Etude bibliographique sur les méthodes de détermination de propriétés thermophysiques

Dispositif de mesure sur des milieux non consolidés

Ce dispositif a été développé pour répondre aux besoins de mesurer la diffusivité thermique de matériaux liquides ou non c onsolidés en fonction de la température. Des contraintes supplémentaires ont été prise en compte par rapport au dispositif classique compte tenu de la nécessaire présence d’un « contenant ».
Ce « contenant » est en fait un creuset monobloc constitué d’un matériau peu conducteur (polyimide chargé) dont la tenue mécanique est assurée jusqu’à 250°C. Un clinquant d’acier doux (1/10 mm) peint en noir est placé sur l’échantillon pour assurer l’absorption uniforme de l’énergie, que le matériau soit sous forme liquide ou solide. La mesure de température sur la face arrière est effectuée avec un couple thermoélectrique identique à celui décrit pour le dispositif classique. La laque d’argent n’ayant pas une tenue suffisante à la température, un second clinquant d’acier doux e st collé sur le fond du c reuset. Une procédure spécifique d’identification de la diffusivité thermique a été mise en place pour prendre en compte l’effet du creuset et des deux clinquants sur le thermogramme.
Pour conserver à la méthode sa rapidité de détermination de la diffusivité thermique, le calcul itératif proposé est basé sur un modèle monodimensionnel dont le domaine de validité a été étudié. Si l’enregistrement du thermogramme s’effectue effectivement dans une zone de rayon 5 mm par rapport à l’axe du s ystème cylindrique, l’effet bidimensionnel n’est pas sensible pourvu que les rapports des conductivités et des diffusivités entre l’échantillon et le creuset soient respectivement supérieurs à 0.3 et 0.15. Compte tenu des caractéristiques thermiques du polyimide la gamme des matériaux qui peuvent être caractérisés avec ce dispositif n’est que peu restrictive (k>0.1 Wm-1K-1, a>0.4 10-7 m2s-1).
La modélisation monodimensionnelle de l’empilement multicouche clinquant-échantillon-creuset-clinquant a été réalisée à l’aide du formalisme quadripôlaire. Le système étudié est représenté comme une succession de quadripôles passifs en série compris entre deux quadripôles particuliers associés aux pertes convectives, et soumis à u n flux surfacique q représentant l’effet du flash.

Méthode du fil à chaud

La méthode du fil à chaud consiste à placer à l’intérieur du matériau un fil chauffant parcouru par un courant électrique d’intensité (fig.3.2), dissipant un flux linéaire de chaleur ΦL (w/m)
Cette méthode qui a fait l’objet de la norme DIN 51046 en Août 1976 est connue depuis longtemps et a été largement utilisée par un grand nombre de chercheurs []
L’utilisation de cette méthode sans discernement des conditions appropriées conduit à des résultats erronés, notamment dans le cas d e l’existence d’une résistance de contact non négligeable entre la sonde et le matériau.
L’incertitude sur l’entre-axe réel entre élément chauffant et thermocouple induit également une erreur sur la détermination de la diffusivité par cette méthode.

Méthode du régime régulier

Le principe de la méthode du régime régulier consiste à plonger dans un bain thermostaté de température Tf homogène et brassé (fig. 1.8), un é chantillon cylindrique (de rayon Ro , d’épaisseur 2.e) du matériau à étudié initialement à la température uniformeTo .
(∆T1 ) et (∆T2 ) sont les écarts de température entre le bain thermostaté et un point M(x,r) de l’échantillon, aux instants t1 et t 2 respectivement, pendant la phase du régime régulier. Notons que cette méthode est valable pour des nombres de Biot élevés (Biot ≥ 100),pour lesquels[.] : n1P = 1.57et,n1C = 2.4. Ceci impose des conditions expérimentales difficiles en plus de la régulation du bain thermostaté.

Méthode rapide de mesure des caractéristiques thermophysiques (brevet)

Cette méthode est utilisée pour la détermination rapide et simultanée des principales caractéristiques thermophysiques en régime non stationnaire.
La cellule, de volume 9 m3, est construite à l’aide de parois en multiplis-hêtre. Celle-ci peut être isolée intérieurement et/ou extérieurement sur chacune de ses f aces.
Les caissons climatiques permettent de simuler les variations des températures extérieures. Un dispositif à air chaud permet de simuler la mise en marche d’un chauffage à l’intérieur du local.
Les caissons climatiques mobiles permettent aussi des mesures sur des parois (Mesure de la résistance thermique, constante de temps…etc.).

Méthode des Boîtes

Parmi les techniques de mesure des caractéristiques thermophysiques, on peut citer la méthode des boîtes qui a été mise au point par le Laboratoire d’Etudes Thermiques et Solaires de l’Université Claude Bernard de Lyon I en France. Un prototype similaire a été monté au Laboratoire d’Energétique Appliquée (LEA) à l’école polytechnique de Dakar (Sénégal). Les dimensions des échantillons sont parallélépipédiques et sont déterminées en fonction de l’outil de mesure utilisé. L’échantillon, placé entre la boîte chaude à parois internes réfléchissantes et la capacité isotherme, reçoit une impulsion thermique de courte durée et à flux constant. L’analyse du thermo gramme expérimental enregistré sur la face non irradiée de l’échantillon permet de déterminer la diffusivité thermique α .