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Chapitre 04 : Transfert de chaleur par rayonnement MENACER Brahim ESGEE Oran 25

Chapitre 04 : Transfert de chaleur par rayonnement MENACER Brahim ESGEE Oran 25/03/2019 Table des matières Objectifs 3 Introduction 4 I - Objectifs intermédiaires du chapitre et pré-requis nécessaires 5 II - Chapitre 04 : Transfert de chaleur par rayonnement 6 1. Pré-test : notion du transfert de la chaleur par rayonnement. ......................................................................... 6 2. Introduction .................................................................................................................................................... 6 3. Définitions préliminaires : .............................................................................................................................. 6 4. Processus de réception d'un rayonnement par un corps .................................................................................. 8 5. Lois du rayonnement ....................................................................................................................................... 9 5.1. Loi de Lambert ............................................................................................................................................................................ 9 5.2. Loi Kirchoff ............................................................................................................................................................................... 9 5.3. Loi de Planck ............................................................................................................................................................................... 9 5.4. Lois de Wien .............................................................................................................................................................................. 10 5.5. Loi de Stefan-Boltzmann ........................................................................................................................................................... 10 6. Activité d'apprentissage locale ...................................................................................................................... 10 7. Exercice : ...................................................................................................................................................... 10 Glossaire 12 Références 13 Bibliographie 14 Webographie 15 3 L'objectif global de ce chapitre est de mettre à la disposition de l'apprenant une définition précise sur le transfert de chaleur par rayonnement thermique et toutes les définitions nécessaires pour bien comprendre ce chapitre. Et faire une formulation d'un problème de transfert de chaleur par rayonnement. Voici les thèmes abordés lors de ce chapitre : Définitions préliminaires. Processus de réception d'un rayonnement par un corps. Lois fondamentales du rayonnement (loi de Kirchof, loi de Planck, lois de Wien, loi de Stefan-Boltzmann). Objectifs 4 Ce cours « Transfert de Chaleur » s'adresse aux étudiants de 3eme année Génie Electrique de l'Ecole Supérieure en , et aussi à ceux qui souhaitent acquérir les notions de base des Génie Electrique et Energétique ESGEE Oran phénomènes de transfert de chaleur. Ce cours présente les principaux modes du phénomène de transferts thermiques et comporte une application sur le calcul simple d'un exemple d'échangeur de chaleur. Il donne une compréhension générale de ces phénomènes tout en exposant les lois fondamentales décrivant les trois modes de transfert de chaleur : Conduction, Convection et Rayonnement ainsi que l'initiation des étudiants aux calculs des échangeurs de chaleur, systèmes sièges de différents transferts de flux de chaleur. ESQUISSE DU PLAN DU COURS ( 04 unités d'apprentissages). Ce cours comprend 04 unités d'apprentissages. Chacune d'elle est représentée par un chapitre. Dans le chapitre 4, nous allons définir le transfert de chaleur par rayonnement, le processus de réception d'un rayonnement par un corps et les lois qui gouverne ce mode de transfert. Introduction Objectifs intermédiaires du chapitre et pré-requis nécessaires 5 - - - - - Cet objectif global se divise en plusieurs objectifs intermédiaires. Nous mettons en évidence, également, le niveau à atteindre pour chacun d'eux : Expliquer le processus de transfert thermique par rayonnement. Il s'agit de comprendre le mode de transfert par rayonnement (savoir). Décrire le processus de réception d'un rayonnement par un corps. Il s'agit d'une connaissance à acquérir (savoir). Calculer l'intensité énergétique, l’émittance monochromatique et l'émittance totale du corps noir. Il s'agit de savoir appliquer les lois de rayonnement (savoir-faire). Les pré-requis nécessaires à la compréhension de cette quatrième unité pédagogique (chapitre 4) sont : La notion de la langueur d'onde totale et monochromatique. La notion de l'angle solide. Objectifs intermédiaires du chapitre et pré-requis nécessaires I Chapitre 04 : Transfert de chaleur par rayonnement 6 - - - - - - - - - 1. Pré-test : notion du transfert de la chaleur par rayonnement. Pour mieux démarrer ce chapitre, nous allons effectuer une activité afin d'introduire la définition et les caractéristiques du mode de transfert de chaleur par rayonnement. Lors de cette activité, il s'agit de mettre en évidence les concepts suivants : Faire la différence entre le transfert de chaleur par rayonnement et les autres modes de transfert ; Écrire la loi qui gouverne ce mode de transfert de chaleur. 2. Introduction Tous les corps, solides, liquides ou gazeux, émettent un . rayonnement de nature électromagnétique* Il ne nécessite aucun support matériel, il est analogue à la propagation de la lumière. Le rayonnement thermique émis par les corps, se situé entre des longueurs d'ondes de 0,1 μm à 100 μm [ ]. 9* 3. Définitions préliminaires : Les grandeurs physiques seront désignées selon la ou la distribution spatiale du composition spectrale* rayonnement : Grandeur totale : elle est relative à l'ensemble du spectre; Grandeur monochromatique : elle concerne seulement un intervalle spectral étroit (dλ), autour d'une longueur d'onde (λ); Emetteur : s'il envoie un rayonnement lié à sa température (sauf s'il est parfaitement transparent) ; Récepteur : s'il reçoit des rayonnements émis ou réfléchis et diffusés par les corps qui l'entourent. Corps noir: est celui qui absorbe toutes les radiations qu'il reçoit , il est caractérisé par un pouvoir absorbant (αλT = 1). Chapitre 04 : Transfert de chaleur par rayonnement II Objectifs Définitions préliminaires : 7 - - - - - - Corps gris: est celui dont le pouvoir absorbant (αλT) est indépendant de la longueur d'onde (λ), il est caractérisé par (αλT = αT). Un corps gris à haute température pour (λ<3μm, soleil), un corps gris à basse température pour (λ>3μm, atmosphère). Angle solide: l'angle solide élémentaire (dΩ en Stéradian) sous lequel est vu, d'un point (O), le contour d'une petite surface (ds, assimilé à une surface plane) est donné par [ ]: 10* Figure 4.2 : Angle solide Emittance énergétique monochromatique : l'émittance monochromatique d'une source à la température (T) est donnée par (W/m ) [ ]: 2 11* Tels que; : φ est le flux d'énergie émis entre les deux longueurs d'ondes (λ) et (λ+dλ). Emittance énergétique totale : c'est la densité de flux émise par la surface élémentaire (dS) sur toutle spectre des longueurs d'ondes, elle est donnée par (W/m ): * 2 Intensité énergétique dans une direction : c'est le flux par unité d'angle solide émis par une surface (ds) sous un angle solide (dΩ) entourant la direction (Ox), elle est donnée par: Luminance énergétique dans une direction : c'est l'intensité énergétique dans la direction (Ox) par unité de surface émittrice apparente (la projection de la surface (S) sur le plan perpendiculaire à Ox), elle est donnée par [ ]: 12* Figure 4.3: Schéma montrant la luminance d'un élément de surface ds. Processus de réception d'un rayonnement par un corps 8 - - - - - - Eclairement (relatif à un récepteur) : C'est le flux reçu par unité de surface réceptrice, en provenance de l'ensemble des directions (Emittance) . référence 04* Il faut bien comprendre ces définitions pour maîtriser le phénomène du transfert de chaleur par rayonnement. 4. Processus de réception d'un rayonnement par un corps Un point matériel chauffé émet un rayonnement électromagnétique dans toutes les directions situées d'un même côté du plan tangent au point matériel. Lorsque ce rayonnement frappe un corps quelconque, une partie de cette énergie peut être réfléchie, une autre transmise à travers le corps, et le reste est quantitativement absorbée sous forme de chaleur. Figure 4.4: Processus de réception d'un rayonnement par un corps. D'où : Avec ; ρ : est le pouvoir monochromatique réfléchissant ; λT α : est le pouvoir monochromatique absorbant ; λT τ : est le pouvoir monochromatique de transmittance. λT Remarque : Connaissance 9 - - - - 5. Lois du rayonnement 5.1. Loi de Lambert L'intensité énergétique dans une direction (δ), est donnée par [ ]: 13* Figure 4.5 : Schéma montrant l'intensité énergétique dans une direction donnée. Lorsqu'un corps suit la loi de Lambert, l'emittance est proportionnelle à la luminance : 5.2. Loi Kirchoff L'emittance monochromatique de tout corps est égale au produit de son pouvoir absorbant monochromatique (α ) par l'emittance monochromatique du corps noir à la même température : λT 5.3. Loi de Planck L'Emittance monochromatique du corps noir dépend seulement de la longueur d'onde (λ) et de la température (T) [ ]: 14* Dans le domaine visible (petites longueurs d'ondes) : Dans le lointain domaine infrarouge (grandes longueurs d'ondes) : Remarque 10 - - 1. 2. 3. 4. 5.4. Lois de Wien 5.4.1. Première loi de Wien La première loi de Wien permet d'exprimer ou d'évaluer les longueurs d'ondes correspondantes à l'émittance monochromatique maximale (pour laquelle le rayonnement est maximal) en fonction de la température [ ]. 10* 5.4.2. Deuxième loi de Wien Cette loi exprime la valeur de l'émittance monochromatique maximale, il suffit qu'on remplace (λm) par sa valeur dans la loi de Planck pour obtenir [ ]: 9* 5.5. Loi de Stefan-Boltzmann Elle donne l'emittance totale du corps noir, avec la sommation de toutes les émittances monochromatiques pour toutes les longueurs d'ondes ou l'intégration de : Cf. "Comment fonctionne le Rayonnement ?" 6. Activité d'apprentissage locale Il s'agit d'accompagner les étudiants dans la compréhension du mode de transfert par rayonnement et ses applications. Ceci va servir au développement des techniques de résolutions des équations gouvernant ce mode de transfert. Les étudiants doivent se répartir en petits groupes dont chacun d'eux doit trouver la solution. Les activités sélectionnées dans ce chapitre 02 : étude de rayonnement d'un radiateur cylindrique. 7. Exercice : Exercice Pour chauffer une pièce, on utilise un radiateur cylindrique de diamètre D = 2cm et de longueur L = 0,5cm. Ce radiateur rayonne comme un corps noir uploads/Management/ chapitre-04-papier.pdf