Nous avons défini la notion de thermoélectricité dans la première partie de ce chapitre. D’abord, les trois effets thermoélectriques, telles que l’effet Seebeck, l’effet Peltier, et l’effet Thomson, sont décrits et la relation entre ces trois effets, qui est déterminée par Kelvin, est abordée. La définition des caractéristiques des couples thermoélectriques employés par l’effet Seebeck est détaillée.
Ensuite, nous présentons et comparons les matériaux thermoélectriques, à savoir les conducteurs métalliques et les semi-conducteurs. Selon le facteur de mérite Z, un bon matériau thermoélectrique a un coefficient Seebeck élevé, une faible conductivité thermique, et une faible résistivité électrique. Ainsi, les semi-conducteurs sont utilisés pour la génération thermoélectrique et la réfrigération thermoélectrique grâce à leur facteur de mérite élevé. A l’inverse, les couples thermoélectriques métalliques voient leurs principaux développements dans le domaine de la mesure de température car ils sont plus stable et leurs plage de température est plus large.
Nous nous sommes intéressés aux fluxmètres thermiques dans la deuxième partie de ce chapitre. Les fluxmètres thermiques sont utilisés afin de mesurer une densité de flux. Bien qu’il y ait trois types de fluxmètres thermiques différents selon les principes utilisé, à savoir le fluxmètre thermique à inertie, le fluxmètre thermique à dissipation ou à méthode zéro, et le fluxmètre thermique à gradient de température, nous nous concentrons sur les fluxmètres thermiques à gradient tangentiel de température. Ces fluxmètres thermiques mesurent un flux à partir de l’évaluation du gradient de température grâce à l’effet Seebeck mettant en jeu un réseau de couples thermoélectriques (ou thermopile).
Bien que la procédure de fabrication utilisée puisse être différente selon les fabricants, leurs technologies sont basées sur le principe de l’électrode plaquée.
Les fluxmètres thermiques peuvent être utilisés pour différentes applications, telles que la régulation de la température des bâtiments, le contrôle de l’efficacité des isolations thermiques, ou également la mesure des échanges thermiques entre le corps humain et son environnement pour les applications physiologiques.
Références Bibliographiques
[1] D.Hauser, Thèse doctorat : Elaboration de super-réseaux de boîtes quantiques à base de SiGe et développement de dispositifs pour l’étude de leurs propriétés thermoélectriques, Université de Grenoble, France, (2011).
[2] J.G.Stockholm, Génération thermoélectrique, Energie portable : autonomie et intégration dans l’environnement humain, Journées électrotechniques du club EEA, France, (2002), 35-42.
[3] L.D.P.López, Thèse doctorat : Caractérisation des propriétés thermoélectriques des composants en régime harmonique : techniques et modélisation, Université Bordeaux 1, France, (2004).
[4] J.G.Stockholm, La thermoélectricité applications et perspectives, Sciences, Vol.95-3, (1995), 3-11.
[5] P.Croissant, B.Lenoir, J.P. Michenaud, A.Dauscher, Thermoélectricité : des principes aux applications, Techniques de l’ingénieur, K-730, France, (2010).
[6] V.Da Ros, Thèse doctorat : Transport dans les composés thermoélectriques skutterudites de type RxCo4-y NiySb12 (R = Nd, Yb et In), Institue polytechnique national de Lorraine, France, (2008).
[7] S.O.Kasap, Thermoelectrical effets in metals: thermocouples, e-Booklet, (1990- 2001).
[8] R.E.Bentley, Handbook of temperature measurement: theory and practice of thermoelectric thermometry, Vol. 3, (1998).
[9] R.Lacroix, Couples thermoélectriques et mesure des températures, Techniques de l’ingénieur, r2590, (1974).
[10] Instrumentation CIRA, Mesure de température, Cours (2006-2007) : http://perso.numericable.fr/cira/pdf/Cours/Instrumentation/temperature.pdf, (consulté le 28/09/2015).
[11] G.S.Nolas, J.Sharp, H.J.Goldsmid, Thermoelectrics: basic principles and new materials developments, (2001).
[12] C.Godart, Matériaux à effets thermoélectriques, Techniques de l’ingénieur, n1500, (2009).
[13] D.M.Rowe, Thermoelectrics Handbook: Macro to Nano, (2005).
[14] E.Renaot, D.Jouin, Étalonnage et vérification des thermomètres - généralités et description d'instruments, Techniques de l’ingénieur, r2520, (2012).
[16] J.M.Autran, R.Lacroix, Couples thermoélectriques: caractéristiques générales, Techniques de l’ingénieur, r2592, (1986).
[17] N.Dubey, M.Leclerc, Conducting polymers: efficient thermoelectric materials, Journal of polymer science part B: polymer physics, Vol. 49, (2011), 467–475.
[18] P.Thureau, Fluxmètres thermiques, Techniques de l’ingénieur, R2900, (1988). [19] H.Kada, E.Antczak, M.Broda, E.Wirquin, La fluxmètrie, Projet national Calibé. [20] Z.S.Abdel-Rehim, M.M.Saad, M.El-Shakankery, I.Hanafy, Textile fabrics as thermal insulators, Autex Research Journal, Vol. 6, No.3, (2006), 148-161.
[21] M.Yala-Aithammouda, Thèse doctorat : Etude et réalisation de microcapteurs de flux thermique en technologie silicium, Université de science et technologie de Lille, France, (2007). [22] http://www.vatell.com/, (consulté le 28/09/2015). [23] http://www.rdfcorp.com/, (consulté le 28/09/2015). [24] http://www.omega.com/, (consulté le 28/09/2015). [25] http://www.hukseflux.com/, (consulté le 28/09/2015). [26] http://www.wuntronic.de/, (consulté le 28/09/2015). [27] http://www.captec.fr/, (consulté le 28/09/2015).
[28] B.Azerou, Thèse doctorat : Conception, réalisation et mise en œuvre de fluxmètres thermiques passif et dynamique à base de couches minces, Université de Nantes, France, (2013).
[29] P.Meyne, Généralités sur les capteurs, Université de Paris 12 Val de Marne, Faculté des sciences et technologie, (2008-2009).
[30] H.Randrianarisoa, Thèse doctorat : Etude et réalisation d'un banc de mesures pour capteurs de rayonnement infrarouge. Application à la caractérisation de microradiomètres, Université des sciences et technologies de Lille, France, (1998). [31] C.Machut, Thèse doctorat : Contribution à l'étude des thermocouples plaqués. Application à l'autocompensation en températures de nouveaux capteurs, Université des sciences et technologies de Lille, France, (1997).
[32] Z.Xizhong, D.Zizhu, Z.Genhong, Application of the heat flux sensor in physiological studies, Journal of Thermal Biology, Vol. 18, No. 5/6, (1993), 473–476. [33] R.Niedermann, A.Psikuta, R.M.Rossi, Heat flux measurements for use in physiological and clothing research, Int. J. Biometeorol, Vol. 58, (2014), 1069-1075. [34] W.H.Close, M.J.Dauncey, D.L.Ingram, Heat loss from humans measured with a direct calorimeter and heat-flow meters, Br J Nutr. Vol. 43(1), (1980), 87-93.
CHAPITRE 2
SOMMAIRE
Introduction ... 59 1. Analogie des transferts thermiques et hydriques ... 60 1.1. Transferts thermiques ... 61 1.1.1. Conduction ... 62 1.1.2. Convection ... 64 1.1.3. Rayonnement ... 65 1.2. Transferts hydriques dans un matériau poreux ... 68 1.2.1. Transmission de la vapeur d'eau ... 70 1.2.2. Transmission de l'eau liquide ... 74 1.3. Couplage entre les transferts thermiques et hydriques... 79 1.4. Conclusion ... 81 2. Caractérisation des matériaux textiles ... 81 2.1. Evaluation de la porosité ... 82 2.2. Mesure de la perméabilité a l’air ... 83 2.3. Caractérisation de la transmission à la vapeur d’eau ... 84 2.4. Evaluation de la résistance thermique et évaporatoire ... 85 2.5. Evaluation des propriétés radiatives ... 88 2.6. Interface solide-liquide : caractérisation de l’énergie de surface ... 90 2.7. Couplage des transferts thermiques et hydriques ... 92 3. Conclusion ... 93 Références Bibliographiques……….. 94
Introduction
Les fluxmètres thermiques à gradient tangentiel de température sont généralement composés d’un réseau de thermocouples (thermojonctions) disposés judicieusement de part et d’autre d’une paroi auxiliaire semi-rigide et imperméable.
Le fluxmètre thermique à gradient tangentiel de température que nous cherchons à réaliser utilise une paroi auxiliaire en textile lui conférant des propriétés de souplesse et de perméabilité. La propriété de souplesse lui permet d’être appliquée sur des surfaces gauches, et la propriété de perméabilité lui permet de prendre en compte les phénomènes de transfert de masse, notamment les transferts hydriques. Ainsi, ce fluxmètre thermique à gradient tangentiel de température à paroi auxiliaire textile (ou fluxmètre thermique textile) permet de coupler les transferts thermiques aux transferts hydriques et donc de prendre en compte le bilan énergétique complet lorsque des phénomènes d’évapotranspiration existent.
C‘est pourquoi ce chapitre est consacré aux transferts thermiques et hydriques au sein d’un matériau poreux, tel que le textile.
Ces deux transferts, à savoir le transfert thermique et le transfert hydrique, ainsi que le couplage de ces deux transferts notamment pour une structure poreuse sont présentés sur la figure 2.1.
Figure 2.1. Schéma de présentation des transferts thermiques et hydriques ainsi que le couplage de ces deux transferts pour une structure poreuse
D’après la figure 2.1, les transferts thermiques se produisent soit par conduction, convection, et rayonnement. Les transferts hydriques sont réalisés soit par la transmission d’eau liquide, ou la transmission de la vapeur d’eau. Nous envisageons la condensation et l’évaporation lorsqu’il y a un couplage entre ces deux transferts.
La première partie de ce chapitre s’intéresse à détailler lesdits transferts. La deuxième partie de ce chapitre décrit différentes méthodes de caractérisation des propriétés du matériau poreux, en particulier du textile, liées aux transferts thermiques et/ou hydriques.