5.2. Cellule de convection

La cellule de convection est un cylindre de hauteur d et de diamètre L. Cette cellule est composée de trois éléments :

-la paroi inférieure;

-la paroi latérale;

-la paroi supérieure.

Les parois horizontales, supérieure et inférieure, limitant la cellule sont en cuivre. La conductivité thermique du cuivre étant beaucoup plus élevée que celle de l'air contenu dans la cellule, nous pouvons considérer que les parois horizontales sont des isothermes malgré les perturbations de température dues à la convection de l'air.

Rappelons qu'au contact de ces parois dites "rigides", la vitesse de l'air en mouvement s'annule.

Notons aussi que la plaque inférieure est deux fois plus épaisse que la plaque supérieure. En effet, la plaque inférieure, chauffée par le bas, doit avoir une certaine épaisseur afin d'éviter qu'elle n'échange sa chaleur trop rapidement avec l'air ambiant, de façon non uniforme.

La paroi latérale de la cellule est en PVC (chlorure de polyvinyle). Ce matériau est un isolant thermique permettant ainsi que la puissance de chauffage émanant de la plaque inférieure traverse bien uniquement l'air contenu dans la cellule. On peut alors imposer un flux de chaleur vertical ascendant à travers l'air pour le mettre en convection. De plus la convection n'est possible que si le gradient de température entre les plaques inférieure et supérieure est bien établi. Ce qui justifie l'utilisation d'un matériau isolant, en l'occurrence le PVC, pour constituer la paroi latérale de la cellule convective.

5.3. Sondes thermiques

On utilise deux sondes à air identiques. Chacune d’elles est montée directement sur une fiche miniature pour thermocouples de type K. Ces sondes peuvent s’enficher sur un indicateur de température portatif.

La plage de température de ces sondes est la suivante : -50°C à +120°C. Cet intervalle de température est amplement suffisant. En effet, les températures mesurées au cours de notre expérience seront situées environ entre 20°C et 80°C.

La longueur de la sonde est de 100 mm. Son diamètre est de 3 mm.

La gaine de la sonde est en acier inoxydable.

On utilise un simple ruban adhésif pour fixer chaque sonde le long des plaques de cuivre. Des encoches sont faites sur la cellule en PVC, une en haut et une en bas, pour y disposer les sondes.

5.4. Système de refroidissement

Placée au-dessus de la plaque de cuivre supérieure, une circulation d’eau permet d’y maintenir une température uniforme et constante. De l’eau provenant d’un robinet circule dans un tube en cuivre ou en plastique enroulé en spirale sur la plaque supérieure.

5.5. Méthode de la montée en puissance

Nous voulons obtenir, à l’aide de la résistance chauffante, un flux de chaleur linéaire. La montée en puissance doit donc être elle aussi linéaire. Pour obtenir de bons résultats, il faut une croissance de 5 watts en 2 heures [4].

Pour obtenir ceci, il existe plusieurs méthodes , nous avons choisi d’en détailler une : nous pouvons commander cette montée en puissance grâce à la carte d’acquisition " l’impulsion " qui peut délivrer une tension comprise entre 0 et 10.24 volts.

avec : p compris entre 0 et 5 volts

u compris entre 0 et 10.24 volts

alors :

i est compris entre 0 et 500 milliampères.

On considère R constant car la différence de température va être faible [4].

alors :

et :

on obtient donc u en fonction de t :

Il faudra donc que la carte d’acquisition délivre cette tension pour obtenir un flux de chaleur linéaire.