Conduction thermique

Résumé de TP :

Au cours de ce TP, on se propose d’étudier le transfert de chaleur par conduction à travers une barre dont la paroi latérale est isolée (pas de perte de chaleur latérale).

La température d’une extrémité est obtenue par une source de chaleur.

Un échangeur de chaleur situé à la deuxième extrémité permet d’évacuer la chaleur transférée le long de la barre.

But de manipulation :

Le but de ce TP est de :

• Calculer la conductivité thermique de laiton par conduction linéaire et radiale et le comparer avec sa valeur théorique.
• Vérifier la loi de fourrier.

Présentation du dispositif expérimental :

[pic 1]

Figure 01 : dispositif linéaire (TD1002A)

[pic 2]

Figure 2 : dispositif radiale (TD1002B)

Le pilote de base utilisé dans ce TP, fournit de l’eau froide et la puissance de chauffage aux expériences facultatives et tous les instruments nécessaires pour mesurer leur performance.

Le système d’eau de l’unité de base se connecte à un approvisionnement d’eau froide. Il comprend une vanne manuelle pour aider à donner un débit réglable de l’eau et un tuyau de retour simple.

L’entrée et la sortie des courants de fluide ont des couleurs différentes pour réduire les erreurs.

L’unité de base fournit un courant électrique variable mesurée à l’élément chauffant dans chaque expérience et fonctionne avec un interrupteur de sécurité pour arrêter l’appareil de chauffage de devenir très chaud. Il comprend également des prises de courant pour les thermocouples intégrés dans chaque expérience en option.

Un affichage numérique en multi-lignes sur l’unité de base montre les températures et la puissance de la chauffe de chaque expérience.

Chaque expérience est optionnelle sur une plaque de base qui a un schéma clair montrant les connexions et la mesure de la position des points.

Module des expériences disponibles :

• Module de la conduction linéaire de la chaleur :

Cette expérience a une barre de section circulaire, réalisé en deux sections avec une section centrale interchangeable. Il est monté sur une plaque de base avec un schéma clair de la disposition de l’expérience. La première section de cuivre comprend trois thermocouples et le dispositif de chauffage électrique (source de chaleur). La deuxième section de cuivre comprend une petite chambre refroidie à l’eau (de dissipateur de chaleur) et trois thermocouples.

La section intermédiaire interchangeable (fourni) est du Laiton (Cz 121) qui a un thermocouple. Le chauffage et thermocouples électrique connectent à des prises sur l’unité des expériences de transfert de chaleur de base, qui fournit également l’alimentation en eau froide pour dissiper de chaleur. On règle la puissance de chauffage j’jusqu’à l’expérience atteint l’équilibre, puis enregistrer les températures car la chaleur mène le long de la barre. Isolation autour de la barre réduit la perte de chaleur par convection et rayonnement, de sorte que les résultats doivent correspondre à la théorie pour la conduction linéaire simple seulement.

• Module de conduction radiale de la chaleur :

Cette expérience a un disque en laiton massif avec un chauffage électrique (source de chaleur) en son centre et une section transversale circulaire tube de refroidissement (radiateur) autour de sa circonférence. Il monte sur une plaque de base avec un schéma clair de l’expérience.

Le chauffage et thermocouples électrique connectent à des prises sur l’unité des expériences de transfert de chaleur de base, qui fournit également l’alimentation en eau froide. On règle la puissance de chauffe jusqu’à   l’expérience atteint l’équilibre.

Aux rayons équidistants sur le disque, sept thermocouples mesurent la température en tant que conduit la chaleur radialement vers l’extérieur à partir de l’appareil de chauffage. Isolation autour du disque réduit la perte de chaleur par convection et rayonnement, de sorte que les résultats doivent correspondre à la théorie pour la conduction radiale simple seulement.

Principe de manipulation :

Chaque dispositif comporte une source de chaleur permettant de chauffer une extrémité de la barre. L’autre extrémité de la barre comporte un échangeur de chaleur à l’eau permettant d’évacuer le flux de chaleur apporté par la source chauffant et transmis par la barre.

Des thermocouples sont disposés régulièrement sur les barres : ils permettent d’observer la répartition des températures le long des barres (sept (07) points).

Une vanne permette le réglage du débit d’eau traversant l’échangeur.

Travail préparatoire : 

1-conduction de chaleur suivant la direction linéaire :

a/ Le schéma soigné et simplifié du dispositif :[pic 3]

b/ les hypothèses du travail :

1-le régime est permanant.

2-la configuration géométrique est cylindrique.

3-avec source de chaleur.

4-propriétés du matériau :  

Laiton cz121 : cuivre + zinc  

 La conductivité λ=121w/m k 

Masse volumique=8800kg/[pic 4][pic 5]

Température de fusion égale à 900 °C 

Cuivre :

La conductivité thermique  λ=386w/m k 

Masse volumique =8,96 g/c[pic 6][pic 7]

Le cuivre fond vers 1 085 °C

C /les conditions aux limites :

    Pour       x=0cm                      T(x)==72.4[pic 9][pic 8]

    Pour       x=L=12cm                     T(x)== 31.9[pic 11][pic 10]

L’éqution de chaleur s’écrit :                                     =0    [pic 12]

D/ le flux de chaleur transféré par conduction :

...