Transferts de gaz à travers les enveloppes barrières

Transferts de gaz à travers les enveloppes
barrières

Vieillissement de PIV en atmosphère contrôlée comme méthode de mesure des perméances

Très peu de moyens expérimentaux sont à disposition pour mesurer les perméances des enveloppes barrières des PIV. Il s’agit de détecter les très faibles taux de perméation à travers ces membranes, particulièrement faibles pour l’air sec. Les ordres de grandeur des débits à mesurer, dont on peut avoir un aperçu en regardant les tableaux 4.5 et 4.6, sont pour la vapeur d’eau 0,0005 à 0,1 g/(m2 ·jour) en unités « techniques », c’est-à-dire 5 × 10−12 à 10−9 kg/(m2 ·s) en unités SI, et pour l’air sec 0,003 à 0,1 cm3 (STP)/(m2 ·jour), c’est-à-dire 5 × 10−14 à 1,5 × 10−12 kg/(m2 ·s). La conversion en unités SI permet de bien mesurer l’écart des ordres de grandeur entre les débits d’air sec et de vapeur d’eau à travers ces enveloppes. La technique la plus probante pour mesurer des débits si faibles est celle du vieillissement de PIV entiers en atmosphère contrôlée, c’est-à-dire en enceinte climatique. Par une mesure régulière des gains de masse du panneau et des gains de pression, il est possible de calculer les débits d’air sec et de vapeur d’eau à travers l’enveloppe entière. L’utilisation de PIV de tailles différentes fabriqués avec les mêmes matériaux permet de faire la distinction entre le débit des parties courantes (faces des PIV) et le débit des tranches, où sont généralement localisées les soudures de l’enveloppe. L’intérêt est également de pouvoir mesure directement sur un PIV les débits dus aux tranches (et donc à la soudure), qui ne peuvent pas être mesuré facilement sur un appareil conçu pour mesurer la perméabilité d’échantillons plats et minces Un des jeux de données expérimentales les plus complets provient du ZAE-Bayern, laboratoire allemand où un ensemble de PIV a subi un vieillissement en atmosphère contrôlée pendant 300 jours [16]. Ces données ont déjà été citées dans les chapitres précédents, mais on s’attachera ici à une exploitation plus approfondie des résultats. 

Plan expérimental 

L’objectif de cette campagne expérimentale était de mesurer les influences du choix de l’enveloppe, de la température, et de l’humidité, sur les vitesses de remontée en pression et en masse des PIV. Trois enveloppes différentes ont été utilisées. La première est une feuille d’aluminium laminée (AF), les deux autres sont des complexes multicouches de films polymères métallisés, de qualité différente (MF1 et MF2). La membrane MF2 est censée avoir des propriétés plus homogènes que la membrane MF1. Deux tailles de panneaux (10×10×1cm3 et 20×20×1cm3 ) ont été utilisées afin de séparer les débits à travers les faces (partie courante) et les débits à travers les tranches. Six enceintes climatiques avec des conditions différentes ont été utilisées, combinaisons de deux humidités (pvap = 14 mbar, et φ = 75 % HR) et trois températures (T = 25, 45, et 65 °C). Les conditions climatiques utilisées sont rappelées dans le tableau 5.1.Seules les données de cinq conditions ont pu être utilisées, car les panneaux de l’enceinte 6 (condition T = 65 °C et φ = 75 % HR) ont subi une dégradation prématurée par délamination de l’enveloppe. Le vieillissement a duré 300 jours, pendant lesquels les gains de masse et de pression de chaque panneau ont été mesurés à intervalle régulier. Le gain de masse a été mesuré par simple pesée des panneaux. Le gain de pression a été mesuré par la méthode du décollement de membrane. Le PIV en mesure est placé dans une enceinte à vide dont la température est contrôlée, et la pression est descendue jusqu’à l’observation du décollement de la membrane (mesure de position de la membrane par capteur de position laser). La pression pour laquelle la membrane se décolle correspond à la pression interne. 

Méthode d’identification des débits d’air sec, de vapeur d’eau, et des perméances linéiques et surfaciques correspondant 

Méthode de la publication original

e Pour obtenir les débits massiques totaux d’air sec et de vapeur d’eau à partir des mesures de masse et de pression, les hypothèses suivantes sont utilisées dans la publication originale [16] : – La variation de masse totale dm/dt est attribuée uniquement à l’eau (le débit massique d’air sec à travers l’enveloppe est négligeable devant le débit massique de vapeur d’eau). – Le débit massique de vapeur d’eau est égal à dmad s/dt, la variation de masse totale mesurée, qui correspond à la quantité d’eau adsorbée sur la silice dmad s par unité de temps dt. – La courbe de sorption du matériau de cœur est linéarisée : son contenu en eau u = mad s/msi l (où mad s est la masse d’eau adsorbée et msi l la masse de la matrice de silice sèche) est une fonction linéaire de l’humidité relative, soit u = kφ. La pression partielle de vapeur d’eau est calculée directement à partir de la masse d’eau adsorbée : pvap = psatmad s kmsi l (5.1) – La pression partielle d’air sec pai r est calculée par différence entre la pression totale ptot, mesurée par la méthode du décollement de membrane, et la pression partielle de vapeur d’eau, calculée à partir de la masse d’eau adsorbée et la courbe de sorption linéarisée : pai r = ptot − pvap. Les hypothèses utilisées par les auteurs de l’article pour identifier les perméances surfaciques et linéiques à partir des débits sont celles listées dans le paragraphe 4.1.2.1. Grâce aux deux tailles de panneaux utilisées, il est possible d’identifier la perméance surfacique Πsur f de la partie courante et la perméance linéique Πl in de la tranche pour chaque condition expérimentale (couple température/humidité), en résolvant un système basé sur l’équation suivante appliquée aux différentes tailles de panneau : GT Rtot = A ·GT Rsur f +P ·GT Rl in = A ·Πsur f ·∆pg +P ·Πl in ·∆pg (5.2) Il est possible d’identifier également graphiquementGT Rsur f etGT Rl in. On peut en effet écrire à partir de l’équation précédente : GT Rtot A = GT Rsur f + P A ·GT Rl in (5.3) En représentant GT Rtot /A en fonction de P/A (voir figure 5.1), la droite passant par les points de mesure coupe l’axe des ordonnées pour GT Rtot /A = GT Rsur f , et la pente de cette droite est égale à GT Rl in. 

Méthode alternative proposée 

Une méthode alternative est proposée pour l’identification des débits d’air sec et de vapeur d’eau, permettant de s’affranchir de certaines hypothèses de la méthode précédemment proposée. Cette méthode est basée sur les développements de Duforestel et Kherrouf [128]. L’hypothèse qui n’est plus utilisée est celle qui associe gain de masse et débit de vapeur d’eau. Dans la méthode proposée ici, le gain total de masse dmtot est la somme du gain d’air sec dmai r , et du gain de vapeur d’eau, qui comprend la masse restant sous forme de vapeur d’eau dmvap et la masse qui se trouve ensuite sous forme d’eau adsorbée dmad s : dmtot = dmai r +dmvap +dmad s (5.4) Il peut sembler peu intuitif d’inclure la vapeur d’eau et l’air sec qui sont sous forme gazeuse dans la masse mesurée lors de la pesée des PIV. En réalité la masse indiquée sur une balance, qui correspond au poids, n’inclut pas la masse d’air contenue dans le volume fermé que constitue le PIV. Une masse d’air dans l’atmosphère subit en effet la poussée d’Archimède sur son volume (force verticale vers le haut), qui compense exactement son poids (force verticale vers le bas), à condition que la densité du gaz soit homogène dans l’environnement considéré. La balance permet de mesurer le poids d’un solide, et donc sa masse, grâce au fait que la densité d’un solide est suffisamment grande pour que la poussée d’Archimède sur son volume soit négligeable devant son poids. La balance peut en revanche mesurer la variation de poids apparent d’un PIV. Puisque le volume des PIV ne change pas, la poussée d’Archimède non plus. En revanche, si la pression interne change, la densité du gaz, et donc sa masse à volume constant, va varier. C’est ce que mesure la balance : la variation de la masse totale, comprenant la masse des constituants solides du PIV, la masse de l’eau adsorbée, et la masse des gaz internes