THERMIQUE Niveau : 3ème année licence Energétique (S5) TP N°01 : Transfert De Chaleur Par Convection Forcée Dr. Laouid. Y Fait par les Etudiants : ❖ OUANEZAR IBRAHIM (M :181839023944) ❖ Ali KASMI (M :191939021467) Année universitaire : 2021/2022
  • 2. 2 Contents I) INTRODUCTION ..............................................................................................................................................3 II) OBJECTIFS DU TP...........................................................................................................................................4 III) Principe : .............................................................................................................................................................4 IV) PARTIE 1 : RAPPELS THÉORIQUES...........................................................................................................5 1. Introduction ........................................................................................................................................................5 Le phénomène de convection : ..............................................................................................................................6 Description de l'appareil........................................................................................................................................7 APPAREIL D'ÉTUDE DE LA CONVECTION LIBRE ET FORCÉE ...........................................................................7 V) PARTIE 2 : Expérimentale................................................................................................................................9 1. Remplir le tableau des valeurs mesurées :.........................................................................................................9 2. Vérifier par calcul les grandeurs de transfert de chaleur................................................................................10 3. Tracer la différence de température AT en fonction de la puissance électrique Pet. Commenter. ............10 4. Tracer le nombre de Nusselt en fonction de la puissance électrique P. Commenter..................................11 II) CONCLUSION ................................................................................................................................................11
  • 3. 3 I) INTRODUCTION On distingue conventionnellement trois modes de transmission de la chaleur : la conduction, la convection et le rayonnement. Le transfert de chaleur par convection est l'un des modes de transfert de chaleur que l'on rencontre fréquemment dans de nombreuses applications industrielles. Ondistingue trois modes de transfert de chaleur par convection : la convection naturelle (ou la convection libre), la convection forcée et la convection mixte. Lorsque le transfert de chaleur s’accompagne d’un transfert de masse, il est appelé transfert par convection. Ce mode d’échange de chaleur existe au sein des milieux fluides ou lorsqu’un fluide circule autour d’un solide, permet de déterminer les échanges de chaleur se produisant entre un fluide et une paroi, la quantité de chaleur échangé dépend de la différence de température entre la paroi et le fluide, la vitesse du fluide, sa capacité thermique massique … Selon le mécanisme qui génère le mouvement du fluide, on distingue : La convection naturelle (libre) : Le fluide est mis en mouvement sous le seul effet : - Des différences de masses volumiques résultant des différences de températures sur les frontières ou la particule chaude se met en mouvement et assure directement le transfert de la chaleur vers le milieu le plus froid. - D’un champ de forces extérieures (la pesanteur). La convection forcée : Le mouvement du fluide est induit par une cause indépendante des différences de température (pompe, ventilateur...) On tient en considération que pour un écoulement à une température T∞ autour d'une structure à une température uniforme TS de surface S, l'expression du flux de chaleur en convection est la suivante : Où h est le coefficient de transfert thermique.
  • 4. 4 II) OBJECTIFS DU TP Etudier le transfert de chaleur par convection forcée et déterminer le coefficient d’échange en utilisant l’appareil TD 1005. III) Principe : Lorsque le transfert de chaleur s’accompagne d’un transfert de masse, il est appelé transfert par convection. Ce mode d’échange de chaleur existe au sein des milieux fluides ou lorsqu’un fluide circule autour d’un solide, permet de déterminer les échanges de chaleur se produisant entre un fluide et une paroi, la quantité de chaleur échangé dépend de la différence température entre la paroi et le fluide, la vitesse du fluide, son capacité thermique massique …. Selon le mécanisme qui génère le mouvement du fluide, on distingue : La convection naturelle (libre) : Le fluide est mis en mouvement sous le seul effet : - Des différences de masses volumiques résultant des différences de températures sur les frontières où la particule chaude se met en mouvement et assure directement le transfert de la chaleur vers le milieu le plus froid. -D’un champ de forces extérieures (la pesanteur). La convection forcée : le mouvement du fluide est induit par une cause indépendante des différences de température (pompe, ventilateur.)
  • 5. 5 IV)PARTIE 1 : RAPPELS THÉORIQUES 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 s’applique plus particulièrement aux solides, mais concerne aussi les fluides au repos. Il correspond à une propagation de la chaleur de proche en proche au sein de la matière, le passage de la chaleur se faisant par contact entre particules (atomes ou molécules) voisines. La matière se comporte véritablement 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 l’échange de chaleur entre le fluide et une paroi et facilite la diffusion de la chaleur au sein de l’ensemble du fluide grâce à l’agitation produite. Dans la transmission de chaleur par convection, le fluide se comporte comme un véhicule de la chaleur. La convection est dite naturelle ou libre lorsque le mouvement du fluide est créé par les différences de masse volumique existant au sein du fluide du fait des différences de températures. Lorsque le mouvement est communiqué par une machine agitatrice, pompe, compresseur ou ventilateur, la convection est dite forcée. • Le rayonnement La transmission de chaleur par rayonnement correspond au transport d’énergie thermique sous forme d’ondes électromagnétiques analogues à celle de la lumière. En effet, tout corps, même placé dans le vide, émet de l’énergie thermique sous forme d’un rayonnement qui est véhiculé sans support matériel. Cette émission est d’autant plus importante que la température du corps émetteur est élevée. Elle n’est cependant notable qu’à partir de 700 à 800°C. Dans le cas du soleil, dont la température superficielle est de l’ordre de 6000°C, l’émission thermique est particulièrement importante. Parallèlement,
  • 6. 6 Le phénomène de convection : La convection est un des trois modes de transfert de chaleur avec la conduction et le rayonnement. Le terme de convection fait référence aux transferts de chaleur se produisant entre une surface et un fluide en mouvement lorsque ceux-ci sont à des températures différentes. En plus du transfert d'énergie dû à la diffusion, il y a également transfert par le biais du mouvement du fluide. Ce dernier est associé au fait que de multiples molécules ont un mouvement collectif, ce qui implique un transfert de chaleur dans le cas où il existe un gradient thermique. La contribution due au mouvement aléatoire des molécules, la diffusion, domine près de la surface où la vitesse du fluide est faible. En effet, à l'interface entre la surface et le fluide, étant donné que la vitesse du fluide est nulle, le seul mode de transfert est la diffusion. La contribution due au mouvement du fluide tient son origine du fait que la couche limite croît au fur et à mesure de l'avancée du fluide sur la surface. Le transfert thermique par convection est divisé en deux parties suivant la nature de l'écoulement : La convection est un transfert de chaleur dans un milieu matériel avec mouvement de matière. Ce mode de transfert ne concerne donc que les fluides ou les échanges entre un solide et un fluide. Dans le cas d'un transfert entre un solide et un fluide, la puissance transférée par convection est donnée par la relation suivante : Tp : la température de la paroi du solide ; Tf : la Température du fluide loin de la paroi ; h : le coefficient d'échange de surface. Sa détermination fait intervenir des relations de corrélations entre des nombres sans dimension, déterminés à partir des propriétés thermo physiques du fluide.
  • 7. 7 On distingue deux types de convection : Ø La convection libre (ou naturelle) dans laquelle les mouvements du fluide sont dus aux variations de masse volumique, Ø La convection forcée dans laquelle les mouvements du fluide sont imposés par une pompe ou un ventilateur. Description de l'appareil Appareil pédagogique d'étude de la convection libre et forcée permettant d'étudier la convection libre et forcée d'une plaque plate, d'une plaque plane, d'une plaque équipée d'ailettes et d'une plaque équipée de tubes. APPAREIL D'ÉTUDE DE LA CONVECTION LIBRE ET FORCÉE Le banc devra permettre les exploitations suivantes: - Comparaison de la convection libre et forcée pour différentes surfaces d'échange thermique - Comparaison de la convection libre à partir de surfaces verticale et horizontale (ailettes) - Comparaison du rendement des surfaces de transfert de chaleur - Comparaison du coefficient de transfert de chaleur et du nombre de Nusselt pour la convection libre et forcée - Distribution de la température le long des surfaces tubulaires et à ailettes Spécifications techniques requises: - Une conduite verticale dans lequel les différentes plaques proposées peuvent être insérées. - Un ventilateur à vitesse variable - Deux thermocouples en amont et en aval de la plaque dans la conduite - Une plaque plane avec système de chauffage intégré et un thermocouple de surface - Une plaque plane avec faisceau d'ailettes avec système de chauffage intégré et un thermocouple de surface - Une plaque plane avec faisceau de tubes avec système de chauffage intégré et un thermocouple de surface - La sonde de températuresituée en bas de la conduite se déplacera dans un système de traversé de paroi pour mesurer la distribution de température au travers de la section de la conduite. - Une sonde supplémentaire permettra aux étudiants de mesurer la répartition de température le long d'une ailette ou le long d'un tube des échangeurs. - Un anémomètre pour la mesure de la vitesse de l'air
  • 8. 8 - Deux boutons de contrôle pour faire varier la vitesse de l'air et la puissance fournie à la plaque - Un afficheur numérique permettant de visualiser la puissance fournie, la vitesse de l'air et les températures mesurées par les thermocouples. - Un panneau de commande et de mesure Fournisant l'alimentation en puissance et l'affichage des mesures des différents capteurs - Dimensions: env 850 x 550 x 1200 mm
  • 9. 9 V) PARTIE 2 : Expérimentale (Donnés) : 1. Remplir le tableau des valeurs mesurées : On obtient les valeurs qui sont citées dans le tableau : LA SURFACE AVEC DES AILETTES Puissance (W) T4 T1 10,000 36,900 20,800 20,000 53,200 21,000 30,000 67,600 21,000 40,000 82,900 20,800 LA SURFACE AVEC FAISCEAU TUBULAIRE Puissance (W) Q T4 T1 10,000 33,400 23,700 20,000 43,600 23,900 30,000 52,500 24,000 40,000 61,400 23,400 Densité de flux de chaleur q= Q/S L= 0,106 Surface de la paroi en contact avec le fluide globale (en m²). AILETTES S1= 0,092 Coefficient de transfert de chaleur H= Q/(S*t) Nombre de Nusselt Nu= h*l/l La résistance thermique R= 1/h*S Surface de la paroi en contact avec le fluide globale (en m²). FAISCEAU TUBULAIRE s2= 0,027 m2 L= 0,023
  • 10. 10 2. Vérifier par calcul les grandeurs de transfert de chaleur LA SURFACE AVEC DES AILETTES Puissance (W) T4 T1 h q R Nu ∆T 10,000 36,900 20,800 6,751 108,696 1,610 31,115 16,100 20,000 53,200 21,000 6,751 217,391 1,610 31,115 32,200 30,000 67,600 21,000 6,998 326,087 1,553 32,250 46,600 40,000 82,900 20,800 7,001 434,783 1,553 32,267 62,100 LA SURFACE AVEC FAISCEAU TUBULAIRE Puissance (W) Q T4 T1 h q R Nu ∆T 10,000 33,400 23,700 38,183 370,370 0,970 175,972 9,700 20,000 43,600 23,900 37,601 740,741 0,985 173,292 19,700 30,000 52,500 24,000 38,986 1111,111 0,950 179,676 28,500 40,000 61,400 23,400 38,986 1481,481 0,950 179,676 38,000 3. Tracer la différence de température AT en fonction de la puissance électrique Pet. Commenter. 10 15 20 25 30 35 40 10 20 30 40 50 60 70 16,1 32,2 46,6 62,1 9,7 19,7 28,5 38 ∆T Puissance (W) LA SURFACE AVEC DES AILETTES LA SURFACE AVEC FAISCEAU TUBULAIRE A partir du graphe on remarque l’augmentation du (T) en fonction du puissance , donc relation proportionnelle entre les 2. On Remarque : la convection forcée, c’est on a fait la courbe du convection forcée l’augmentation de FAISCEAU TUBULAIRE sera inférieur à celle DES AILETTES parce que la surface de contact inférieur.
  • 11. 11 4. Tracer le nombre de Nusselt en fonction de la puissance électrique P. Commenter. 10 15 20 25 30 35 40 -100 -50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 31,115 31,115 32,250 32,267 175,972 173,292 179,676 179,676 Nu Puissance (W) Nu:LA SURFACE AVEC DES AILETTES Nu:LA SURFACE AVEC FAISCEAU TUBULAIRE A partir des courbes, la variation de (Nu) en fonction de (Puissance) est une variation linéaire, l’équation de la courbe est de la forme Nu=f(X) telle qu’est la pente de la droite. II) CONCLUSION Ce TP nous a permis de Démontrer que N’importe quel transfert de chaleur nécessite un gradient de température. Le coefficient de transfert de chaleur par convection dépend de : La nature du fluide et de la surface traversée. De la quantité de chaleur traversée, leur augmentation donne une augmentation à ce coefficient