Transfert de chaleur dans un tube cylindrique

Introduction

Les problèmes des transferts de chaleur sont abondants, et on peut essayer de les classifier selon les objectifs visés. Parmi ceux-ci figurent principalement, l’augmentation de l’énergie transmise ou absorbée par une surface, l’obtention du meilleur rendement d’une source de chaleur, la réduction ou l’augmentation du passage d’un débit de chaleur d’un milieu à un autre. Un intérêt fort se manifeste sur ce sujet. En effet, la chaleur est la forme d’énergie qui prend une place importante dans les processus industriels. Dans les installations industrielles, il est souvent nécessaire d’apporter une quantité de chaleur importante dans une partie du système. En outre, le potentiel qui provoque le transport et le transfert de l’énergie thermique est la température.Dans le travail que nous présentons, nous avons cherché à connaître la distribution de la température dans la section droite d’un élément combustible homogène sous forme d’un cylindre creux en uranium. Les deux surfaces de l’élément sont couvertes d’une enveloppe adhérente en acier inoxydable d’émissivité nulle. L’élément est refroidi au gaz carbonique qui se déplace dans les canaux intérieur et extérieur. Nous limitons notre étude aux régimes permanents, c’est-à-dire à des systèmes qui n’accumulent ni énergie ni matière. Nous considérons dans le cadre de cette étude que la densité volumique de l’émission thermique dans l’uranium est uniforme suivant la section. Les principes fondamentaux de la thermodynamique sont supposés connus.Le mémoire comporte trois chapitres. Dans le premier chapitre, nous cherchons à acquérir l’ensemble des concepts qui nous permettrons ultérieurement d’approfondir nos connaissances. Il s’agit en fait d’un rappel de ce que nous avons vu en cours de thermique. Nous rappelons que le transfert de chaleur au sein Etude de distribution de température dans une section droite d’un élément combustible sous forme d’un cylindre creux d’une phase ou, plus généralement, entre deux phases, se fait de trois façons : par conduction, par convection, par rayonnement. Afin que nous puissions entrer dans le vif du sujet, nous commencerons par étudier deux modes de transferts de chaleur : le transfert par conduction d’une part, et d’autre part, le transfert par convection. L’émissivité de l’enveloppe étant nulle, il n’y a pas de transfert de chaleur par rayonnement.Nous passons ensuite à la description du système dans le second chapitre. Au cours de cette deuxième étape, nous commencerons par consolider nos connaissances en étudiant la similitude de la loi de Fourier avec la loi d’Ohm. Cette similitude a permis de définir la notion de résistance thermique. Il importe en particulier que nous comprenions bien cette notion de résistance thermique car elle sera utilisée ultérieurement. La résistance thermique d’un élément exprime sa résistance au passage d’un flux thermique. L’approche simplifiée de l’analogie électrique présentée dans cette partie, présente l’intérêt de faire apparaître facilement l’expression de la résistance thermique en conduction.

Diffusion de la chaleur dans les structures solides :

Lorsque l’on chauffe un matériau solide, les atomes les plus proches de la source de chaleur se mettent à vibrer de façon intense et communiquent ces vibrations aux atomes voisins par le biais du réseau, que celui-ci soit cristallin ou amorphe. Ces vibrations ont pour conséquence la production de chaleur et sa diffusion dans le matériau. Cet état d’excitation est fonction de l’intensité de la source de chaleur. Le phénomène de propagation des ondes à l’échelle microscopique est observable sous la forme d’un phénomène de diffusion de chaleur à l’échelle macroscopique. Ce phénomène de diffusion de la chaleur est souvent appelé conduction de la chaleur et on verra plus loin que l’analogie électrique donne une légitimité évidente à cette terminologie. On associe à cette diffusion un flux de chaleur, qui représente la quantité d’énergie thermique transportée par unité de temps. Le flux de chaleur est donc comparable à une puissance et il s’exprime en Watts. Le phénomène dont nous venons de parler est représenté sur la figure 1 de manière schématique. Cette représentation simplifiée en deux dimensions met bien en évidence le lien entre le phénomène de diffusion à l’échelle macroscopique et le phénomène de vibration des atomes à l’échelle microscopique. On voit donc que la notion de conduction thermique est obligatoirement associée à l’existence d’un gradient de température. Cela veut donc dire que la chaleur ne diffuse entre deux points de l’espace, à l’intérieur du matériau, que si la température de ces deux points est différente. Et bien entendu, afin de respecter les principes fondamentaux de la thermodynamique et plus particulièrement le second relatif à l’entropie, la chaleur diffuse dans la direction de la température la plus haute vers la température la plus basse.

Conclusion

Nous avons souligné que dans les installations industrielles, il est souvent nécessaire d’apporter une quantité de chaleur importante dans une partie du système et que le potentiel qui provoque le transport et le transfert de l’énergie thermique est la température. A cet effet, l’étude que nous venons de présenter avait pour objectif d’établir la distribution de la température dans la section droite d’un élément combustible en uranium.L’étude du transfert de chaleur par conduction d’une part, et d’autre part du transfert par convection est une étape préliminaire.Nous avons ensuite décrit le système. Dans notre cas, au transfert de chaleur convectif s’ajoute un transfert par conduction au niveau de la paroi de la canalisation dans laquelle s’écoule le fluide. La formulation du problème nous a permis d’identifier la similitude da la loi de Fourier avec la loi d’Ohm. On notera l’importance de la résistance thermique d’un élément au passage d’un flux thermique. En effet, l’application de l’analogie électrique nous a permis de calculer les coefficients de transmission de chaleur efficaces qui rendent compte de la résistance thermique des enveloppes.Par application du premier principe de la thermodynamique, nous avons pu établir les expressions : des températures aux surfaces des enveloppes et aux surfaces de l’uranium, de la distribution de la température suivant la section de l’élément, du rayon de la section où la température est maximale. Malgré l’obtention de résultats satisfaisants, notre modélisation est susceptible d’améliorations et cette étude pourrait constituer, entre autres, une des perspectives du présent mémoire par exemple : utilisation d’un élément combustible non homogène au lieu de corps homogène.

Le rapport de stage ou le pfe est un document d’analyse, de synthèse et d’évaluation de votre apprentissage, c’est pour cela rapport-gratuit.com propose le téléchargement des modèles complet de projet de fin d’étude, rapport de stage, mémoire, pfe, thèse, pour connaître la méthodologie à avoir et savoir comment construire les parties d’un projet de fin d’étude.

Table des matières

REMERCIEMENTS
Liste des abréviations
Liste des figures
Liste des tableaux
Introduction
Chapitre I: GENERALITES SUR LES TRANSFERTS DE CHALEUR
1.1 Conduction thermique
1.2 Convection
Chapitre II : DESCRIPTION DU SYSTEME
2.1 Système à étudier
2.2 Bilan thermique
2 .3 ANALOGIE ELECTRIQUE
Chapitre III : MODELISATION DU SYSTEME
3.1 Transfert de chaleur dans une conduite cylindrique en régime stationnaire
3.2 Transfert de chaleur d’une conduite cylindrique recouverte d’un manchon isolant :
3.3 Transfert de chaleur dans un tube cylindrique
3.4 Résultats de simulation
Conclusion
Référence bibliographie
Annexes