Chapitre 1 CONTEXTE DE L’ETUDE 23
5. L’EAU DE GACHAGE 50
6.2. Les méthodes de mesure des caractéristiques thermophysiques
6.2.1. Les méthodes en régime permanent
6.2.1.1. Méthode de la plaque chaude gardée
Le principe du montage expérimental présenté à la figure 4 consiste à maintenir une différence de température T entre deux plaques, A et B, planes, parallèles et portées respectivement aux températures constantes TA et TB. Un échantillon du matériau à étudier, solide faiblement conducteur, est placé entre les deux plaques. La méthode de la plaque chaude gardée a été développée pour la mesure de faibles conductivités thermiques. Soit
e
l’épaisseur de l’échantillon et le flux thermique en régime stationnaire par unité de surface, transféré d’une plaque à par l’autre ; la conductivité thermique du matériau est donnée par :T e
avec T TATB. Afin d’éviter les phénomènes de bord, la plaque A est entourée d’un anneau portée à la même température TA. L’intervalle qui sépare l’anneau de garde de la plaque A est suffisamment petit pour éviter une perturbation importante du flux thermique sur les bords de la plaque. La précision de la mesure dépendra de celle des quantités figurant dans l’équation. La résistance thermique est d’autant plus élevée que la conductivité est petite. Pour les matériaux nécessitant des échantillons représentatifs de surface relativement importante, tels que les isolants utilisés dans le bâtiment, cette technique est le plus souvent utilisée. Cette méthode permet d’obtenir la précision maximale de la mesure de la conductivité thermique (1%), mais nécessite un temps de mesure de 1 à 3 jours par essai et le montage technique est délicat [5].
Figure 4 : Schéma de principe de mesure de la conductivité thermique par la méthode de la plaque chaude gardée
6.2.1.2. Méthode de la mini-plaque chaude
C’est un dispositif qui permet de mesurer la conductivité thermique d’un matériau en régime permanent. Une mise au point d’une technique de mesure de la résistance thermique des plaques minces (de faible épaisseur) a été réalisée par (Batsale et Degiovanni, 1994). Cependant, les résultats obtenus étaient basés sur un modèle 1D avec prise en compte des transferts latéraux convectifs par le modèle simplifié de l’ailette. Ce modèle a été remplacé par un modèle complet 3D pour obtenir une meilleure exactitude de la mesure (Jannot et al., 2009). La Figure 5 donne le schéma de principe du dispositif expérimental.
L’élément chauffant va dissiper un flux de chaleur à travers ses deux faces. Le flux 9 dissipé vers la partie supérieure est mesuré par un élément Peltier étalonné en fluxmètres. On peut ajuster la tension de l’élément chauffant de sorte à annuler le flux
9
et en déduire la valeur du flux à partir de la relation
2 9 9 avec 9 U R .c
Cette configuration a pour conséquence que la température de l’élément chauffant est quasiment égale à la température ambiante.
Puisque le cuivre a une bonne conductivité thermique et que sa température au cœur est Figure 5 : Schéma de principe du dispositif expérimental de la
mini-plaque chaude
égale à celle de l’air ambiant, Tair il n’y aura pas de convection latérale sur les éléments en cuivre situés entre l’échantillon et l’élément chauffant.
Le système peut alors être davantage simplifié (figure 7).
Si le transfert restait 1D et qu’il n’y ait plus de résistance de contact, on pourrait estimer la conductivité thermique par :
e
0S T.
Avec
air 0 0
T T T ; T : température du bain thermostaté ou du dispositif Peltier de la partie inf érieure.
Mais cela n’étant pas, il faut en tenir compte dans un modèle mathématique 3D qui permettrait d’établir une relation de forme
f
e,
0,Rc,h
en régime permanent.On réalise deux estimations 1et 2de à partir de deux valeurs extrêmes du couple
h,Rc
: 1calculé avec h5W.m2.K1etRc 5.105 m2.K.W1et2calculé avec1 2. .
10
Wm K
h etRc 2.104 m2.K.W1. Le résultat de la mesure est donc donné sous la forme d’un encadrement de la valeur de : 1;2. L’amplitude de l’intervalle
Figure 6 : Schéma de répartition des flux dissipés par l’élément chauffant
Figure 7 : Schéma final du modèle simplifié
dépend des valeurs de
e
et de et peut être estimée pour un diamètre donné par un abaque.En conclusion, on peut dire que cette méthode simple dans sa mise en œuvre permet de mesurer la conductivité thermique des matériaux isolants ainsi que les matériaux hétérogènes de faible conductivité (de 0,03 W.m-1.K-1 à 0,5 W.m-1.K-1) présentant un bon état de surface (faible rugosité). Elle n’est donc pas adaptée à la caractérisation des matériaux de construction de conductivité supérieure à 0,5 W.m-1.K-1 et présentant une rugosité de surface imparfaite [22].
6.2.1.3. Méthode des boîtes
La méthode des boîtes est une technique qui permet de déterminer la conductivité thermique en régime permanent couramment utilisée pour caractériser les matériaux de construction. Le dispositif utilisé est une cellule de mesure conçue spécialement pour déterminer la conductivité thermique. Le système est relié à une centrale de mesure (Figure 8).
Le principe de mesure est basé sur la réalisation d’un écoulement permanent et unidirectionnel de chaleur à travers un échantillon placé dans la boîte entre la capacitance isotherme froide (bain thermostat) et la source de chaleur à flux constant.
L’émission d’énergie est réglée à l’aide d’un rhéostat de sorte que la température de la boîte, Tb soit supérieure à la température ambiante, Ta. Une fois que le régime permanent est établi, c’est-à-dire quand les températures Tc et Tf restent constantes
Figure 8 : Principe de mesure de la conductivité thermique (méthode des boîtes)
pendant au moins trente minutes, on mesure Tc et Tf au centre de l’échantillon puis la tension de chauffage et on fait le bilan thermique de la boîte.
b a
Tc Tf
De la relation précédente, on déduit l’expression de la conductivité, qui est en fait une valeur expérimentale, exp.
quand même quelques sources d’incertitudes sur la mesure de la conductivité [22].
Dans le cadre de notre travail, nous n’allons pas utiliser les méthodes en régime permanent du fait qu’elle dure trop longtemps et au Bénin, il y a des coupures très fréquentes d’électricité dues à une production insuffisante.
6.2.2. Les méthodes en régime variable