Mesure et analyse des cinétiques de séchage expérimentales

Mesure et analyse des cinétiques de séchage expérimentales

 Afin de bien appréhender le comportement thermo-hydrique des matériaux à l’issue de la mise en œuvre, des cinétiques de séchage sont mesurées sous différentes conditions. Des essais sont ainsi menés avec des conditions aérothermiques (température, humidité et vitesse d’air) et des conditions initiales (température et teneur en eau initiales du produit) différentes. Dans un premier temps, nous décrivons le protocole expérimental et le pilote de séchage utilisés pour maîtriser au mieux ces divers paramètres au cours des expérimentations. La seconde partie du chapitre est consacrée à une présentation et une analyse de différents essais.

Banc de séchage

Pour mesurer expérimentalement les cinétiques de séchage, nous avons utilisé un séchoir pilote conçu au sein du laboratoire (Glouannec et al, 2002). Ce séchoir rend possible la détermination des cinétiques de séchage dans différentes conditions de température et de vitesse d’air. En effet, une métrologie importante a été définie et mise en place (capteurs de température, balance, anémomètre, capteurs d’humidité…) afin d’obtenir toutes les informations nécessaires. Les produits à sécher sont disposés dans des creusets de surface intérieure de 10×10 cm2 et de profondeur variable. Uniquement la face supérieure des éprouvettes est soumise à un flux d’air dont la vitesse et la température sont régulées par le biais de résistances chauffantes et d’un ventilateur à débit contrôlé. Un serpentin en inox disposé autour du creuset permet de se rapprocher de conditions adiabatiques au niveau des faces latérales et de la face inférieure du produit. Dans ce cas, on fait circuler dans le serpentin de l’eau à une température proche de la moyenne des températures mesurées dans le produit. Avec ce dispositif, on peut considérer que les transferts thermiques et massiques au sein du matériau sont unidirectionnels.

Mesure des sollicitations extérieures 

La vitesse d’air est mesurée à l’aide d’un anémomètre à fil chaud disposé avant la batterie de chauffage. L’instrument mesure des vitesses d’air entre 0 et 6 m.s-1 avec une précision de 0,2 m.s-1 et fournit une tension comprise entre 0 et 10 V proportionnelle à la mesure. Un étalonnage préalable permet d’établir la correspondance entre les vitesses d’air dans la section de mesure et l’enceinte. Le contrôle de la vitesse d’air est assuré par un régulateur qui reçoit la mesure de l’anémomètre et pilote le ventilateur. La température d’air est relevée en entrée et en sortie de l’enceinte à l’aide de thermocouples de type K. Le thermocouple en sortie est relié à un régulateur qui pilote la batterie de chauffage. L’humidité de l’air est déterminée à l’aide d’un transmetteur doté d’une sonde placée avant la batterie de chauffage. Un élément PT100 intégré parallèlement à la sonde d’humidité, permet de mesurer la température sèche. En connaissant l’humidité relative et la température sèche dans la section de mesure, on en déduit l’humidité relative dans l’enceinte. 

Mesure des grandeurs d’état du produit

 Afin de connaître la réponse thermo-hydrique du produit un suivi continu de la masse et des températures est réalisé. Les mesures de masse sont réalisées à l’aide d’une balance de précision de 0,01 g disposée sous l’enceinte de séchage. Le creuset qui contient le matériau est posé sur un support dont les pieds reposent sur cette balance. Les températures au sein du produit sont relevées par des thermocouples de type K implantés avant le remplissage du creuset (Figure III.2). Le thermocouple du fond plus fin est moins rigide (300 μm de diamètre) que celui du centre (500 77 μm de diamètre). Uniquement quelques essais ont été réalisés avec le thermocouple du centre car la rigidité de celui-ci engendre des perturbations pour la pesée. Figure 

Positionnement des thermocouples

Un pyromètre placé sur la face supérieure de l’enceinte permet d’accéder à la température de surface à condition de connaître l’émissivité des matériaux qui peut évoluer au cours du séchage. Des mesures ont également été réalisées en plaçant un thermocouple de 300 μm de diamètre en surface du produit.

Acquisition – Commande

 L’ensemble des capteurs est relié à un boîtier de mesure de 20 canaux qui effectue la conversion analogique/numérique des signaux. Le pilotage de la batterie de chauffage s’effectue par le biais d’une carte à sorties analogiques. Le dialogue avec la balance s’opère via une liaison série RS232. L’ensemble du système acquisition – commande est piloté par un programme développé sous Visuel Basic© (Figure III.3). Le pas d’acquisition est de 80 s pour l’ensemble des informations récupérées.

Etude du liant PF80 M

 Différents essais ont été réalisés sur ce matériau. Ici, nous présentons les résultats obtenus pour une même épaisseur des éprouvettes (proche de 2,5cm) et une même consigne pour la température d’air. Les éprouvettes sont séchées à différents âges après le remplissage des creusets et dans différentes conditions (vitesse de l’air) afin d’évaluer l’influence de ces deux paramètres sur les cinétiques. Lorsque le produit n’est pas immédiatement séché celui-ci est recouvert d’un film plastique afin de bloquer l’évaporation. Le Tableau 

regroupe les conditions expérimentales appliquées au cours de chaque test. 

Les essais étant réalisés en tout air neuf, la température et l’hygrométrie de l’air peuvent évoluées au cours des expérimentations qui peuvent durer plusieurs jours. Dans le tableau sont donc reportées les valeurs moyennes et les variations mesurées.

Descriptif d’un essai type

 Dans un premier temps, nous détaillons l’essai et les résultats obtenus pour l’échantillon 1 qui a été placée dans l’enceinte de séchage immédiatement après la mise en œuvre. La Figure III.4 montre que durant cette expérimentation qui a duré 65 heures, la température d’air est maintenue constante aux environs de 29,3°C et l’humidité relative moyenne se situe au voisinage de 16%. Cet essai réalisé avec un thermocouple implanté sur la face inférieure de l’éprouvette (fond) montre qu’on aboutit à de faibles gradients de température au sein du matériau malgré une vitesse d’air de 2,6 m.s-1 . Initialement, la surface de l’éprouvette est de 9,9×9,9 cm2 et son épaisseur de 2,5 cm. En fin de séchage, un retrait très faible est enregistré, il est d’environ 2,7% selon l’épaisseur et de 2% pour les deux autres dimensions. En considérant un rapport massique eau/Tradical® PF80M de 0,4, la quantité d’eau chimiquement et physiquement liée à 60°C représentent environ 4,8% de la masse d’eau initiale.