Exemples d échanges radiatifs: Equilibre thermique d un revêtement soumis au rayonnement solaire

Dimension: px

Commencer à balayer dès la page:

Download "Exemples d échanges radiatifs: Equilibre thermique d un revêtement soumis au rayonnement solaire"

Coralie Beaudet
il y a 6 ans
Total affichages :

1 Exemples d échanges radiatifs: Equilibre thermique d un revêtement soumis au rayonnement solaire THEMACS Ingénierie 23 rue Alfred Nobel Champs-sur-Marne Tél : contact@themacs.fr 1

2 - L émissivité et sa mesure - L albédo et sa mesure - Bilan thermique d un revêtement soumis au flux solaire 2

3 L émissivité : présentation et définition 5 Rayonnement du corps noir 4 Max : 3000/T (µm) Loi de Planck 3 390K (MW.m -3 ) 2 360K Loi de Stefan-Boltzmann 330K 1 300K λ (µm) 3

$L émissivité : présentation et définition Les matériaux réels rayonnent une fraction du rayonnement du$ Ce qui donne en terme de luminance spectrale : L émissivité est liée aux propriétés réfléchissantes d

Ce qui donne en terme de luminance spectrale : L émissivité est liée aux propriétés réfléchissantes d

4 L émissivité : présentation et définition Les matériaux réels rayonnent une fraction du rayonnement du corps noir. Ce qui donne en terme de luminance spectrale : L émissivité est liée aux propriétés réfléchissantes d un matériau opaque par la loi de Kirchhoff: ρ+ε=1 Pour une même longueur d onde L émissivité dépend : - de la longueur d onde - de l incidence - de la température Où ε λ est l émissivité spectrale. 4

5 L émissivité : présentation et définition Emissivité directionnelle en fonction de l angle d émission Métal d indice de réfraction: n = i Diélectrique d indice de réfraction: n = 1.5 D après : L. Kauder, Spacecraft Thermal Control Coatings References, NASA-TP , NASA-Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Maryland, (2005) 5

6 Emissivité normale / Emissivité hémisphérique ε h /ε n ε h =(ε h /ε n ). ε n Values of ε h /ε n : In european standard EN ε h /ε n Experimental values From Fresnel coefficient D après: Figure Int. Comm. from: Heat Mass Int. Comm. Heat Mass Transfer Transfer M.Rubin, D.Arasteh, J.Hartmann, (1987) M.Rubin, D.Arasteh, J.Hartmann, (1987) ε n ε n 6

7 L émissivité : présentation et définition 7

8 Les méthodes de mesure Méthode calorimétrique : Mesure directe de l émissivité totale hémisphérique par chauffage de l échantillon et mesure de l énergie dissipée: P=ε.σ.(T 4 -T 4 back).s Mesure directe Méthode radiométrique: Mesure de l émittance spectrique directionnelle Emissivité spectrale directionnelle Emissivité totale directionnelle Sommation et extrapolation sur l ensemble du spectre Multiplication par le rapport émissivité totale hémisphérique/ émissivité totale directionnelle pour un diélectrique lisse Méthode réflectométrique: Mesure du facteur de réflexion total hémisphérique directionnel Facteur de réflexion total hémisphérique directionnel Emissivité totale directionnelle Loi de Kirchhoff : ε=1-ρ Emissivité totale hémisphérique Multiplication par le rapport émissivité totale hémisphérique/ émissivité totale directionnelle pour un diélectrique lisse Méthode réflectométrique spectrale: Mesure du facteur de réflexion spectral directionnel hémisphérique Facteur de réflexion spectral directionnel hémisphérique Emissivité totale directionnelle Loi de Kirchhoff : ε=1-ρ + Sommation et extrapolation sur l ensemble du spectre Multiplication par le rapport émissivité totale hémisphérique/ émissivité totale directionnelle pour un diélectrique lisse 8

9 - L émissivité et sa mesure - L albédo et sa mesure - Bilan thermique d un revêtement soumis au flux solaire 9

10 L albédo : présentation et définition Flux solaire incident: Φ I Flux réfléchi: Φ R Albédo: A= Φ R /Φ I 10

11 L albédo : sa mesure Deux approches: Une méthode de terrain Une méthode de laboratoire 11

12 Méthode de terrain Méthode normalisée: ASTM E D après ASTM E

13 Méthode de laboratoire Sommation sur tout le spectre après pondération par le spectre solaire Mesure du facteur de réflexion spectral par sphère intégrante et spectromètre UV-Visible 13

14 Méthode de laboratoire Rayonnement solaire au niveau de la mer selon la norme ASTM G Reçu pour une surface plane et une surface inclinée de 37 14

15 15

16 - Présentation de THEMACS - L émissivité et sa mesure - L albédo et sa mesure - Bilan thermique d un revêtement soumis au flux solaire 16

17 Aluminium poli Peinture blanche aluminium anodisé Panneaux solaires thermiques Peinture noire ε=0 ε=1 ρ 1 ρ 1 A=0 0 λ : Visible Infrarouge 0 λ : Visible Infrarouge A=1 ρ 1 ρ 1 0 λ : Visible Infrarouge 0 λ : Visible Infrarouge 17

18 Quelques exemples d étude Revêtement des engins spatiaux Comportement thermique d une fenêtre PVC Comportement thermique des câbles aériens Photos sous licence CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons 18

19 Comportement thermique des câbles aériens Contexte : Réduire l échauffement du câble soumis au rayonnement solaire pour limiter l augmentation de la résistivité électrique et assurer un bon maintien mécanique. Objectif de l étude : Mesurer les propriétés de surface afin de simuler le comportement thermique du câble neuf et vieilli. 19

20 Comportement thermique des câbles aériens Modèle thermique simplifié : Φ R Φ Sa Φc Φ RE Câble Φ sa = le flux solaire absorbé (W/m 2 ) Φ R = le flux rayonné par la surface (W/m 2 ) Φ RE = le flux rayonné par l environnement (W/m 2 ) Φc= le flux dissipé par convection (W/m 2 ) 20

21 Comportement thermique des câbles aériens A : albédo de la surface du câble Φs : flux solaire incident pris à 500W/m 2 ε : émissivité de la surface σ : constante de Stefan-Boltzmann ( W/m 2 /K -4 ) T air : température de l air prise à 303K (30 C) T surf : température de la surface h : coefficient de convection En linéarisant les transferts par rayonnement, on obtient une expression simplifiée pour le calcul de la température d équilibre : 21

22 Comportement thermique des câbles aériens Hypothèses : T m est la température moyenne entre l air et la surface. Dans notre calcul nous avons pris h=4 W/m 2 /K, T m =300K et T air =30 C. Ces valeurs sont discutables mais permettent cependant d évaluer de manière significative les écarts de performances des différents revêtements. Φs est pris égal à 500W/m 2, soit le rayonnement solaire maximal sur la moitié de la surface du câble exposé, alors que les échanges radiatifs et convectifs ont lieu sur la totalité de la surface. 22

23 Comportement thermique des câbles aériens Synthèses des mesures Câble 1 Câble 2 Câble 3 Câble 4 Albédo Emissivité (1-A)/e T équilibre ( C)

24 Comportement thermique d une fenêtre PVC Contexte : Désir du client d avoir des fenêtres noires, et réduire l échauffement de la fenêtre malgré le côté absorbant de cette couleur. Limiter la dilatation thermique de la fenêtre. Objectif de l étude : Mesurer les propriété de surface afin de simuler le comportement thermique de la peinture utilisée. 24

25 Comportement thermique d une fenêtre PVC Φ S Φa R Φ RE Φ c Φ I Fenêtre PVC Φ sa =flux solaire absorbé Φ R = le flux rayonné par la surface Φ RE = le flux rayonné par l environnement Φ I = le flux dissipé par conduction et par convection côté intérieur de la fenêtre Φc= le flux dissipé par convection côté extérieur de la fenêtre 25

26 Comportement thermique d une fenêtre PVC Le bilan thermique s écrit ainsi : A : albédo de la surface Φs: le flux solaire pris à 1000W/m 2 ε : émissivité de la surface σ : constante de Stephan-Boltzmann T air : température de l air prise à 303K (30 C) T surf : température de la surface h ext : coefficient de convection côté extérieur h int : coefficient de convection côté intérieur R : résistance thermique du montant prise dans un premier temps à 1K.m 2 /W 26

27 Comportement thermique d une fenêtre PVC Par simplification on a pris : h eq prend en compte tous les échanges conductifs et convectifs dépendant de la différence de température entre la surface et l air. On peut ajuster ce paramètre. 27

28 Comportement thermique d une fenêtre PVC Scénarion avec une température cible pour la peinture 3 de 80 C avec heq=11.8 Albédo Emissivité T surface ( C) flux solaire reçu (W/m2) Peinture Peinture Peinture Peinture Peinture

29 Comportement thermique d une fenêtre PVC ρ Réflectance spectrale λ (nm) 29

30 Conclusion - Importance de mesurer les propriétés radiatives des surfaces pour les échanges thermiques - Nécessité d une ingénierie des matériaux pour contrôler ces échanges 30

31 Merci de votre attention THEMACS Ingénierie 23 rue Alfred Nobel Champs-sur-Marne Tél : contact@themacs.fr 31

Documents pareils

Module HVAC - fonctionnalités

Module HVAC - fonctionnalités Modèle de radiation : DO = Discrete Ordinates On peut considérer l échauffement de solides semi transparents causé par le rayonnement absorbé par le solide. On peut également