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Transfert Thermique

/Convection Naturelle TP 02

Détermination du Coefficient de Transfert Thermique par Convection Naturelle I-But du TP Le but du présent TP est la détermination du coefficient de transfert thermique par convection naturelle expérimentalement et le comparé par la suite avec ceux proposés dans la littérature.

II-Déception du dispositif expérimental Le dispositif expérimental permettant d’atteindre le but fixé, objet du TP, est schématisé sur la figure 1.

Figure 1 : Schéma de principe du dispositif expérimental

Deux tubes coaxiaux en cuivre sont utilisés (Tub1 et Tub2), ils sont reliés à leurs extrémités latérales par deux rondelles afin d’obtenir une précise co-axialité. Le flux de chaleur imposé à la surface du tube intérieur est assuré par une résistance chauffante (métallique) reliée à un autotransformateur (AL) permettant la variation de la tension électrique aux bornes de la résistance et par conséquent la variation du flux de chaleur. Afin d’évaluer l’énergie électrique consommé par la résistance, un voltmètre(V) et un ampèremètre(A) sont placés respectivement en parallèle et en série. Les températures à la surface du tube extérieur sont mesurées à l’aide de thermocouples (Thermo1, Thermo2, Thermo3), placés au niveau de cinq positions équidistantes.

1

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III-Détermination du coefficient «h» par les corrélations disponibles dans la Littérature. Dans le cas d’un cylindre horizontal, il est bien entendu que la relation qui lie le nombre de Nusselt au coefficient du transfert convectif s’écrit comme suit : (1) Et qui conduit à :

(2) Connaissant la conductivité thermique de l’air et le diamètre du cylindre, il suffit d’évaluer le nombre de Nusselt pour la détermination du coefficient de transfert convectif naturel.

 Détermination du nombre de Nusselt Dans le cas d’un cylindre horizontal et un flux de chaleur imposé la corrélation suivante peut être adoptée : (

)

(3)

Avec : Pr = 0.7 et g=9.81 m/s², β=1/T(K), ν=1.57 10-5 m²/s,

f =0.0262

W/mK , D=4 cm et L=1m.

IV- Détermination du coefficient «h» par la présente expérimentation Les démarches suivantes doivent être suivies : 1- Alimenter la résistance par un courant alternatif 2- A l’aide de l’autotransformateur, mettre la résistance sous une tension donnée. 3- Attendre jusqu'à atteindre le régime permanant (il faut environs 45 à 60 minutes pour obtenir la stabilisation den la température) 4- Relever les mesures recherchées à savoir : les trois températures de la paroi, la température ambiante, la tension aux bornes de la résistance et l’intensité du courant électrique. 5- Procéder au calcul du coefficient «h» de la manière suivante : Le flux de chaleur traversant le tube extérieur est celui généré par la résistance : (4) Et par conséquent :

(5) 2

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D’autre part le flux de chaleur global échangé s’obtient par la superposition des deux flux, celui de la convection naturelle et celui du rayonnement, on obtient :

(6) (

Avec :

) et

(

)

A partir de (6) le coefficient h se déduit directement :

(

)

La connaissance du flux de chaleur, des températures du tube extérieur, de ses dimensions et de son émissivité suffisent pour la détermination du coefficient « h ». L’évaluation de ces dernières grandeurs ce fait de la manière suivante : A. Evaluation du flux de chaleur : tel que mentionné précédemment le flux global de Chaleur échangé à celui généré par la résistance. En calibrant soigneusement le voltmètre et l’ampèremètre, la tension et l’intensité du courant électrique s’obtiennent respectivement par les relations (8) et (9):

(8)

(9)

B. Evaluation des températures : Il est pris en compte la température moyenne obtenue à partir des cinq thermocouples. On a : ∑ (

(10)

)

En utilisant la formule (10) remplir le tableau 1: Themo n°

1

2

3

4

5

moyenne

Essai n°1 Essai n°2 Essai n°3 Essai n°4

Tableau 1 : Températures moyennes  A l’aide des relations (4), (5), (8) et (9) déterminer le flux de chaleur en complétant le tableau 2 : 3

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Tension du courant électrique

Intensité du courant électrique

calibre

Flux de chaleur

Calibre

Essai n°1 Essai n°2 Essai n°3 Essai n°4 Tableau 2 : Détermination du flux de chaleur  Utiliser les relations (2), (3) et (7) pour compléter le tableau 2 Ta

Tp

hexp

Essai n°1 Essai n°2 Essai n°3 Essai n°4

Tableau 3 : Détermination du coefficient de transfert convectif naturel Questions : 

Tracer sur le même graphe les deux courbes



Discuter les résultats obtenus et conclure.

( ) et

( ).

Nomenclature : Flux de chaleur : Flux électrique : Flux échangé par rayonnement : Flux échangé par convection naturelle : Tension électrique : Intensité du courant électrique : Surface du tube extérieur : Diamètre du tube extérieur : Conductivité thermique de l’air : Température ambiante : Température du tube extérieur hexp : coefficient d’échange par convection obtenu par la présente expérimentation hcorr : coefficient d’échange par convection obtenu par les corrélations de la littérature =0.04 :Emissivité thermique du cuivre =5.67 10-8 W/mK4 :constante de Stefan-Boltzman. 4

hcorr