Facteurs affectant le transfert de chaleur 

Etude expérimentale

1. Objectif de l’expérience

L’objectif de ce travail est d’étudier les paramètres qui affectent sur le transfert de chaleur. Où on fait des essais sur des tubes plains horizontaux de différentes matières (cuivre, laiton et aluminium), utilisant l’appareil de mesure de conduction et convection ( Wl 430 Heat conduction and convection).

Ainsi, on aurait pu réaliser des relevés de températures et en déduire les paramètres voulus.

2.  Présentation de matériel

Le WL 430 permet de réaliser des essais de base sur les deux formes du transfert de chaleur: conduction thermique et convection.

Différentes tubes de métal constituent le point focal de l´appareil. Une des éprouvettes est posée sur un dispositif de chauffage et chauffée sur un côté. La chaleur est guidée à travers le tube avant d´être dégagée vers l´environnement.

Cinq capteurs de température (des thermocouples) sont installés tous les 2.5 cm (pour les courtes tubes), ou tous les 3.8 cm (pour les longs tubes).

Les points d'entrée des capteurs thermiques sont fermés avec de la pâte thermique pour éliminer toute fuite thermique.

On trouve également six ventilateurs sur la face inférieure de l´éprouvette. Pour influencer le transfert de chaleur convectif, le débit d´air des ventilateurs est réglable en continu.

Il est ainsi possible, en plus de l’essai avec de l’air au repos (convection libre), de réaliser des essais avec de l’air en écoulement (convection forcée).

La puissance de chauffe et la vitesse de l´écoulement d´ air sont ajustées et affichées par l´intermédiaire du logiciel.

3.Convection naturelle (libre)

3.1. Effet de k sur la variation de T

Dans notre premier essai on prendra des échantillons de trois matériaux différents (cuivre, aluminium et laiton), mais avec la même longueur et le même % de T0 (T℅), le tableau suivant contient les valeurs obtenu.

Avec : X est la distance entre les thermocouples

La conductivité thermique dépend de la nature du corps considéré et dépend généralement de la température.

D’après les résultats obtenus on peut dire que plus la conductivité thermique est élevée, plus le matériau laisse passer la chaleur. A l’inverse, plus la conductivité est faible, plus le matériau est isolant.

Les 03 échantillons sont conducteurs, seulement le cuivre et l’aluminium sont plus efficaces que laiton pour transmettre la chaleur. C'est au niveau de la structure microscopique du matériau que tout se joue et notamment sur la mobilité des électrons.

La conductivité thermique des métaux provient du fait que leurs électrons externes sont délocalisés, le mouvement des électrons libres qui, sans se déplacer de manière macroscopique, assurent une très bonne conduction.

3.2. Effet de la longueur sur la variation de T

Dans cet essai on a choisie deux éprouvettes de même matière mais, avec une différence de longueur de 6,5 cm, les relevés des températures sont présenter dans le tableau ci-après.

Les résultats montrent clairement que même si on a le même matériau, la longueur affecte sur la transmission de chaleur. Plus l'échantillon est long, plus sa température est basse.

On doit tenir compte du fait que cette expérience n'était que de 3,6 cm de différence entre les deux échantillons. Donc, ce paramètre peut causer des difficultés de transfert de chaleur dans les industries qui utilise par exemple des ailettes plus longues.

3.3. Effet de gradient de température sur la distribution de T

Pour étudier l’effet du gradient de température sur T, on doit changer le % de T0 (T%) pour le même matériau, dans notre cas on a choisi le cuivre. On commence par T%=35%, T%=40 et à la fin T%=45%.

Avec : Pour le cuivre de l’essai 01, on a T%=35%.

 Pour le cuivre de l’essai 02, on a T%=40%.

 Pour le cuivre de l’essai 03, on a T%=45%.

Chaque fois qu’on augmente la valeur de T%, la température des tubes augmente. Le cuivre 3 est le plus chaud parmi les trois échantillons précédents, Comme sa valeur de T% est élevée.

Et à partir de là, la valeur initiale que on a définie pour T% joue un rôle principal sur la valeur de températures distribué sur les tubes.

4. Convection forcée

4.1. Effet de k sur la variation de T

Pour étudie l’effet de conductivité thermique de trois matériaux défirent sous une convection forcée, on a fixé la vitesse du fluide (air) v∞ = 2 m/s et le % de T0 (T%= 40%).

Les courbes montrent que même si on est dans un état de transfert thermique par convection forcée, l'échantillon ayant la conductivité thermique la plus élevée est toujours l'échantillon le plus chaud. Alors, le cuivre reste encore plus conducteur que le laiton et l'aluminium.

4.2. Effet de vitesse du fluide v∞ sur T

Dans ce test, on va modifier la vitesse du fluide (air) pour voir si et comment cela affecte le transfert de chaleur de notre échantillon (cuivre) .

On a pris la valeur de T% constant et égal à 40.

On a choisi aussi de nommer le cuivre de chaque essai comme suivant :

 Cuivre 1 pour l’essai 1 : v∞= 2 (m/s)

 Cuivre 2 pour l’essai 2 : v∞= 2.5 (m/s)

 Cuivre 3 pour l’essai 3 : v∞= 3 (m/s)

D’après les résultats, on peut constater que la vitesse du fluide empêche la propagation de la chaleur dans le tube, bien que la conductivité thermique de cuivre soit élevée.

4.3. L’effet de variation de v∞ sur h

Cette fois-ci, on choisit un seul tube (cuivre) et on fait varier les vitesses pour ce même matériau. On note les valeurs de h (coefficient de convection) ensuit, on doit tracer la courbe h=f(v∞) .

Les résultats du tableau précédent nous montrent que les valeurs de h diminuent avec le temps (à mesure que la température diminue).

En l’absence de convection naturelle, le coefficient de convection thermique h est indépendant de la différence de température de la paroi et du fluide, mais il dépend de la vitesse du fluide (v∞).

Chaque fois que la vitesse du fluide augmente, la valeur de h augmente également.

5. Conclusion

Plusieurs facteurs influencent la propagation de la chaleur, dont, selon notre étude, on a la conductivité thermique, la longueur d’échantillon, la valeur de T% et la vitesse de fluide.

Le transfert de chaleur par convection est complexe, car il résulte de la superposition de deux phénomènes :

- conduction entre les particules de fluides qui se rencontrent.

- mélange de ces particules par suite du mouvement d’ensemble du fluide. Si ce mouvement n’est provoqué que par les différences de températures (donc de densité), la convection est naturelle. Si ce mouvement résulte d’une action mécanique (pompe, ventilateur, mise en pression, etc...), la convection est 

forcée.

Conclusion générale

On a présenté dans ce travail une étude traitant les paramètres qui affectent sur le transfert de chaleur. Ce travail est composé de deux chapitres, le premier chapitre est consacré aux les modes de transfert de chaleur. 

On a montré au cours de cette partie comment la chaleur peut se propage par conduction, rayonnement et convection.

La deuxième partie du travail a été consacrée à l’étude expérimentale sur des tubes plains, pour voir les facteurs qui affectent sur le transfert de chaleur. 

A travers ces études, on a trouvé : la conductivité thermique qui change d’un matériau à l’autre, la longueur d’échantillon, la valeur initiale de % de T0 et la vitesse de fluide dans la convection forcée.