Expérience sur le rayonnement infrarouge

[invite4cf635ad]

Bonsoir,

Je suis en train de monter une expérience que je voudrais didactique sur le principe de rayonnement infrarouge des corps. Pour le moment j’ai une boite en bois disposant d’une fenêtre en plexi (voir figure ci-dessous). Chaque paroi est isolée avec du polystyrène (1cm d’ép). L’intérieur de la boite est chauffé par un spot halogène de 500W placé à l’extérieur en face de la vitre. L’idée est de faire varier la température intérieure suivant l’utilisation de parois intérieures recouvertes de papier noir (absorbant) ou d’aluminium (réfléchissant).
Cette expérience est-elle viable ? Je cherche encore des idées/conseils me permettant d’agir sur la température intérieure de la boite et idéalement de façon ludique (ex. comparaison avec la chauffe d’une maison). J’ai par exemple pensé à un mini ventilateur à pile pour créer de la convection forcée et hausser la température.
Merci d’avance pour vos conseils

Amicalement

Thoms


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[gwgidaz]

Bonjour,
Tu mets en oeuvre des phénomènes complexes.
Il va y avoir de l'effet de serre.
Connais-tu la transparence de ta fenêtre aux infra rouges lointains?
Il faudrait préciser le phénomène que tu veux mettre en évidence...

[invite4cf635ad]

Salut gwgidaz
Je ne connais pas la transparence de la fenêtre aux infrarouges lointains. Je n’ai pas encore fait le choix du plexiglas. Mais en principe ce serait du simple comme sur ce site .
A la base, c’est le rayonnement infrarouge des parois intérieures que je veux mettre en évidence. Je veux montrer que chaque surface n’absorbe pas de la même manière, que cela dépend de leur émissivité. Ainsi la température intérieure de la boite varie différemment suivant le matériau utilisé pour les parois.
En conclusion, si la différence de température dans la boite entre l’expérience réalisée avec des parois en alu et celle réalisée avec du papier noir est significative après un même temps d’exposition à la lampe, l’expérience est réussie.

[gwgidaz]

Bonjour,

Le plexiglass est probablement opaque aux infrarouges lointains, donc il y aura effet de serre pour les IR lointains.
Donc cette expérience devrait marcher à condition d'avoir surtout des infra rouges proches , donc une source de température suffisante , source au moins rougeoyante, pour que les IR puissent ressortir par la fenêtre.
Ou alors , tu mets une fenètre en feuille de polyethylène.

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite4cf635ad]

Mon unique source de chaleur est mon spot halogène 500W par son flux énergétique visible qui traverse le vitrage (8550 lumen). Ce n'est pas suffisant?

[Boumako]

Bonjour

Cette expérience me semble assez pertinente, toutefois tu n'as pas précisé la taille de la boite. Le ventilateur se trouvera où ?

[invite4cf635ad]

Bonjour Boumako,

La boite fait 20x20x20 cm, elle est en bois et ses parois ont une épaisseur de 1cm. Les parois intérieures sont recouvertes d'1cm de polystyrène + papier noir ou alu.
Pour le ventilateur, il serait placé en bas de la paroi qui fait face au plexiglas, "soufflant" vers le haut. Par contre je ne sais pas du tout si le débit d'air est suffisamment élevé pour vraiment apporter quelque chose à l'expérience...

[gwgidaz]

Bonjour.
La température du radiateur est suffisante pour avoir surtout des IR proches.
Il est inutile de placer le radiateur trop près, car il risque de faire très chaud dans la boîte !
Enfin, le thermomètre ne doit pas "voir" directement les IR issus du radiateur, sinon tu mesures l'émissivité du thermomètre....

[invite4cf635ad]

Bonjour.
La température du radiateur est suffisante pour avoir surtout des IR proches.
Il est inutile de placer le radiateur trop près, car il risque de faire très chaud dans la boîte !
Enfin, le thermomètre ne doit pas "voir" directement les IR issus du radiateur, sinon tu mesures l'émissivité du thermomètre....

Je ne comprend pas, quel radiateur? J'utilise un spot lumineux placé en face de la vitre à l'extérieur (la boite est vide). La température extérieure est la même pour chaque expérience
Pour le thermomètre c'est noté, merci

[Boumako]

Si le ventilateur est placé dans la boite il permettra surtout d'avoir une température homogène, sans quoi la mesure ne sera pas vraiment pertinente, l'air chaud s'accumulant en haut.
Pas de soucis à se faire sur l’émissivité du thermomètre, la convection sera prépondérante puisque la température sera rapidement la même partout.

Je viens de vérifier sur une feuille de calcul, en gros tu vas avoir moitié du flux incident qui va pouvoir traverser la plaque de PMMA, le reste sera en partie réfléchi, ou participera à l'échauffement de la plaque.
Un petit graphique pour illustrer tout ça, la courbe bleue a son axe à gauche, la rouge à droite.

[invite4cf635ad]

Je viens de vérifier sur une feuille de calcul, en gros tu vas avoir moitié du flux incident qui va pouvoir traverser la plaque de PMMA, le reste sera en partie réfléchi, ou participera à l'échauffement de la plaque.
Un petit graphique pour illustrer tout ça, la courbe bleue a son axe à gauche, la rouge à droite.
Pièce jointe 271601

Ah, je pensais que le plexi laissait passer plus de visible (au moins 80%)! Concernant le graphe, je ne comprend pas l'allure de la courbe. La transmission à travers le plexi n'est pas plus grande quand on est dans le visible (<750 nm) plutôt que dans l'infrarouge?
Si seulement 50% du flux visible parvient sur les parois intérieures, est-ce suffisant pour réussir les expériences? Faut-il trouver un autre matériau transparent pour le vitrage?

Si je puis me permettre, vos calculs m'intéressent, pourriez-vous les partager ici svp?

[Boumako]

C’est le cas : La courbe de transmission est en bleu, et se lit à gauche. On a presque 95% dans le visible, puis ça se dégrade vers 1200nm.
La part transmise est toutefois plus importante dans l'IR, car la lampe produit plus dans cette zone.

En ce qui concerne les calculs il n'y a rien de sorcier, j'avais les valeurs de transmission du PMMA sur une feuille Excel, j'ai simplement multiplié par la courbe d'un corps noir à 2700K pour chaque longueur d'onde. Si ça t’intéresse je peux t'envoyer la feuille Excel.

[invite4cf635ad]

Ok merci, autant pour moi
Oui si ça ne te dérange pas je veux bien la feuille excel

[invite4cf635ad]

edit: il n'y a donc pas de soucis avec l'expérience en utilisant ce type de plexi si 95% du visible est transmis. Etant donné que c'est ce flux qui sera absorbé partiellement par les parois intérieures et qui participera principalement à l'échauffement de la boite (suivant l'émissivité des parois)

[Boumako]

Voici la feuille en question.

PMMA - Copie.zip

[Boumako]

Le visible va représenter une part assez faible de la puissance transmise. Ce sont surtout les IR proches qui vont influencer la montée en température.

[invite4cf635ad]

Bonjour

Voici la feuille en question.
Pièce jointe 271608

Merci pour la feuille excel, intéressant la variation de coefficient de transmission suivant la longueur d'onde! Où je peux trouver ce genre de caractéristiques?

Le visible va représenter une part assez faible de la puissance transmise. Ce sont surtout les IR proches qui vont influencer la montée en température.

Oui c'était une de mes craintes au début. Dans mes calculs j’ai utilisé le flux lumineux de mon spot (8850 lumen) que j’ai converti en Watt pour avoir la puissance du visible incident sur la fenêtre (corrigé avec un coefficient vu que tout n’arrive pas sur la fenêtre). Pour la conversion, j’ai approximé la valeur énergétique d’un lumen à 1/683 W pour un rayonnement monochromatique vert-jaune de longueur d’onde λ = 555 nm, soit environ 1,464 mW (sur base du graphe Figure 1).

Figure 1 - Efficacité énergétique.png

Au final j’obtiens 4,7 W de visible transmis dans la boite (avec un coefficient de transmission de 95% vu que c’est du visible). Une partie de ce flux visible transmis est absorbée par les parois (ensuite rayonné sous forme d’infrarouge) et le reste est réfléchi (visible) et ressort en grande partie par le plexi (« phi_lampe;visible;sortant »).
En prenant compte l’infrarouge produit par la lampe (suivant sa température de contact), les différent(e)s convections, rayonnements (échanges radiatifs entre surfaces intérieures), conductions, j’obtiens les résultats encourageants suivants :

Figure 2 - Résultats.jpg

NB : J’ai simplifié en imposant un coefficient d’absorption (= émissivité) invariable, ne prenant pas compte de la longueur d’onde du flux énergétique/ rayonnement incident. Je n’ai pas calculé l’inertie thermique, le résultat représente l’équilibre c’est pourquoi les températures sont aussi hautes. J’ai approximé les pertes par pont thermique à 10% des pertes totales.
Aussi pour la fenêtre de plexiglas, il est possible d’utiliser une plaque de 6mm d’ép au lieu de 2mm, c’est peut-être préférable pour l’expérience (meilleur isolation et inertie thermique).



Concernant le problème du thermomètre qui mesurerait son émissivité (sans mouvement d'air à l'intérieur de la boite), j'envisage de l'isoler (voir Figure 3) et le placer en hauteur dans la boite, j'aimerais éviter si possible le ventilateur à pile.

Figure 3 - Isolement sonde de température.png

Bonne soirée

Thoms

[Boumako]

Bonjour

Merci pour la feuille excel, intéressant la variation de coefficient de transmission suivant la longueur d'onde! Où je peux trouver ce genre de caractéristiques?

Il y a 2 possibilités : Soit tu as accès à l'appareillage permettant de faire la mesure (ici un spectro proche IR), soit tu récupères les valeurs en cherchant sur le net, en tapant par exemple "PMMA transmission curve"

Dans mes calculs j’ai utilisé le flux lumineux de mon spot (8850 lumen) que j’ai converti en Watt pour avoir la puissance du visible incident sur la fenêtre (corrigé avec un coefficient vu que tout n’arrive pas sur la fenêtre). Pour la conversion, j’ai approximé la valeur énergétique d’un lumen à 1/683 W pour un rayonnement monochromatique vert-jaune de longueur d’onde λ = 555 nm, soit environ 1,464 mW (sur base du graphe Figure 1).

Je t'ai donné la valeur de flux par tranche de 1nm sur la feuille Excel, donc autant partir sur ces données. Il suffira juste de multiplier par un coefficient comme tu l'a fait (correspondant à l'angle solide de lumière incidente de ton spot)

Aussi pour la fenêtre de plexiglas, il est possible d’utiliser une plaque de 6mm d’ép au lieu de 2mm, c’est peut-être préférable pour l’expérience (meilleur isolation et inertie thermique).

En réalité ça ne changera pratiquement rien : Une plaque de plexi représente une résistance thermique de 2* 1/10 (pour les échanges superficiels) + 1/ (0.18 /0.003) = 0.25 °C.m²/W ou 0.233 pour une plaque de 6mm d'épaisseur. L'échange est principalement limité par les coefficients de surface. Si tu veux une meilleure isolation il faudrait plutôt utiliser du polycarbonate alvéolé : http://www.serre-pro.com/SJ/info/polycarbonate.asp

Concernant le problème du thermomètre qui mesurerait son émissivité (sans mouvement d'air à l'intérieur de la boite), j'envisage de l'isoler (voir Figure 3) et le placer en hauteur dans la boite, j'aimerais éviter si possible le ventilateur à pile.

Dans ce cas il suffit simplement de faire un petit écran pour le placer dans l'ombre, mais sans ventilateur il faut s'attendre à de grosses différences de températures selon la hauteur de mesure. Il serait tout de même intéressant de pratiquer aussi les mesures sans écran, pour voir la différence.

[invite4cf635ad]

Je t'ai donné la valeur de flux par tranche de 1nm sur la feuille Excel, donc autant partir sur ces données. Il suffira juste de multiplier par un coefficient comme tu l'a fait (correspondant à l'angle solide de lumière incidente de ton spot)

Mes calculs datent de quelque jours, je vais essayer de les mettre à jour avec ces nouvelles données.
Cependant vu que le filament de la lampe chauffé avec les 500W se trouve derrière le vitrage de la lampe, ne faut-il pas adapter les calculs?

[Boumako]

Oui effectivement, il faudrait logiquement prendre en compte la filtration du verre de la lampe, toutefois les ampoules halogènes sont en silice, qui possède un profil de transmission très lisse : http://www.thorlabs.de/images/TabIma...ion_large2.gif donc tu simplement multiplier le rayonnement par 93%.

[invite4cf635ad]

Bonjour

J’ai mis à jour le calcul avec les infos sur la feuille excel + la rectification du verre de la lampe. J’obtiens de très hautes températures intérieures, ce qui est je pense logique vu que c'est le résultat à l'équilibre. Par contre je ne suis pas sûr de mon coefficient pour la quantité de flux incident sur la fenêtre. L’angle solide vaut 0,175 (S_fenêtre * cos (a) / d^2). Si je l’utilise comme coefficient (flux émis * angle solide), j’obtiens des résultats assez abusé en température :

Figure 1 - Résultats 1.PNG

Avec 59,865 W de flux énergétique reçu sur la fenêtre et 45,78 W transmis

Le logiciel (EES) peut me calculer le facteur de vue entre la lampe et le plexi, j’obtiens F = 0,03394, ça me semble vraiment peu j’obtiens avec ces résultats :

Figure 2 - Résultats 2.PNG

Avec 11,5 W de flux énergétique reçu et 8,86 W transmis

Aussi, j’ai posé une hypothèse dont je ne suis pas sûr : seule la partie de la puissance transmise dans la boite absorbée par les parois intérieures participe à la chauffe de la boite. Le reste est réfléchi et traverse à nouveau le plexi (suivant table de transmission pour chaque longueur d’onde) et donc sort de la boite sans la chauffer (d’où la chauffe plus rapide pour des émissivités élevées des parois intérieures). Si ça se passe comme ça en vrai, l'expérience est réussie

Aussi pour que mes résultats soient plus pertinents il faudrait que je fasse le calcul en dynamique en prenant compte du temps (inertie thermique des parois, du volume d’air intérieur) mais j'y ai pas encore regardé et ça m'a l'air foutrement compliqué!

Merci d'avance pour l'aide

Amicalement

[Boumako]

En fait ce n'est pas si compliqué si tu fais ton calcul par pas sur de petits intervalles de temps. Il suffit d'être méthodique et de bien poser toutes les équations sur une feuille Excel, puis tu déroules. Tu peux aussi le faire en activant le calcul itératif.
En tout cas ces résultats ne sont pas réalistes, je pense que certaines hypothèses sont mal posées.