Influence de chaque mode de transfert sur la cinétique de refroidissement d’un film de PET

Nous cherchons ici à établir la participation de chaque mode de transfert de chaleur, indépendamment des uns des autres, lors du refroidissement d’un film de PET de 100 µm d’épaisseur. Nous réalisons pour cela quatre simulations et examinons la température du film en son cœur :

 La cinétique de refroidissement du film par transfert conductif entre la plaque et le film : La première simulation consiste à déterminer dans quelle mesure la plaque d’aluminium participe au refroidissement du film. Nous imposons donc d'abord au système un seul type d’échange thermique de type conductif entre le film et la plaque. Pour cela le film est isolé des échanges thermiques convectifs et radiatifs vers l’extérieur. Les conditions initiales de température sont 20 °C pour la plaque et 120 °C pour le film.

 La cinétique de refroidissement du film par transfert radiatif entre le film et l’extérieur : La seconde simulation consiste à déterminer les pertes de chaleur du film

te mpé ra tur e en °C temps en s

par transfert radiatif lorsqu’il est initialement à 120 °C et entouré d’air à 20 °C. Nous supposons ici que le film est parfaitement isolé de la plaque et que les échanges convectifs avec l’air sont nuls.

 La cinétique de refroidissement du film par transfert convectif libre entre le film et l’extérieur : La troisième simulation est consacrée à l’effet de la convection libre entre le film et l’air sur le transfert de chaleur. Les conditions initiales correspondent à un film dont la température est de 120 °C, isolé thermiquement de la plaque d’aluminium et n’émettant pas de flux radiatif. Le coefficient d’échange par convection h = 2,5 W/(m2.K).

 La cinétique de refroidissement du film par l’ensemble des composantes de transfert thermique : Enfin, la quatrième simulation suppose l’ensemble des échanges thermiques précédents, c'est-à-dire la conduction entre le film et la plaque, la convection entre le film et l’air, et la radiation du film vers l’extérieur. À l’état initial le film est toujours à 120 °C, la plaque et l’air sont à 20 °C.

Figure III-11 : Cinétique de refroidissement du film en fonction du mode de transfert thermique

La courbe traduisant l’effet de la seule conduction entre le film et la plaque nous indique que la température du film est restée à 120 °C pendant les 20 s de mesures. En regardant les thermogrammes de la surface du film (Figure III-12), nous observons que le refroidissement par la plaque est localisé à la zone de contact. Les propriétés isolantes du polymère limitent le transfert de chaleur à l’intérieur même du matériau. Cela explique que le

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

conduction film / plaque convection rayonnement transfert global tempé ra tur e en °C temps en s

film conserve sa chaleur et ne voit pas sa température diminuer pendant ce laps de temps.

Figure III-12 : Thermogrammes du transfert plaque / film à 0 s et 20 s

La courbe correspondant au refroidissement du film par convection du film vers l’extérieur montre un refroidissement modéré sur cet intervalle : après 20 secondes sa température atteint 80 °C soit une baisse de 40 °C.

La courbe du rayonnement montre que la température du film passe à 60 °C après 10 secondes de refroidissement. Après 20 secondes, elle n’est plus que de 40 °C. C’est sensiblement le mode de transfert qui participe le plus au refroidissement du film. La dernière courbe représente le refroidissement du film selon les trois modes de transferts. Bien que la réponse globale ne soit pas trop éloignée de la composante relative au rayonnement ces résultats montrent que les pertes de chaleur par convection libre ne sont pas négligeables. Après 20 secondes, le film est proche de 30 °C et tend vers la température ambiante.

Nous avons aussi réalisé les thermogrammes, reproduits sur la Figure III-13, du film de la zone de contact avec la plaque, afin d’avoir une lecture globale des transferts thermiques. L’axe des abscisses correspond à la longueur sur laquelle la mesure de la température du film est réalisée. Le 0 étant la zone de contact, les valeurs négatives correspondent à la partie du film prise dans la plaque et les positives au film en contact avec l’air. L’axe des ordonnées correspond à la fenêtre temporelle définie entre 0 et 25 secondes pendant laquelle le régime transitoire est simulé. L’échelle de droite correspond à la température. Elle affiche la gamme allant de 120 °C à 20 °C, ce qui correspond respectivement à la température initiale du film et à la température ambiante. Les

thermogrammes relatifs au transfert radiatif et au transfert convectif libre montrent un refroidissement homogène sur toute la surface, on se rend ici bien compte de la cinétique de refroidissement qui est plus rapide pour le radiatif que pour le convectif.

Figure III-13 : Thermogrammes du refroidissement d'un film de PET en fonction du mode de transfert thermique dans la zone de contact entre le film et la plaque.

Le thermogramme du transfert conductif est divisé en deux zones. Celle de gauche qui correspond au film encastré. La température y reste proche de 20°C, ce qui s’explique par l’absorption de la chaleur du film par la plaque d’aluminium. La zone de droite correspond au film qui n’est pas en contact avec la plaque. Le refroidissement provient du contact avec la

Convection libre Bilan thermique Conduction Rayonnement zone de c onta ct

plaque et se propage assez lentement vers l’intérieur du disque. Le dernier thermogramme représente l’ensemble des transferts de chaleurs. Invariablement, le film pris dans la plaque voit sa température rester à 20 °C. En dehors, le contact de la plaque sur le film n’influence sa température que sur une zone limitée à 3 mm environ. En somme, ce sont donc les transferts radiatifs et convectifs qui prédominent dans le refroidissement du film.

2.1.4. Influence de l’épaisseur du film de PET sur la cinétique de transfert