Géométrie calorifique d'une halogène

[delphi_jb]

Bonjour.

Voila, j'aimerai savoir. J'ai une ampoule halogène (1000w) et je suis en train de mettre au point pour cette ampoule un réflecteur droit suivit d'une optique qui réduira son faissaux a un tout fin faisseau lumineux droit mais bien évidement fort intense.

(je compte faire de la decoupe laser. même si ici ce ne sera pas un laser a proprement parlé...)

Ma question: comment fait-on pour calculer la température de la surface du faisseaux (2mm²) sachant que quand l'ampoule est a l'air libre, si on mesure la température d'une surface d'1cm² a un metre de cette lampe, il sera a 34° ?


et aussi, vous n'auriez pas par hazard des idées sur la conception du reflecteur en question pour avoir le moins de perte possible ? c'est que c'est une ampoule assez longue quand même...


je m'en remet a vous..
-----

[Pio2001]

Une petite remarque. Tu parles d'une optique. Or le verre arrête les infrarouges. La température finale ne dépendra donc pas seulement d'un calcul géométrique.

[mbochud]

Bonjour,

En plus de la remarque de Pio2001 ,il y a un problème fondamental.
Si l’on veut obtenir un faisceaux lumineux tout fin et parallèle, on doit avoir une source ponctuelle (ou quasi ponctuelle) ou son équivalent ;un laser.
Sinon, on sera obligé de collimer le faisceau et l’intensité deviendra totalement dérisoire.
On ne peut augmenter le parallélisme d’un faisceau (sauf s’il provient d’une source ponctuelle) tout en conservant toute son intensité. On viole un principe d’entropie en thermodynamique.

[invite58549cb8]

On ne peut augmenter le parallélisme d’un faisceau (sauf s’il provient d’une source ponctuelle) tout en conservant toute son intensité. On viole un principe d’entropie en thermodynamique.

Bonjour,
sans vouloir faire (trop) dériver ce fil, mbochud, pourrais-tu m'expliquer ce que tu entends par là...? j'avoue ne pas saisir où est cette violation du principe d'entropie.

[A voir en vidéo sur Futura]

[delphi_jb]

je vous remercie pour vos reponses.

Je suis partie du principe de la loupe au soleil. ma loupe ne laisse probablement pas passez les infrarouges non plus mais on a quand même une grosse température (qui me conviendrai) au foyer.. si on pouvais convertir ce foyer en un faisseaux bien droit et parrallèle tout fin, je pourrais m'en servir pour decouper ou graver du grand format sur plusieurs mètres.

bien sur ici on parle d'un halogène mais j'ai pris ceci simplement parceque c'est pas chère et que ca chauffe beaucoup...

en fait, l'idéal serai un collimateur droit qui donnerai sur une lentille convergente avec en son foyer une autre lentille divergente pour avoir son rayon parrallèle.

alors, ceci m'a soulevé plein de questions:

quel type de lentille laisse passez les IR ?
existe t-il des collimateur droit pour une source lumineuse en un point ?
existe t-il des ampoules IR autre que des led ou autre luxeon ?


encore merci pour tous..

[mbochud]

sans vouloir faire (trop) dériver ce fil, mbochud, pourrais-tu m'expliquer ce que tu entends par là...? j'avoue ne pas saisir où est cette violation du principe d'entropie.

Ça ne dévie pas du fil , mais c’en est bien le cœur.
La luminance (énergétique) d’un faisceau ne peut que diminuer avec la propagation dans un système quel qu’il soit. Sinon il y aurait diminution d’entropie.
Cela est fondamental en thermodynamique et s’applique à tous rayonnement qui n’est pas cohérent. (La bonne solution est bien d’utiliser un laser).

[mbochud]

Je suis partie du principe de la loupe au soleil. ma loupe ne laisse probablement pas passez les infrarouges non plus mais on a quand même une grosse température (qui me conviendrai) au foyer.. si on pouvais convertir ce foyer en un faisseaux bien droit et parrallèle tout fin, je pourrais m'en servir pour decouper ou graver du grand format sur plusieurs mètres.
:

Non, cette conversion est fondamentalement impossible.
(Si c’était possible, on pourrait facilement faire des machines à mouvements perpétuels)
« principe de la loupe au soleil. ma loupe ne laisse probablement pas passez les infrarouges non plus mais on a quand même une grosse température (qui me conviendrai) au foyer »
Le foyer sera toujours plus froid que la surface du soleil !
Pour avoir la température la plus élevée possible au foyer, il faut un système optique avec la plus grande étendue de faisceau possible, donc un miroir de grand diamètre et courte focale. Et, d'autres parts utiliser la source la plus petite possible étant donnée sa puissance.

« ma loupe ne laisse probablement pas passez les infrarouges »
La majeure partie de l’énergie lumineuse du soleil n’est pas dans l’infrarouge, le max. est dans le jaune.

[mbochud]

NB :
Le flux lumineux qui arrive sur un capteur est la luminance de la source fois l’étendue du faiceau.

[delphi_jb]

ok. je comprend... je suis tout amateur dans le domaine et je viens de comprendre beaucoup de chose ici...

je vais essayé de trouver un listing sur le net de toute les source lumineuse artificiel que l'on peut facilement avoir avec leur propriété propres pour voir quel serais celui le plus approprié a utiliser dans mon cas.

Si j'ai bien compris, l'halogene tire sa majeur partie calorifique dans l'infrarouge. qui est stoppé par le verre de la lentille. ce qui fait que meme si j'arrive a concentrer les rayons divergent de cet halogene en un point, il sera tout simplement tres tres faible. le seul truc qui chauffera, ce sera ma lentille du au fait qu'elle se fait percuter et non traversé par une source intensément chaude.

tout cela du au fait que toute sa lumière emise en dessous de 800 Nm est +/- faible par rapport a ses IR c'est bien ca ?

reste plus qu'a trouver une source lumineuse qui tire sa principal puissance dans une onde visible par l'oeil humain donc pas stoppé par cette fichu lentille..

[mbochud]

Le problème n’est pas dû à l’infrarouge qui n’est pas transmis.
« Si on pouvais convertir ce foyer en un faisseaux bien droit et parrallèle tout fin »(delphi_jb)
C’est précisément cela qui est impossible.
Imagine les rayons qui proviennent du Soleil sur ta loupe. Au foyer on met un « dispositif X » qui garde le faisceau très petit,mais qui le remet bien parallèle. Ce dispositif devrait comporter un petit démon de Maxwell qui regarde chacun des rayons qui arrivent avec leurs angles d’incidence propres et les fait tourner chacun du bon angle pour les ramener exactement dans l’axe.
Le problème, c’est que ce petit démon a besoin de beaucoup d’information pour faire ça, et que cette information n’est pas gratuite !

Le problème est analogue à celui du petit démon de Maxwell qui opère une petite porte placée dans le trou de la serrure. Il ferme la porte chaque fois qu’une molécule arrive de l’intérieur et l’ouvre quand une molécule arrive de l’extérieur.
La pression intérieure monte et fait tourner une turbine !
Là encore cette information n’est pas gratuite !

[delphi_jb]

d'accord. je me suis peut etre mal exprimé en fait... mon but ultime est d'avoir un point extrement chaud. j'avais pensé a un system comme ceci:





1: C'est la source lumineuse: la plus puissante possible...
2: ce sont des mirroir
3 les premieres lentilles convergentes. sert a parralléliser les rayon divergent emis par la source
4: le prisme qui sert a redresser les rayon parrallele renvoyé par les mirroirs extérieur
5: grosse lentille convergente pour rétrécir ces rayon en un foyer
6: en plein dans le foyer du n°5, sert a redresser les rayons de manière parrallèle...


Un espece de collimateur à lentille quoi...

[mbochud]

On peut ainsi avoir un point chaud au foyer de la 5 qui, étant donnée l’étendue du faisceau devrait aller chercher 10% (à l’œil) (désolé, pas plus !) de la puissance de la source , mais le faisceau de sortie (le 10%) ne sera pas parallèle (sa divergence en radian dépendra du rapport diamètre de la source sur (distance 6 à 1))
Et , c’est pour cela que la source soit la plus petite possible (pour avoir la plus grande cohérence spatiale possible sans laser)

[delphi_jb]

la vache, 10% de rendement, c'est pas beaucoup beaucoup...

par contre, pour ce qui est de la source la plus petite possible, j'ai un plan. je vais commencer a le dessiner.

L'idée est d'enfermer la lampe halogène dans une grosse boule dont la paroi sphérique serai un parfait mirroir. on aurait un tout petit trou a l'extrémité de cette sphère qui laisserai donc echapper toute la lumière qui un moment ou un autre, passera par la...

je schématise mon idée. j'arrive..

en tout cas, merci de votre patience

[delphi_jb]

Voila. Bien sur il y aura des pertes du a l'impact des rayon incident sur son propres filament si devait evidement rencontrer le filament.

donc j'explique mon shémas:




1: l'ampoule halogène.
2: la sphère mirroir
3: exemple d'un rayon incident rapide. une reflexion et déja dans le trou !
4: exemple d'un rayon incident plus long à arriver a destination...
5: trou d'1 mm avec paroi interieur en mirroir aussi
6: temps qu'il faut pour que le Rayon n°3 arrive a destination
7: temps qu'il faut pour que le Rayon n°4 arrive a destination


voila. Avec ce système, j'espere pouvoir mettre n'importe quel type d'ampoule
(puissance, forme,...).

Je crois qu'en fait, l'inconvenient de ce system est qu'il faudra un peu de temps pour que tout les rayon incidents de l'halogène arrive à destination.
cepandant, c'est un demi mal pareque de 1, V. lumiere = 300000km/sec et secondo, dans mon projet, cela n'a aucune importance... la sortie du "tunnel miroir" (le trou d'1mm) debouche evidement dans ma première composition.

[delphi_jb]

Si vous voulez, pour avoir une vue plus "fini" de mon projet, voici une petite image que je viens de réaliser.




pour rappel, le Bleu est la partie mirroir, qui reflechira tout les rayons sorti fraichement de la lentille primaire vers le prisme Cone qui elle, va remettre ses rayon dans le droit chemin.

[delphi_jb]

voila, j'enchaine.. lol





Bon, normalement, le tunnel de liaison, celui qui conduit tout les rayons incidents, est beaucoup plus fin. ici, il n'est pas proportionnel...

normalement, il doit faire à peine 1 mm de diamètre pour avoir une source idéal. plus la source est fine, plus le rayon final sera bon...

[mbochud]

Il existe commercialement des miroirs ELLIPSOÏDE (très coûteux) où la source est placée à un foyer.
On peut récupérer à l’autre foyer 80% de la lumière.

Une autre solution qui ressemble un peu à ta sphère miroir est le volume fermé recouvert d’un blanc très pur qui diffuse en réfléchissant le 99,999% de la lumière incidente (C’est un plastic vendu pour ce genre d’application). La forme n’a pas tellement d’importance. Il y a un trou pour la source et un trou pour la sortie. L’énergie est absorbée par le trou ou par la source !
Il y a un problème d’élimination de chaleur.

Dans ces 2 cas, la luminance (énergétique) d’un faisceau au foyer ou à la sortie sera toujours un peu plus petite que la source.
Elle ne peut que diminuer ! Mais dans ces derniers cas, elle diminue moins.

Cela te donnera un foyer (ou sortie du trou) très lumineux donc chaud.

Mais tu te heurtes toujours au même problème très fondamental.
« qui reflechira tout les rayons sorti fraichement de la lentille primaire vers le prisme Cone qui elle, va remettre ses rayon dans le droit chemin. »
Ça c’est impossible.
Relis les messages 3,6,7,8,10 .

[delphi_jb]

merci mbochud. je n'ai plus que ce problème à régler alors..

tu sais si on sait contourner cette phase qui m'est impossible pour arriver au résultat que je veux ?

parceque quand meme, j'ai reussi à faire converger une source de lumière qui partait dans tout le sens en un ensemble de rayon qui vont quasi tous dans le meme sens.. ce serait franchement bête a ce niveau de ne pas pouvoir réinverser le processus...

et au passage, puisque tu as l'air de maitriser le sujet de long en large. je cherche un logiciel interactif tout simple qui me permettrai de faire des montages optiques dans l'espace ou sur un plan 2d pour pouvoir tester mes projets et aussi bien apprendre les propriétés de reflexion/refraction des différentes formes de prisme...
tu sait, un truc tout con du style un menu a gauche avec des source lumineuse, les différents prismes connu, des mirroirs,... et qu'on pourrais glisser deplacer sur une scene et tester..


merci d'avance

[mbochud]

« Je n'ai plus que ce problème à régler alors ». Ce « plus que »n’est pas rien, il nécessite une source qui a une grande cohérence spatiale ; c’est un laser qui peut générer convenablement.

Côté logiciel de simulation d’optique géométrique, il y en a, mais je n’en ai jamais utilisé. (Question dans une nouvelle discussion?.)
Côté logiciel d’apprentissage d’optique géométrique et physique, je connais OLPHY II
http://www.eduenligne.com/olphy/olphy_description.html

[SunnySky]

Wow! intéressant, mais à mon avis impraticable.

Le montage risque d'être extrêmement complexe à réaliser dans la vraie vie. Tout d'abord, la figure (extraordinaire, soit dit en passant) doit être en 3D. Ce qui veut dire que tes lentilles "3" doivent être en réalité des anneaux ayant le bon profil. $$$.

Ensuite, ton prisme devra en fait être un cône. Bon là, pas de problème à mon avis.

Mais l'halogène, maintenant. Une ampoule halogène dégage beaucoup de chaleur et celle-ci doit se dissiper. Ta sphère réflexive qui vise à éviter les pertes d'énergie risque donc de faire brûler le filament de l'ampoule.

J'ai l'impression d'être très rabat-joie et j'aimerais beaucoup me tromper...

[delphi_jb]

ne t'inquiète pas, tu n'est pas rabat-joie du tout. au contaire... j'avais déja en tête ces problèmes en fait... pour la sphère, c'est vrai que s'en est un. bon je peut toujour faire des micro trou par ci par la et faire un système d'aération extérieur par refroidissement liquide mais le hic c'est que si je commence à faire tout ca, je baisse le rendement de ma sphère. (si un rayon incident doit percuter 11525 x les parois avant de trouver le bon trou, y a de forte chance qu'il trouve un des trous de mon aération en premier... et la, perte total..) mais bon, si c'est le prix a payer...

pour ce refroidissement, j'avais construit un beau moteur de Stirling. du coup, tout devient plus facile... petit circuit fermé avec de l'eau ou même de l'azote liquide qui passerai dans un radiateur sur lequel je mettrai deux 120mm pour la circulation d'air. (j'vais faire gaffe alors. le moteur de stirling est capable si on tourne son axe trop vite de refroidir à -200° celsuis. température ou l'air devient liquide. ca ne m'interesse pas... )

Pour ce qui est de la lentille n°3, CA c'est un réel problème. je pense que je vais l'usiner moi même dans un matériaux de plexi haute performance (résistant à de très haute température). le hic c'est que je n'arriverai pas a usiner pile poil jusqu'a l'intérieur mais bon... une fois fait:

poncage au 200 ==> 800 ==> 2000 à eau ==> 8000 à eau ==> pollissage fin ==> survolage de flamme de chalumeau et j'obtient un prisme d'une rareté exstrème..



Pour ce qui est des shémas, tout est fait en illustrator CS3. l'anné prochaine je commence à voir 3dsmax. ce sera encore autre chose..

[delphi_jb]

j'ai peit être une idée pour la dissipation de chaleur. un gros trou style 1cm de diamètre avec a l'intérieur un system que j'appelerais "sapin de noel décalé". je met ca en pratique...

[delphi_jb]

dites, juste une question comme ca dans le vent. existe-t-il un matériaux completement (ou partiellement) miroir d'un coté et transparent (ou presque) de l'autre ?

[mbochud]

existe-t-il un matériaux completement miroir d'un coté et transparent de l'autre ?

Là aussi on touche à l’entropie et à la thermodynamique.
Le coefficient de réflexion peut être différent d’un côté à l’autre.
Mais la transmission, pour une longueur d’onde donnée, est obligatoirement la même dans les 2 sens.

Preuve par l’absurde :
Une boîte fermée transmet 90% vers l’intérieur et 10% vers l’extérieur. L’intérieur pourra capter ce rayonnement et le transformer en puissance gratuite. Là encore, le petit démon de Maxwell ne travaille pas gratuitement ! (Même s’il ne gagne vraiment pas cher de l’heure, car l’information est très peu couteuse.)

[delphi_jb]

pour revenir à ma sphère. je suis en train de réfléchir... je suis même pas obligé de le faire en sphère... n'importe quel forme c'est bon. même un cube ca passerai... du moment qu'il ne soit pas trop "parfait" dans la longueur de ses cotés...

parceque si la sphère est idéal, elle est aussi très compliqué a réaliser.. ca je m'en suis rendu compte quand j'ai commencé à faire le moule pour faire fondre l'aluminium. la vache, c'est pas simple ! en plus, polir une surface interne de demi sphère est toujours nettement plus compliqué que de polir une surface plate. Et puis en plus, comme c'est un carré, je sait le faire en fer ou en acier. l'avantage tenant du fait que le fer fond a 1540° au lieu de 660° pour l'alu...

bon, ce que je risque c'est que je doivent attendre plus longtemps pour avoir mon rendement maximum a la sortie de mon petit trou d'1 mm... les rayons rencontrant des surface plate, elle risque d'entrer dans une "périodique" de rebondissement des surfaces avec seulement quelque (dixième ?) de pourcentage de fuite...

qu'en pensez vous ?

[obi76]

quel type de lentille laisse passez les IR ?

Le matériel optique utilisé pour le traitement des infrarouges sont en Germanium, inutile de te dire qu'une seule de ces lentille a le même prix d'une dizaine de LED laser IR de quelques Watts (cf ebay).

[obi76]

C'était pas très constructif comme réponse

Bref, j'ai un autre problème à te soulever.
A ton avis quelle est la distance moyenne parcourue par la lumière dans ta sphère ? plus le trou de sortie est petit, plus celle-ci est élevée.
Or, L'air est un absorbant (même faible), donc pour avoir un bon rendement sans trop de pertes dans la sphere, il serai bon d'y mettre le vide.
D'où autre problème : l'halogène risque de péter avec la différence de pression...

[delphi_jb]

je peux en effet mêttre tout sous vide mais pour avoir un vide correct, quel sont les valeurs de pression négatif à appliquer ?

[obi76]

Dans la mesure ou ton vide n'est là "que" pour éviter une absorbtion de l'air, celle-ci étant très faible un vide "léger" suffira.
Si tu met 0,01 atm c'est déjà très bien (et suffisant pour pouvoir négliger l'absorbtion).

[delphi_jb]

heu...

ca fait 0.01013 bar... c'est vraiment une valeur quasi null ca... comment vais-je fair pour mesurer une pression aussi basse ? existe-t-il des manomètres de grande précision ?
(je m'attendait quand même a -1 bars par exemple... )

Tant mieux me dira-t-on... à cette pression, je pense que la lampe halogène ne risque pas grand chose.

pour ce qui est du dégagement calorifique d'une amoule halogène de 1000w, quelqu'un sait-il me renseigner ?

et aussi, l'idée de remplacer la sphère par un cube au parois métalique polis (miroir) est-il envisageable ?


Pour ma par, je viens de découvrir sur un autre forum que le plexi (FMMA dans mon cas) n'a pas besoin d'etre complètement transparent pour conduire la lumière. s'il est translucide, c'est bon. d'ailleur, le choix du polyméthacrylate de méthyle n'est pas un mauvais choix dans le sens ou il est plus lumineux et transparent que le verre.
et comme mon but n'est pas de fabriquer un telescope...