Memoire Online - Réalisation d'un dispositif de mesure de températures dans une cavité fermée et différentiellement chauffée . - Hichem - Lamine - Islam BOULARES - DOUIB

« Réalisation d'un dispositif de mesure de température dans une cavité fermée et différentiellement chauffée »

Nous dédions ce modeste travail à nos chers parents pour leur témoigner de notre gratitude et affection.

Nous le dédions à tous nos amis : BOULFOUL Toufik, BEKKA Djamel, Ikhanazéne Raouf, Omri Mehdi, MESSAOUDI Rabah.

Ne n'oublions pas de citer nos chers camardes « BENLAMARA Aghlies » et « CHETOUANI Amina », avec qui nous avons passé une agréable année universitaire.

On dit souvent que le trajet est aussi important que la destination. Les trois années de maîtrise nous ont permis de bien comprendre la signification de cette phrase toute simple. Ce parcours, en effet, ne s'est pas réalisé sans défis et sans soulever de nombreuses questions pour lesquelles les réponses nécessitent de longues heures de travail.

Nous tenons à la fin de ce travail à remercier ALLAH le tout puissant de nous avoir donné la foi et de nous avoir permis d'en arriver là.

Nous remercions infiniment le professeur MAALEM. Mohamed Essaid, notre directeur de mémoire dont la disponibilité, le savoir faire et le soutien ne nous ont jamais fait défaut.

Nous remercions également Mr. BENRAQAA, d'avoir accepté de présider le jury, ainsi que les membres examinateurs, pour l'honneur qu'ils nous ont fait en examinant notre travail.

Nos sincères remercîments s'adressent aussi à Mr. Mahamdia chef du département EMF, pour tout son soutien manifesté durant notre année universitaire.

Enfin nous remercions tous ceux qui nous ont aidés à réaliser ce modeste travail, moralement ou matériellement fut cette aide.

Sommaire

Conclusion ......................................................................................................................................29

Introduction

Le travail que nous avons entrepris est une partie d'un projet de réalisation d'une cavité de forme trapézoïdale. Cette dernière, dont trois parois sont isothermes (une métallique chaude et deux en verre froides) et les autres adiabatiques, servira à étudier le transfert de chaleur et le transfert simultané de chaleur et de masse. Il a consisté, tout d'abord, à l'achèvement de la réalisation de la surface métallique isotherme puis, à la conception et à la réalisation d'un système de mesures de températures dans deux sections droites, verticales et symétriques, de la cavité.

Comme le projet et la réalisation concerne le transfert de chaleur, nous avons jugé utile de présenter, dans le chapitre I, un rappel théorique concernant ce transfert, les systèmes de mesures de températures et les équations le régissant dans la cavité trapézoïdale.

Dans le chapitre II, après avoir expliqué le travail qui à été réalisé par le binôme BOUDIBA- IHADDAENE en 2010. Nous avons développé le système de régulation de la température de la plaque métallique et le système qui permet de déterminer la température dans deux sections droites symétriques de la cavité.

Le chapitre IV a été réservé à l'étalonnage des thermocouples, aux mesures de températures de la plaque métallique et au montage final de la cavité.

Chapitre I :

Rappel théorique sur le transfert de chaleur

Comme la plaque métallique chaude échange de la chaleur avec les milieux qui l'entourent, il est nécessaire de rappeler, dans notre rapport de stage, les notions fondamentales sur la chaleur, bien qu'elles soient données dans le rapport de stage du binôme BOUDIBA- IHADDAENE en 2010. Aussi, nous les reprenons ci-après.

1-Température :

1.1- Définition :

C'est la grandeur physique qui caractérise la variation des propriétés physiques des corps chauffés ou refroidis, (MMS).

1.2- Repérage :

La température se repère au moyen d'appareils appelés thermomètres. On distingue les thermomètres classiques, les thermomètres à résistance, les thermocouples et les pyromètres.

1.2.1-Thermomètre classique :

Lorsque deux corps (dont l'un est relativement chaud par rapport à l'autre) sont mis en contact, leurs températures tendent à s'égaliser. Si l'un d'eux a une masse très faible devant celle de l'autre corps avec lequel il est en contact, il prendra alors sa température. Donc un thermomètre classique est un corps dont la masse est très faible devant celle des corps avec lesquels il est mis en contact.

Les thermomètres classiques utilisent la propriété de dilatation du mercure ou de l'alcool. Leurs plages de mesures sont :

Les thermomètres à mercure, la plage est (-39°C) à (+360°C) sont sensibles à des variations de température de (0,01°C).

Les thermomètres à alcool, moins coûteux, sont utilisés pour repérer les basses températures en raison de la faiblesse des points d'ébullition et de congélation de l'alcool. Leur précision est très inférieure à celle des thermomètres à mercure. Ils sont, en général, utilisés pour repérer la température atmosphérique et la température du corps humain (thermomètre médical).

1.2.2-Thermomètre à résistance :

Le thermomètre à résistance utilise la variation de la résistance d'un fil métallique en fonction de sa température. La figure ci-dessous montre deux thermomètres : l'un classique (vertical) et l'autre à résistance (couché).

1.2.3-Thermocouple :

Les thermocouples utilisent l'effet Seebeck-Peltier : Quand deux soudures de deux métaux différents sont portées à des températures différentes (T₂, T₁), il s'établie entre elles une « DDP » électrique (V₁-V₂). D'où la relation (V₁-V₂) = f (T₂-T₁).

Le thermocouple est constitué par deux soudures de métaux différents: L'une, dite froide, est placée à une température fixe T₁ (en général celle de la glace fondante (0°C) et à la pression atmosphérique normale) et l'autre, dite chaude, en contact avec le milieu matériel dont on veut déterminer la température. Un microvoltmètre ou un millivoltmètre, permet, après étalonnage, de lire la température de la soudure chaude. La figure ci-dessous illustre le principe de la mesure.

1.2.4-Pyromètres :

Le pyromètre le plus basique est composé d'une lentille qui focalise l'énergie radiative sur un détecteur qui le convertit en signal électrique. Après compensation, ce signal est converti à son tour en température. Ce dispositif permet ainsi de mesurer à distance la température d'un objet avec une grande précision. L'énergie radiative considérée dépend de la gamme de température à laquelle on s'intéresse. Ainsi, on distingue plusieurs types de pyromètres (pyromètre à infrarouge, pyromètre optique, pyromètre monochromatique...etc.).

2-Quantité de chaleur :

2.1- Définition :

La quantité de chaleur est la grandeur physique, notée « Q », qui produit la variation de la température d'un corps quand il l'a reçoit. Son unité physique est le Joule ou la calorie : 1J=4,18 cal.

2.2- Evaluation :

Où : m est la masse du corps considéré, C est sa chaleur spécifique (*) et

est la variation de sa température.

(*) Si le corps considéré est un fluide, on définit à la place de C les chaleurs spécifiques à volume constant, C_v, et à pression constante, C_p.

2.3- Evaluation de la chaleur spécifique « C » :

La chaleur spécifique est nécessaire pour évaluer la chaleur reçue (ou perdue) par un corps. On la détermine expérimentalement (ou à partir de tableaux pour les corps connus). Les méthodes utilisées sont, en général, celles de la calorimétrie. On distingue, principalement, deux méthodes : L'une dite ancienne qui utilise un calorimètre et ses accessoires et l'autre, dite électrique, utilisée, essentiellement, pour les fluides.

Dans un échange de chaleur entre deux corps (ou deux systèmes de corps), la somme des quantités de chaleur reçues par l'un est égale à celles perdues par l'autre.

3-Propagation de la chaleur :

L'expérience montre que la chaleur se propage des corps chauds vers les corps relativement froids. Autrement dit, elle se propage des hautes températures vers les basses températures. On dénombre trois modes de propagation de la chaleur dont deux se fond sans transport de matière (la conduction et le rayonnement) et un avec transport de matière la convection).

3.1- La conduction :

3.1.1- Définition :

La conduction est le phénomène qui décrit l'écoulement de la chaleur à l'intérieur d'un milieu matériel (solide, liquide ou gazeux) d'une région à haute température vers une autre à basse température.

3.1.2- Loi fondamentale :

La quantité de chaleur par unité de temps, appelée flux de chaleur et notée,

_x, transmise par conduction dans un matériau, est proportionnelle à l'aire `dS' de la section à travers laquelle s'écoule la chaleur (cette section « dS » est prise perpendiculaire à la direction (x'x) du flux thermique) et au gradient de température

; soit :

K est appelé coefficient de conductibilité thermique du milieu matériel considéré ; il s'exprime en Kilocalorie par heure mètre degré Celsius (Kcal/h.m.°C).

3.1.3- Conductibilité thermique des corps :

D'une manière générale, la conductibilité thermique « k » d'une substance est variable suivant la substance considérée et son état (solide, liquide ou gazeux) et sa température. Parmi les solides, les métaux sont les meilleurs conducteurs ; les bois, les matières plastiques et la laine de verre sont de mauvais conducteurs. Le tableau N°01 donne, à titre d'exemple, les valeurs de k de certaines substances solides.

Matériaux (Conducteurs)	K en (Kcal / hm °C)
	0°C	100°C
Argent	360	355
Cuivre	334	324
Or	251	254
Zinc	97	95

Les liquides sont peu conducteurs et les gaz encore moins. Les tableaux ci-après donnent, à titre d'exemple, les valeurs de leur conductibilité thermique k.

On peut remarquer, cependant, que l'air et les matières plastiques, dont les coûts sont relativement bas, peuvent constitués un assez bon corps isolant.

Substances (Liquide)	T (°C)	K en (Kcal / hm °C)
Eau	16	0.505
Benzène	16	0.138
Glycérine	21	0.246
Mercure	10	7.0

Substances (gaz)	T (°C)	K en (Kcal / hm °C)
Oxygène	38	0.0236
Aire	38	0.0230
Oxyde de carbone	93	0.0251
Vapeur d'eau	100	0.0215

3.2- La convection :

3.2.1- Définition :

La convection est le mode de transport de chaleur par l'action combinée de la conduction, de l'accumulation de chaleur et du mouvement du fluide.

3.2.2- Loi fondamentale :

La quantité de chaleur par unité de temps, appelée flux de chaleur et notée,

quittant la surface solide d'aire dS et de température T₀, au profit d'un fluide de température T, en contact avec cette surface, s'évalue par la relation suivante :

Où : « h_c» est le coefficient d'échange par convection. Il s'exprime en (Kcal/h.m²°C). D'une manière générale, la valeur du coefficient d'échange par convection est locale ; elle dépend de la forme géométrique de la surface dS considérée, de la vitesse et des propriétés physiques du fluide, du point de dS considérée et souvent de la différence de température «

».

3.2.3- Evaluation du coefficient d'échange « hc » :

Dans la pratique, on s'intéresse à l'évaluation globale de la chaleur par convection. Aussi, prend-t-on un coefficient d'échange global par convection. Ces types de coefficients sont donnés par des tableaux en fonction de l'étendue de la surface, de son inclinaison, de la vitesse et de la nature du fluide caloporteur considéré.

3.3- Le rayonnement :

3.3.1- Définition :

Tout corps dont la température est différente de 0°Kelvin émet un rayonnement électromagnétique porteur d'énergie donc de chaleur.

3.3.2- Loi fondamentale :

La quantité de chaleur par unité de temps, appelée flux de chaleur par rayonnement et notée,

quittant la surface d'un corps noir de température T (°K) est donnée par :

Où : S est l'aire de la surface considérée en m², T est sa température en °K et ó : une constante dite de Stéfan-Boltzmann dont la valeur est : ó = 4,88.10-8 (Kcal/h.m2.°K).

La loi de Stéfan montre que le flux de la chaleur rayonnée par un corps noir est indépendant des conditions du milieu environnant, alors qu'un transfert effectif de chaleur nécessite une différence de température superficielle entre les deux corps.

Le flux de chaleur,

effectivement échangé entre deux corps noirs de surface S et de température différentes T₁ et T₂ est :

Les corps réels n'émettent pas, aux mêmes longueurs d'ondes les mêmes flux de chaleur que les corps noirs. Une fraction seulement des flux de chaleurs émis par les corps noirs sont émis par les corps réels ; ces derniers sont appelés corps gris. Ainsi, le flux de chaleur échangé par un corps gris de température T₁ et de surface S avec un corps noir de température T₂ qui l'entoure est :

Où ó est le facteur d'émission du corps gris (c'est le rapport du flux rayonné par le corps gris à celui rayonné par un corps noir à la même température).

Lorsque l'échange de chaleur a lieu entre un corps gris, de température T₁et de surface S, avec un autre corps gris, de température T₂ et de propriétés physiques relativement déterminées, le flux de chaleur ,

effectivement échangé entre deux corps gris est donné par :

Où F₁₂est un facteur dit de forme qui tient compte à la fois de la géométrie relative des deux corps et de leurs émissivités ó₁et ó₂.

Les émissivités de certains corps sont données par des tableaux. Quant aux facteurs de forme, ils sont également donnés, pour certaines géométries, par des tableaux que l'on trouve dans la littérature scientifique.

4-Equations régissant le transfert de chaleur dans la cavité :

Dans le cas où les températures des plaques isothermes ne sont pas importantes, ce qui est le cas, le transfert de chaleur par radiation dans la cavité est négligeable de les transferts par conduction et par convection. Si de plus, la hauteur de la cavité est faible devant sa longueur, la probabilité pour que l'écoulement, de l'air dans cette dernière, soit bidimensionnel est grande. Aussi, donnons-nous, ci-après, les équations bidimensionnelles régissant cet écoulement.

Chapitre II :

Système de régulation de la température

Nos camarades BOUDIBA et IHADDADENE (de la promotion 2009 - 2010), ont introduit 6 résistances dans la plaque métallique de manière à les alimenter séparément ; le temps et le matériel ne leur a pas permis de terminer cette phase. Aussi l'avons-nous prise en charge.

Pour réguler la température de la plaque métallique, il est, à notre sens, nécessaire de pouvoir connaitre à volonté le courant électrique circulant dans chaque résistance et la température au milieu de la portion de la surface sous laquelle elle se trouve. Aussi, avons-nous pensé au système suivant :

1- CIRCUIT DE PUISSANCE :

Le circuit ci-dessous permettra, au moyen des interrupteurs, de mesurer l'intensité du courant électrique dans n'importe qu'elle résistance. Quant aux rhéostats, ils permettront de régler, à volonté, l'intensité du courant électrique dans chacune des 6 résistances.

2-CIRCUIT DE REGULATION :

Le circuit ci-dessous permettra de connaitre, à volonté, la température au milieu de chacune des 6 portions au moyen du commutateur C.

3-REGLAGE DE LA TEMPERATURE DE LA PLAQUE METALLIQUE :

Le réglage de la température de la plaque se fera de la façon suivante : Après avoir pris connaissance des températures des 6 portions de cette surface, on agira, aux moyen des rhéostats, sur les courants électriques circulant dans les résistances, de manière à minimiser les écarts de températures et de rapprocher, ainsi, la plaque de l'iso-thermie.

4-SYSTEME DE MESURE DE LA TEMPERATURE DANS LA CAVITE :

4 .1- Forme de la section droite, verticale, de la cavité trapézoïdale

La forme de la section droite de la cavité trapézoïdale est donnée par la figure ci-dessous.

Pour pouvoir, d'une part, mesurer la température en un point de cette section droite et, d'autre part, vérifier si l'écoulement est bidimensionnel, on a opté pour une sonde double. Ainsi, on pourra mesurer simultanément les températures dans deux sections symétriques. Le schéma de principe de la sonde double est donné ci-dessous.

Chapitre III :

Réalisation expérimentale

1-Réalisation De la surface métallique isotherme :

1.1-Achèvement de la surface isotherme avec son circuit de puissance :

Nous avons, tout d'abord, repris la plaque métallique laissée par le binôme BOUDIBA- IHADDAENE. Nous l'avons ouverte et contrôler, au moyen d'un Ohmmètre: Les valeurs des résistances et leurs isolements électriques par rapport à la plaque. Il ressort de ces opérations qu'une résistance est coupée et d'autres ne sont pas isolés, électriquement de la surface métallique.

On a, alors, repris à zéro le travail. Après avoir terminé ce travail, nous avons percé la partie inférieure de la plaque métallique ainsi que l'isolant thermique, pour faire sortir les bornes des résistances électriques. Ensuite, nous avons refermé la plaque et relié les bornes de chacune des résistances à un domino que nous avons fixé sur la partie inférieure de la plaque photo ci-dessous.

Par la suite, nous avons mis en pratique le circuit de puissance de la page16, comme indiqué sur la Figure(04).

Quand on a mis sous tension, le courant électrique dans certaines résistances s'annule après quelques minutes de fonctionnement. Il s'est avéré qu'au niveau du domino, le contact résistance-circuit de puissance disparait en raison du faible diamètre du fil résistant et du phénomène de dilatation. On a été amené à introduire le fil résistant dans une petite feuille de cuivre avant de l'introduire dans le domino ; c'est comme ça qu'on a résolu notre problème. Ensuite, pour économiser de l'énergie, nous avons isolé thermiquement, au moyen de plaque de polystyrène et du scotch, la face inférieure et les faces latérales de la plaque ainsi.

Nous avons également procédé au collage de 4 baguettes en plexi-glass sur la surface métallique de manière à réaliser un petit bassin de hauteur 5 mm, pour l'étude du transfert simultané de chaleur et de masse (photo Ci-dessous).

Les essais d'étanchéité et de mesures des courants électriques dans les résistances se sont avérés bons.

1.2- réalisation Du circuit de régulation de la plaque métallique :

Après avoir pris les dimensions entre les milieux des 6 portions de la surface métallique, non isolées thermiquement, d'une part, et les longueurs de fil nécessaires pour faire les mesures en dehors de la cavité, d'autre part, on a découpé les fils du constantan (de diamètre 4 mm) et les fils cuivre de même diamètre. Ensuite, on a fait les soudures cuivre-constantan au centre de soudage de chéraga.

Au moyen de la colle Araldite, nous avons fixé les 6 soudures chaudes aux milieux des portions de la surface métallique puis, nous avons prolongé les fils de cuivre de longueurs nécessaire pour faire les branchements (2 m environ) sur le système d'acquisition de données. Le circuit de régulation de température de la page17 est alors mis en pratique, comme le montre la photo ci-dessous.

2-Réalisation de la sonde double :

Le support de sonde double a été réalisé au moyen de deux pailles, d'une tige rigide, pour maintenir la paille principale dans la position horizontale, et d'un tube en plexi-glass. Nous avons introduit les soudures chaudes des thermocouples dans la paille principale de sorte qu'elles soient à ses extrémités. Ensuite, nous avons fixé, au moyen de deux morceaux de scotch, l'ensemble pailles-thermocouples au tube en plexi-glass. La photo de cette sonde double est donnée ci-dessous.

Chapitre IV

Montage de la cavité et mesures de températures

1. Etalonnage des thermocouples (cuivre-constantan) :

Au moyen d'un thermomètre à mercure, d'un bain thermostat et d'un mélange eau glace pillée, nous avons étalonné les thermocouples. Il ressort des mesures que la DDP correspondant à une variation de 1°C est de 0.0245 mV.

2. Mesures de températures de la plaque :

Comme indiqué sur la photo, nous avons dessiné des carrés sur toute la surface métallique ; soit 12x6=72 carrés identiques.

Ensuite, nous avons monté cette surface dans la cavité, sans les parois froides. Photo ci-après.

Pour une alimentation électrique ne permettant pas de dépasser 40°C, nous avons relevé, au moyen d'une sonde digital, la température au milieu des carrés. Le résultat des mesures est donné ci-après.

3. Résultat et interprétation :

35.5	35.4	35.2	35.0	35.5	35.5	35.5	35.4	35.7	35.5	35.5	35.4
35.4	35.4	35.1	34.8	35.2	35.5	35.5	35.7	35.2	35.0	35.4	35.6
35.6	35.2	35.1	34.9	35.6	35.5	35.4	35.6	34.9	35.0	35.3	35.6
35.5	35.3	35.0	35.0	35.7	35.3	35.5	35.7	35.2	35.3	35.7	35.7
35.6	35.5	35.1	34.9	35.5	35.2	35.2	35.6	35.5	35.6	35.7	35.7
35.7	35.7	35.2	34.9	35.5	35.7	35.4	35.5	35.7	35.7	35.6	35.7

L'écart maximum de température obtenu est de 0.8 °C. Ce résultat préliminaire, bien que satisfaisant et qu'on n'a pas pu réduire, est dû, à notre avis, à l'absence de la paroi latérale.

La surface isotherme est décomposée en 6 grandes parties représentant les 6 résistances, et chaque partie et décomposée en 12 petits carrées identiques. La température est prise au centre de chaque petit carré.

Tout au long de notre travail, nous avons utilisé le matériel disponible au niveau du laboratoire « TP LMD» de la faculté de physique ; à savoir :

Conclusion :

- Que le travail qui nous a été demandé a été, pratiquement, accompli. En effet, nous avons achevé la réalisation de la plaque chaude de la cavité et nous avons réalisé le dispositif permettant la mesure simultanée, dans deux sections droites symétriques, du champ de températures. Cependant, nous n'avons pas pu, malheureusement, faire cette expérience en raison des fissures des vitres des parois froides de la cavité. En effet, dans l'essai de la phase finale, les parois froides de la cavité n'ont pas résistées à la pression statique de l'eau, qui est de l'ordre de 10³ (P). Ces fissures, qui sont intervenues le samedi 11/06/11, ne nous ont pas permis d'améliorer le réglage de l'iso-thermie de la plaque ; c'est-à-dire : réduire la différence de température maximale entre les points de la plaque à mois de 0.8 °C.

- Que nous n'avons pas eu suffisamment de temps pour mener à bien notre projet, bien que nous ayons sacrifiés plusieurs samedis pour avancer notre travail.

- Que nous avons découvert la face cachée de la théorie. En effet, ce qui paraissait facile en théorie s'est avéré compliqué dans la réalisation pratique.

Enfin, ce stage nous a permis de mettre en pratique les connaissances acquises, durant notre cursus universitaire et d'acquérir une excellente expérience. Pour les futures promotions, nous suggérons à l'administration de la faculté de physique de faire démarrer ce stage au début de l'année universitaire ; c'est-à-dire en en S3.

Projet de Fin de Cycle
Auteurs : · BOULARES Hichem · DOUIB Lamine · MOUSLI Islam	Promotion : 2010-2011
Titre : « réalisation d'un dispositif de mesure de température dans une cavité fermée et partiellement chauffée »
Nombre de volumes : 1	Nombre de pages : 28
Nombre de références bibliographiques : 3
Références bibliographiques : · « initiation au transferts thermiques » (jean François SACADURA) Technique et documentation(Lavoisier).1982 ISBN :2-85206-033-7 · « transferts thermiques (Ana Maria BIANCHI, Yves FAUTRELLE , Jacqueline Etay) Première édition 2004, presse polytechnique et universitaire ISBN : 2-88074-496-2 · Collection MMS.

Réalisation d'un dispositif de mesure de températures dans une cavité fermée et différentiellement chauffée .

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE

Ministère de l'Enseignement Supérieur et de la Recherche scientifique

Université des Sciences et de la Technologie Houari Boumediene

Faculté de physique

Département mécanique des fluides et énergétique