Soutenance mémoire
Transfert de chaleur par convection
La convection caractérise la propagation de la chaleur dans un guide gazeux ou liquide en mouvement. L’étude de la convection (naturelle ou forcée) est liée à l’écoulement des guides. La convection a lieu dans un milieu en mouvement, et elle est généralement toujours associée au transfert entre un solide et un fluide en mouvement. Le transfert de chaleur par convection entre deux corps s’établit au moyen d’un agent étranger comme le fluide. La convection s’applique aux fluides ou aux interfaces solide-fluides. La chaleur est entraînée par un fluide en mouvement. Au contact du corps chaud, le fluide s’échauffe et se déplace en emportant avec lui la chaleur qui lui a été cédée et qu’il transfère ensuite au corps froid. Lorsque le fluide est mis en mouvement par la poussée d’Archimède due à la variation de densité liée à l’échauffement, la convection est dite libre. Par exemple, le mouvement de l’eau en ébullition relève du phénomène de convection, l’eau des zones les plus chaudes se dilate et s’élève alors que les zones les plus froides descendent. Le mouvement d’ensemble des molécules d’eau dû aux différences de température est appelé la convection libre. Lors de la convection forcée, le fluide est mis en mouvement par des forces extérieures.
Origine du rayonnement thermique
Le rayonnement thermique est un rayonnement électromagnétique caractérisé non pas par sa nature mais par son origine. Tous les corps dont la température n’est pas nulle émettent spontanément un rayonnement thermique dû aux transitions énergétiques. Pour interpréter ces phénomènes, on utilise l’aspect corpusculaire de la lumière. Soient E1 et E2 deux niveaux d’énergies telle que E E 2 1. Lorsqu’une particule d’un niveau d’énergie E1 passe à un niveau d’énergie E2 on observe le phénomène d’absorption d’énergie (Figure 1.08) [1.05]. Par contre, lorsqu’une particule d’un niveau d’énergie E2 passe à un niveau d’énergie E1 , on observe le phénomène de recombinaison de pair électron-trou avec une émission d’un photon de fréquence .
Fer et ses caractéristiques
Le fer est un métal de base le plus important pour les alliages techniques. Il est relativement abondant dans l’écorce terrestre (4,7 % en masse) sous forme d’états combinés dans de nombreuses roches. Le fer pur n’est pas employé dans l’industrie, les plus employés sont les alliages de fer avec le carbone qui sont la fonte et l’acier. Le fer pur est obtenu :
– Soit par électrolyse des sels de fer (fer électrolytique).
– Soit par décomposition thermique du pentacarbonyl de fer (Fe(CO) 5).
– Soit par recuit de longue durée du fer doux dans un courant d’hydrogène à des températures de 1000 °C à 1400 °C.
Avec 99,9 % de fer, il est déjà pur, mais il contient toujours des trous de différents éléments. Le fer le plus pur qui peut s’obtenir actuellement contient 99,999 % de fer. Le fer est de couleur blanche possédant les caractéristiques suivantes : Masse atomique : 55,85, Nombre atomique : 26, Rayon atomique 1,27 Å, Masse volumique 7,8 g/cm3, Température de fusion 1539 °C. Grâce à la grande perméabilité magnétique de fer, il est très utilisé dans l’électrotechnique. Les propriétés magnétiques du fer dépendent dans une grande mesure de sa pureté et des régimes de traitement thermiques.
Ferrite
C’est une solution solide de carbone dans le fer α, c’est à dire la ferrite est constituée par du fer α renfermant des traces de carbone (faible teneur en carbone, inférieure à 0,02 %), ainsi que d’autres inclusions. On distingue la ferrite α à basse température et à solubilité du carbone allant jusqu’à 0,02 % et la ferrite δ à haute température et à solubilité limite en carbone allant jusqu’à 0,1%. La ferrite est peu tendre et très ductile. Elle est magnétique à la température ordinaire, au microscope la ferrite a l’aspect de grains homogènes polyédriques. Elle possède un réseau cubique centré et elle est ferromagnétique jusqu’à 760 °C.
Importance du traitement thermique pour un métal
Il faut préciser que les traitements thermiques permettent une modification de toutes les propriétés des matériaux, car celles-ci sont toutes étroitement liées à leur structure : propriétés mécaniques, propriétés chimiques et de résistance à la corrosion, propriétés physiques diverses (électriques, magnétiques, etc.). On peut maîtriser les évolutions structurales par traitement thermique, il est souvent possible d’obtenir ainsi les propriétés voulues selon la température appliquée. Ce traitement est différent pour chaque métal.
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Table des matières
INTRODUCTION ET POSITION DU PROBLEME
CHAPITRE 1 GENERALITES SUR LA RELATION ENTRE CHALEUR ET RAYONNEMENT THERMIQUE
1.1 Introduction
1.2 Généralités sur la chaleur et la température d’un corps
1.2.1 Chaleur d’un corps
1.2.2 Mode de transfert de la chaleur
1.2.3 Notion de la température
1.2.4 Mesure de la température
1.3 Energie de vibrations du réseau cristallin
1.3.1 Relation de dispersion dans une chaîne linéaire
1.3.2 Cristal à trois dimensions
1.3.3 Aspect quantique du problème. Le phonon
1.4 Rayonnement des corps
1.4.1 Généralités sur les ondes électromagnétiques
1.4.2 Grandeurs lumineuses énergétiques
1.4.3 Rayonnement du corps noir
1.4.4 Rayonnement des corps réels
1.4.5 Récapitulation
1.5 Flux photonique
1.5.1 Approche statistique du flux photonique
1.5.2 Effet du bruit expérimental sur la mesure du flux photonique
1.6 Conclusion
CHAPITRE 2 PROPRIETES RADIATIVES ET TRAITEMENT THERMIQUE DES ACIERS
2.1 Introduction
2.2 Généralités sur les métaux ferreux
2.2.1 Définition d’un métal
2.2.2 Classification des métaux
2.2.3 Fer et ses caractéristiques
2.2.4 Carbone et ses caractéristiques
2.2.5 Définitions des constituants micrographiques
2.2.6 Propriétés des métaux
2.3 Traitement thermique des aciers
2.3.1 Définition du traitement thermique des métaux
2.3.2 Austénitisation des aciers
2.3.3 Traitement thermique : trempe
2.3.4 Traitement thermique : revenu
2.3.5 Traitement thermique : recuit
2.3.6 Transformations des aciers
2.3.7 Solidification et transformation des aciers
2.4 Rôle de l’atmosphère dans le traitement thermique
2.4.1 Généralité sur l’atmosphère
2.4.2 Propriétés physiques des gaz
2.4.3 Propriétés chimiques des gaz
2.4.4 Type de chauffage de four
2.5 Fours électriques pour les traitements thermiques
2.5.1 Différents types de four électrique
2.5.2 Fours de traitement thermique
2.5.3 Matériaux composant les parois, la sole et la voûte
2.6 Conclusion
CHAPITRE 3 PRINCIPES DES DIFFERENTES TECHNOLOGIES DES DETECTEURS INFRAROUGES ET SYSTEME DE MESURE PAR RAYONNEMENT ELECTROMAGNETIQUE
3.1 Introduction
3.2 Détecteurs infrarouges
3.2.1 Généralité sur le capteur de température
3.2.2 Détecteurs thermiques
3.2.3 Détecteurs quantiques
3.2.4 Autres types de détecteurs
3.2.5 Récapitulation sur les détecteurs infrarouges
3.3 Système de mesure de la température à infrarouge
3.3.1 Principe de fonctionnement d’un thermomètre à infrarouge
3.3.2 Définition d’un pyromètre et d’un thermomètre
3.3.3 Avantage de la thermométrie infrarouge
3.3.4 Problèmes de la thermométrie infrarouge
3.3.5 Conditions satisfaisantes pour la thermométrie à infrarouge
3.3.6 Influences de l’environnement ambiant
3.4 Différents types de pyromètres
3.4.1 Pyromètre à rayonnement total et pyromètre à large bande
3.4.2 Pyromètres monochromatiques
3.4.3 Pyromètres bichromatiques
3.4.4 Pyromètre a trois couleurs
3.4.5 Récapitulation sur les pyromètres infrarouges
3.5 Conclusion
CHAPITRE 4 METHODOLOGIE DE MESURE DE TEMPERATURE ET DE SELECTION DES LONGUEURS D’ONDES OPTIMALES
4.1 Introduction
4.2 Méthodologies des pyromètres polychromatiques
4.2.1 Rappel sur les principes de pyromètre monochromatique et bichromatique
4.2.2 Présentation des différents modèles d’estimation polychromatique
4.2.3 Méthode Multi-Spectrale basée sur le rapport de flux et l’approximation de Wien : Méthode «TNL.TXY »
4.2.4 Méthode Multi-Spectrale basée sur le rapport de flux et la loi de Planck : Méthode TNL.Tbc
4.2.5 Méthode Multi-Spectrale basée sur la loi de Planck
4.2.6 Synthèse et récapitulation des méthodes
4.3 Relations entre éléments des modelés
4.3.1 Lien entre écart-type sur la température au sens des moindres carrés, et sensibilité du flux à la température
4.3.2 Lien entre rapport signal sur bruit, sensibilité du flux à la température, et erreur relative sur la température
4.4 Méthode des moindres carrés
4.4.1 Principe générale
4.4.2 Propriétés statistiques de l’estimateur
4.4.3 Intérêt des méthodes moindres carrées
4.5 Longueurs d’ondes optimales
4.5.1 Concept générale de la sélection longueur d’onde
4.5.2 Méthodologie des différents critères pour la mesure
4.5.3 Modèle commun aux méthodes de minimisation séquentielle et globale
4.5.4 Longueurs d’ondes « Pseudo-Optimales » : Méthode Séquentielle
4.5.5 Longueurs d’ondes optimales globales
4.6 Autres méthodes des sélections des longueurs d’ondes optimales
4.6.1 Longueur d’onde optimale au sens de la maximisation de la sensibilité du flux à la température
4.6.2 Expression analogue à la loi de Wien pour la détermination des longueurs d’ondes optimales en Mono-Spectrale dans la cadre de la loi de Planck
4.7 Linéarisation du critère sur l’écart des deux spectres à courtes longueurs d’ondes
4.7.1 Problématiques sur la distance minimale entre deux longueurs d’ondes
4.7.2 Algorithme de résolution numérique du problème
4.7.3 Détermination de l’équation de récurrence
4.7.4 Critère d’écart minimum entre deux courtes longueurs d’ondes
4.8 Conclusion
CHAPITRE 5 APPLICATION DU MODELE TNL.TABC AU CALCUL DES LONGUEURS D’ONDES OPTIMALES A LA GAMME SPECTRALE VISIBLE ET PROCHE INFRAROUGE
5.1 Introduction
5.2 Modèle à la méthode de sélection séquentielle de longueurs d’onde
5.2.1 Rappel sur la modèle TNL.Tabc
5.2.2 Principe générale sur la méthodologie de la sélection de longueur d’onde optimale
5.3 Méthode pseudo-optimale pour la sélection des longueurs d’ondes
5.3.1 Sélection de la première longueur d’onde optimale
5.3.2 Sélection de la seconde longueur d’onde optimale
5.3.3 Sélection de la troisième longueur d’onde optimale
5.3.4 Sélection de la quatrième et dernière longueur d’onde optimale
5.4 Calcul des longueurs d’onde optimales
5.4.1 Température des traitements thermiques
5.4.2 Logiciel de calcul mathématique : Mathematica
5.4.3 Longueurs d’ondes optimales obtenues à partir de 1073.15 K, 1173.15 K, 1223.15K, 1273.15 K et 1373.15 K
5.5 Critère pour la sélection des longueurs d’onde optimales obtenues
5.5.1 Groupes des longueurs d’onde sélectionnées selon le meilleur écart-type
5.5.2 Critère sur la gamme spectrale du pyromètre
5.5.3 Critères sur l’écart minimal des deux longueurs d’ondes successives
5.5.4 Ecart-type sur la température à la gamme de température des flux obtenus à partir des longueurs d’onde optimales
5.5.5 Sensibilité du flux à température
5.5.6 Sensibilité du flux à la longueur d’onde
5.6 Vérification graphique des quatre longueurs d’onde optimales
5.6.1 Longueurs optimales obtenues à partir de 1273.15 K
5.6.2 Longueurs optimales obtenues à partir de 1373.15 K
5.7 Traitement électronique des signaux obtenus
5.7.1 Courants circulants dans la photodiode
5.7.2 Montage de base d’une photodiode
5.7.3 Choix de la mode de montage de la photodiode
5.7.4 Circuit électronique pour le traitement analogique
5.7.5 Circuit de traitement numérique
5.8 Equation pyrométrique
5.8.1 Equation pyrométrique générale
5.8.2 Equation thermographique simplifiée
5.8.3 Expression du flux net arrivant sur le détecteur
5.9 Conclusion
CONCLUSION ET PERSPECTIVES
ANNEXES
REFERENCES
FICHE DE RENSEIGNEMENT
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