Capteur de flux thermique

[alex0rcs]

Merci encore de vos réponses, je n'avais pas trop le temps pour mon projet ces dernières semaines.

J'ai eu une autre idée.

En chauffant un bout de métal et en en fixant un thermocouple sur celui-ci (donc température constante et connue en chacun de ses points) et en l'enfermant rapidement dans un isolant (entièrement), on pourrait mesure la température qui s'en échappe à travers l'isolant sur un intervalle de temps, et le comparer avec d'autres isolants.
Peut-on en déduire le flux à travers celui-ci ?


J'étudierais encore le procédé de Boumako plus en détail, ainsi que sa théorie.
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[Boumako]

Bonjour

En théorie c'est tout à fait possible, mais très compliqué à exploiter ensuite, car ton morceau de métal va chauffer l'isolant, qui va transmettre sa chaleur à son tour. Il est beaucoup plus facile de faire des mesures en régime stabilisé.
Je t'ai donné une démarche simple et relativement fiable, pourquoi ne pas la suivre ?

[cornychon]

Bonjour

En théorie c'est tout à fait possible, mais très compliqué à exploiter ensuite, car ton morceau de métal va chauffer l'isolant, qui va transmettre sa chaleur à son tour. Il est beaucoup plus facile de faire des mesures en régime stabilisé.
Je t'ai donné une démarche simple et relativement fiable, pourquoi ne pas la suivre ?

Bonjour

L’idée d’alexOrcs est plus simple à exploiter que la tienne, mais les deux sont
du style Y A QU’A FAUT QU’ON……………..

Puisque c’est simple et fiable, tu fais un plan d’ensemble (une épure), Le détail de chaque pièce mécanique, Le dessin détaillé de la source chaude, le dessin détaillé de la source froide.
Les points de mesures, les sondes de températures à utiliser, l’appareil multi points pour enregistrer les températures en continu.

Avec ce dossier complet, on pourra se faire une idée du cheminement du flux thermique, de la précision des mesures de températures, de la qualité des interfaces mécaniques (joints thermiques) des fuites parasites, ………..

Si c’est pour pondre une préparation qui ne permet pas de faire des mesures proches de la réalité, autant faire appel à la Cafédomancie ou au pifomètre.

[alex0rcs]

Merci de vos réponses, désolé de ne pas avoir donné de nouvelles.
Je me remet sur ce projet avec plus de temps cette semaine.

Pour commencer

Pièce jointe 239163



En ce qui concerne cette formule :
Pour chaque isolant on à Dt = R * flux (Dt étant le delta de température entre les faces, R la résistance thermique totale, peu importe qu'il y ai 1 ou 100 couches, et le flux est la quantité de chaleur qui traverse).
R / R + Rc nous donne la "proportion" de la résistance thermique R par rapport à la résistance thermique totale. En multipliant cette proportion par le Dt total on retrouve bien le Dt entre les faces de l'aérogel. Est-ce que c'est plus clair ?

Cette expérience m'a l'air intéressante et cohérente.
Mais peut on vraiment faire ainsi une moyenne, ou plutôt proportion, de la résistance thermique ?

Par contre, dans l'absolu, mon but serait de retrouver expérimentalement la conductivité thermique (λ) de l'aérogel.
Il ne me semble donc pas cohérent de prendre une valeur trouvée sur internet ou donnée par un fabriquant de la résistance thermique, à ce moment je pourrais aussi calculer directement la conductivité thermique :
λ=e/(R*S) avec e l’épaisseur et S la surface, pour une surface plane.

[alex0rcs]

En cherchant encore, j'ai trouvé autre chose.

En gros, on met l'isolant sur mon tube de mesure (voir plus tot) et on le chauffe d'un côté à température constante, on mesure la température coté chaud (Tc), la température de la face froide (Tf) et la température ambiante (Tamb).

Ensuite, je cite, si le matériau est "horizontal on prend un coefficient d'échange de 10W/m².°C (si il est vertical on prend 8W/m².°C)". Je ne connaissait pas ce coefficient, je ne sais pas si ces valeurs sont exactes et si elle dépendent du matériau, des infos ? Bref, on appelle le coefficient d'échange h.
Le flux vaux φ=h*(Tf-Tamb) W/m²

Le flux traverse la tuile avec un deltaT de Tc-Tf=ΔT; on déduit une conductivité thermique de φ/ΔT=λW/m².°C/épaisseur.
Il n'y a qu'à multiplier cette valeur par 1/épaisseur en m pour avoir la conductivité en unité normales.


Est-ce que ça vous semble cohérent ?

[Boumako]

Cette expérience m'a l'air intéressante et cohérente.
Mais peut on vraiment faire ainsi une moyenne, ou plutôt proportion, de la résistance thermique ?

On ne fait pas une moyenne, mais un calcul à partir des températures mesurées au centre et de chaque coté des isolants.

Par contre, dans l'absolu, mon but serait de retrouver expérimentalement la conductivité thermique (λ) de l'aérogel.
Il ne me semble donc pas cohérent de prendre une valeur trouvée sur internet ou donnée par un fabriquant de la résistance thermique, à ce moment je pourrais aussi calculer directement la conductivité thermique :
λ=e/(R*S) avec e l’épaisseur et S la surface, pour une surface plane.

Tu n'utilise pas une valeur de conductivité de l'aérogel, mais celle d'un isolant de conductivité connue. Dans tous les cas tu sera toujours obligé d'utiliser une valeur de "référence".

En gros, on met l'isolant sur mon tube de mesure (voir plus tot) et on le chauffe d'un côté à température constante, on mesure la température coté chaud (Tc), la température de la face froide (Tf) et la température ambiante (Tamb).

Ensuite, je cite, si le matériau est "horizontal on prend un coefficient d'échange de 10W/m².°C (si il est vertical on prend 8W/m².°C)". Je ne connaissait pas ce coefficient, je ne sais pas si ces valeurs sont exactes et si elle dépendent du matériau, des infos ? Bref, on appelle le coefficient d'échange h.
Le flux vaux φ=h*(Tf-Tamb) W/m²

C'est une autre façon de procéder, mais elle sera bien moins précise car elle ne prend pas en compte la chaleur qui s’échappe sur les bords, et ce coefficient d'échange donné est très approximatif.

Une marche à suivre a été donnée, pourquoi ne pas l'essayer ?

Voici un exemple de mesure ainsi qu'une simulation de ce que tu vas obtenir. On effectue un sandwich avec du plus haut au plus bas: Une couche de métal, une couche d'aérogel, une couche de PS expansé et une couche de métal.
On chauffe la plaque du bas 40 K au dessus de la température ambiante, cette température doit rester stable. Tout le reste est à température ambiante.
schema.jpg

Voici une visualisation de la répartition des températures obtenues à l'équilibre et passant au centre du carré, ainsi que les vecteurs du flux de chaleur :
mesure aerogel.jpg

Voici le profil de température obtenu :
mesure aerogel profil.jpg

Pour cet exemple précis il faut environ 1h pour stabiliser les températures. Voici la température relevée entre les 2 plaques d'isolants au fil du temps :
mesure aerogel temps.jpg

[alex0rcs]

Je n'arrive pas à ouvrir les images.
Tu dis ne pas utiliser la valeur de conductivité de l'aérogel, mais pour calculer R total il faut Raérogel.

J'essayerais certainement ton protocole, mais il faut que je fabrique un caisson pour mettre les différentes couches dedans.

[Boumako]

Les images ne doivent pas être validées je pense, il faut attendre un peu.

Tu dis ne pas utiliser la valeur de conductivité de l'aérogel, mais pour calculer R total il faut Raérogel.

Je te propose de faire le calcul avec mes données pour comprendre la manip.
Entre la plaque de métal et la couche de PS tu as une température relative (par rapport à l'ambiant) de 40K.
Entre les 2 isolant on a 22K
Entre la couche d'aéro et la plaque supérieure on a 2.6K

Je reprend la formule qui a été donnée au message #10 : Ti-Tf = (R / (R+Rc)) * (Tc-Tf)
J'ai utilisé 2cm de PS expansé, et j'ai pris une valeur de 0.045. Rc est donc égale à 1 / (0.045/0.02) = 0.444

Il suffit alors de résoudre l'équation 22 - 2.6 = (R / (R + 0.444)) * (40 - 2.6).
On trouve R = 0.479

Vérification : J'ai utilisé 1cm d'aéro, la valeur de est donc égale à 1 / (0.479 /0.01) = 0.021.
La valeur que j'ai pris dans ma simulation était de 0.02 (petite différence qui s'explique par les arrondis sur les températures que j'ai relevé).

Bien évidement tu ne connais pas la valeur de ton isolant, mais tu peux effectuer plusieurs mesures (pour voir si tu trouves le même résultat) et regarder dans la biblio si la valeur semble cohérente.

[alex0rcs]

Ha ouais, vu comme ça c'est mieux

Merci de l'éclairement.

Comme dit, il faut que je me construise le dispositif expérimental.
J'ai déjà bricolé une sorte de cylindre de diamètre 100mm, voir plus tôt en photo, il faut que je l'optimise.


Sinon pour ton image, je pense que que ca viendra, il me dit "Pièce jointe spécifié(e) non valide", essaye de l'héberger autre part.

[Boumako]

Elles sont ici dans le même ordre que dans mon message :
http://hpics.li/67a07bc
http://hpics.li/e74f6dd
http://hpics.li/6f2c2a7
http://hpics.li/a78a655

[alex0rcs]

Merci.

Quel est le logiciel utilisé pour la simulation ?

[Boumako]

Je t'ai répondu en message privé, mais je ne sais pas si il est parti car je ne peux pas voir mes messages envoyés (il semblerai que ma boite déconne).

[alex0rcs]

Si, je l'ai eu, merci bien !

J'étudierais ça demain.

[cornychon]

Bonjour,

Comment fait-on les mesures ?

Dans quel environnement ?

Dans la cuisine ?

Avec des thermomètres de cuisine ?

Quel genre d’outil doit-on utiliser ?

http://www.amazon.fr/s/?ie=UTF8&keyw...l_833nq3si3k_e

Merci de nous faire connaitre les moyens à mettre en œuvre pour avoir des mesures exploitables.

[Boumako]

Bonjour

Non avec un thermomètre de cuisine de ce type ça ne fonctionnera pas, car la conduction de la tige va venir fausser l'équilibre.
Il faut plutôt utiliser un thermocouple filaire, quelque chose dans ce genre : http://www.yesss-fr.com/c1006696/out...s.php?c=518166
Il faut prendre des points de temps en temps pour constater que l'on est en régime stable.

La grande difficulté de la manip consiste à avoir une température avec le minimum d'oscillation des 2 cotés (même si la température évolue le temps d'avoir l'équilibre). L'idée du caisson avec une résistance chauffante ou une ampoule est un moyen de l'obtenir, mais il faut également faire attention aux mouvements d'air coté froid.

[alex0rcs]

J'ai plusieurs thermocouples, filaires ou avec tige.

J'aimerais utiliser mon boitier cylindrique (diamètre 100mm), avec une ampoule 28 Watt.

Image supprimée

Après un premier essai, la température est à peu près stable au bout d'une demi-heure en plaçant une couche de mon aérogel au dessus.

Je pense suivre ce schéma :
http://img15.hostingpics.net/pics/866032schema.jpg
Je ne sais pas encore quel isolant de référence prendre, il faut que je regarde ce que j'ai.
Il faut aussi que je trouve encore les 2 plaques de métal, mais je ne pense pas qu'elles seront diamètre 10.


Sinon, pensez vous qu'en mettant successivement plusieurs disques de différents isolants, et en traçant les courbe des températures dans le cylindre et à sa surface supérieure en fonction du temps je pourrais arriver à quelque chose de concluant ?
Par exemple, si je vois que pour l'isolant X la température se stabilise à l'intérieur au bout de 30 minutes à 150° et que pour l'isolant Y je suis en 30 minutes à 200°, je peux conclure que l'isolant Y retiens mieux la chaleur ?
Mais en fait, je devrais plutôt attendre la stabilisation de la chaleur en refermant le cylindre autrement (genre avec un morceau de bois dense), puis quand la température est stable mettre rapidement l'isolant à la place pour mesurer la dissipation de la chaleur.

Ou alors utiliser un tube plus long, fermé d'un côté et avec la lampe de l'autre et séparé en deux au milieu par l'isolant testé.
Je mesurerais la température dans les deux compartiments et là encore j'aurais une idée de la disipation de la température avec différents isolants.

[JPL]

Les images personnelles doivent impérativement être postées en pièces jointes et non sur un serveur extérieur. Merci.

[alex0rcs]

Ok, désolé.
L'image est donc en pièce jointe de ce message.

Mouais, mais c'est tout petit du coup...


Pas moyen de mettre un lien vers l'image ??

[alex0rcs]

Autre chose, pour l'instant je chauffe avec une ampoule 28W, le temps de stabilisation de la température est relativement long et c'est pas parfait.

Est-ce que ça ne marcherait pas mieux en mettant les différentes couches d'isolant dans un tube ouvert des deux côtés, et en soufflant de l'air chaud avec un sèche-cheveux d'un côté ?
Je pense que la température serait plus rapidement stable, et de plus l'air chaud circulerait.

[alex0rcs]

J'en reviens encore à la théorie.
Je me basse sur ce schéma : http://forums.futura-sciences.com/at...e-mesure-r.jpg

On pars de ΔT=R*φ pour chacun des isolants
avec ΔT la variation de la température quand la chaleur traverse l’isolant, en K, R sa résistance thermique, en K/W, φ la densité de flux thermique, en W.

Après tu me donne la formule suivante :
Ti-Tf = (R / (R+Rc)) * (Tc-Tf)

R / (R+Rc) est la proportion de la résistance thermique de l'aérogel par rapport au total.
Ti-Tf est le ΔT à travers l'isolant de référence, et Tc-Tf celui à travers tout.
Où est passé le flux ?


Autre chose, est-ce que la résistance thermique est vraiment additive ? Par exemple, si on prend un isolant avec une résistance thermique R1 et qu'on y ajoute un isolant de résistance thermique R2, la RT totale sera-elle de R1+R2 ?
Même question avec le flux qui traverse chaque isolant et le tout.

Merci encore de vos réponses !

[cornychon]

Bonjour,

Tu pars d’un schéma qui sous entend qu’il y a une source chaude isotherme d’un coté, une source froide isotherme de l’autre, aucune fuite thermique sur les bords, le tout à l’équilibre thermique.

Si l’échantillon se trouve dans un milieu isotherme, il n’y a pas de transfert.

Ton idée de prendre un tube va dans la bonne direction, à condition qu'il soit long et très bien isolé.

Il faut suivre parfaitement ce qui est indiqué dans le cours de thermique suivant:

Voir directement ce chapitre:

TRANSFERT DE CHALEUR PAR CONDUCTION EN REGIME PERMANENT
http://philippe.roux.7.perso.neuf.fr...0thermique.pdf

Oui, les résistances thermiques s'additionnent comme les résistances électriques

[alex0rcs]

Merci beaucoup, ce cours est très intéressant et m'éclaire sur pas mal de points...

Sinon, pensez vous qu'en mettant successivement plusieurs disques de différents isolants, et en traçant les courbe des températures dans le cylindre et à sa surface supérieure en fonction du temps je pourrais arriver à quelque chose de concluant ?
Par exemple, si je vois que pour l'isolant X la température se stabilise à l'intérieur au bout de 30 minutes à 150° et que pour l'isolant Y je suis en 30 minutes à 200°, je peux conclure que l'isolant Y retiens mieux la chaleur ?
Mais en fait, je devrais plutôt attendre la stabilisation de la chaleur en refermant le cylindre autrement (genre avec un morceau de bois dense), puis quand la température est stable mettre rapidement l'isolant à la place pour mesurer la dissipation de la chaleur.

Ou alors utiliser un tube plus long, fermé d'un côté et avec la lampe de l'autre et séparé en deux au milieu par l'isolant testé.
Je mesurerais la température dans les deux compartiments et là encore j'aurais une idée de la disipation de la température avec différents isolants.

[Boumako]

Bonjour

Est-ce que ça ne marcherait pas mieux en mettant les différentes couches d'isolant dans un tube ouvert des deux côtés, et en soufflant de l'air chaud avec un sèche-cheveux d'un côté ?
Je pense que la température serait plus rapidement stable, et de plus l'air chaud circulerait.

Non, il faut éviter les mouvements d'air, car la résistance thermique superficielle ne sera pas stable, par ailleurs tu ne gagnera presque rien car le flux est surtout limité par l'isolant.

Je ne sais pas encore quel isolant de référence prendre, il faut que je regarde ce que j'ai.

Tu peux prendre ce que tu veux, il y a juste 2 impératifs :
- La résistance thermique de la couche que tu ajoutes doit être proche de celle que tu veux évaluer pour avoir une mesure stable.
- L'isolant ne doit pas voir ses caractéristiques changer avec la chaleur (il ne doit pas fondre, sécher etc).

Sinon, pensez vous qu'en mettant successivement plusieurs disques de différents isolants, et en traçant les courbe des températures dans le cylindre et à sa surface supérieure en fonction du temps je pourrais arriver à quelque chose de concluant ?
Par exemple, si je vois que pour l'isolant X la température se stabilise à l'intérieur au bout de 30 minutes à 150° et que pour l'isolant Y je suis en 30 minutes à 200°, je peux conclure que l'isolant Y retiens mieux la chaleur ?
Mais en fait, je devrais plutôt attendre la stabilisation de la chaleur en refermant le cylindre autrement (genre avec un morceau de bois dense), puis quand la température est stable mettre rapidement l'isolant à la place pour mesurer la dissipation de la chaleur.

Tu peux essayer pourquoi pas, mais je pense que tu aura plus de mal à exploiter les mesures, et que le résultat ne sera pas très précis.

R / (R+Rc) est la proportion de la résistance thermique de l'aérogel par rapport au total.
Ti-Tf est le ΔT à travers l'isolant de référence, et Tc-Tf celui à travers tout.
Où est passé le flux ?

Tu peux t'amuser à le calculer d'après les températures, mais cette notion n'a pas vraiment de sens ici. Comme tu peux le voir sur la simu du message #36 le flux de chaleur se dirige dans toutes les directions, il n'y a qu'au centre qu'il est bien perpendiculaire au plan des isolants ; la mesure est effectuée au centre, et ne prend véritablement en compte que le flux qui passe au centre.

En ce qui concerne les plaques de chaque coté tu peux utiliser une autre matière, cela fonctionnera aussi (plaque de plastique, de contreplaqué fin etc).

[alex0rcs]

Tu peux t'amuser à le calculer d'après les températures, mais cette notion n'a pas vraiment de sens ici. Comme tu peux le voir sur la simu du message #36 le flux de chaleur se dirige dans toutes les directions, il n'y a qu'au centre qu'il est bien perpendiculaire au plan des isolants ; la mesure est effectuée au centre, et ne prend véritablement en compte que le flux qui passe au centre.

En gros on remplace le flux par le delta T ?

[Boumako]

Non, le flux est implicitement pris en compte dans l'équation qui a été donnée, mais l'expression n'y figure pas directement. Si je reprend l'exemple du message #38 on a une résistance thermique de 0.479 m².K/W et un Dt de 22 - 2.6 = 19.4K.
On trouve un flux de 9.39W/m², mais cette valeur n'est vraie que sur la zone où les isothermes de températures sont parallèles aux plans des isolants. Sur les bords le flux de chaleur s’échappe en partie sur les cotés.

[alex0rcs]

Autre idée:

Je prend mon tube et je fais 2 expériences :
• Cylindre refermé avec une couche d'aérogel, je trace la courbe de l'évolution de la température à l'intérieur et à l'extérieur en fonction du temps.
• Mêmes mesures avec un autre isolant, dont je connais la résistance thermique et le lambda.

En comparant ces deux courbes, n'y a-t-il pas moyen de retrouver la résistance thermique de l'aérogel ?
Vu que les deux expériences sont exactement dans les mêmes conditions, tout ce que change c'est l’épaisseur et la résistance thermique de l'isolant.

Merci de votre aide.

[cornychon]

[QUOTE=alex0rcs;4782438]Autre idée:

Je prend mon tube et je fais 2 expériences :
• Cylindre refermé avec une couche d'aérogel, je trace la courbe de l'évolution de la température à l'intérieur et à l'extérieur en fonction du temps.
• Mêmes mesures avec un autre isolant, dont je connais la résistance thermique et le lambda.
En comparant ces deux courbes, n'y a-t-il pas moyen de retrouver la résistance thermique de l'aérogel ?
Vu que les deux expériences sont exactement dans les mêmes conditions, tout ce que change c'est l’épaisseur et la résistance thermique de l'isolant.
[QUOTE]

Bonjour,

Jusqu’à présent, les intervenants ont proposés des approches théoriques que l’on trouve dans la littérature scientifique. Ces approches mathématiques sont intéressantes, mais utilisables dans les grands laboratoires du CNRS destinés à faire de la recherche fondamentale.

Dans le cadre de l'étude appliquée qui nous intéresse, il faut utiliser les règles basiques de la transmission de la chaleur.

La démarches intuitive et de bon sens que tu proposes, peut conduire à une méthode de mesure réalisable avec les moyens du bord.


Pour que ça marche, il faut de la rigueur et réunir cinq conditions :

- Avoir un tube assez long et de grande section (minimum Φ200 mm, long 500mm)
- Avoir une isolation du tube proche de la perfection, y compris coté source chaude.
- Avoir une source chaude bien caractérisée et réglable,
- Prendre la température avec un thermocouple placé à 2 cm derrière un petit écran (C’est pour masquer le rayonnement infrarouge direct de la source chaude) et 10 cm de l’échantillon à mesurer.
- Attendre le parfait équilibre thermique (température stable depuis environ 30 mn)

A ce stade tu as :
- La température intérieure °C (Nous devons utiliser K, mais nous sommes dans la cuisine ! !)
- La température ambiante °C
- Le flux thermique qui passe à travers l’isolant W

Tu as R (°C/W) = ΔT / W

R est la résistance thermique globale de la partie de ton échantillon qui masque le tube.
A toi ensuite de calculer le R en °C/W*m2

Les mesures sont à pondérer en mesurant un isolant parfaitement identifié.
Ca permet d’estimer les fuites thermiques à prendre en compte au niveau de l’exploitation des résultats de mesures.

[alex0rcs]

Merci de tes précisions.

La formule, je la connais, mais ce qui me bloquait jusqu'ici c'est la mesure du flux.
D'ailleurs, est-ce que le flux dépend du matériau ? De son épaisseur ?

[Boumako]

Bonjour

Et comment comptes tu t'y prendre pour isoler "parfaitement" le tube ?
Avec 20cm de laine de verre autour du tube il n'y a que 10% de la puissance qui passera à travers une couche de 25mm d'aérogel, la différence d'une condition à une autre sera trop faible pour en tirer quelque chose d'utile.

La manip qui a été donnée est simple et permet d'obtenir des estimations fiables : Je l'utilise avec mes élèves avec peu de matériel, presque "dans une cuisine", et leur résultats rejoignent généralement celles de la littérature. Pourquoi vouloir à tout prix imposer quelque chose de bancal ?

[alex0rcs]

Bonjour Boumako.

Ta méthode est intéressante, mais 2 choses me gênent un peu : je n'ai pas encore totalement compris pourquoi le flux n'intervient pas dans ta formule finale, je vais réétudier la théorie avec les derniers éclairements quand j'aurais 5 minutes, et le fait que je doive concevoir un nouveau banc d'essai.


Mais en fait, je peux aussi procéder ainsi :

Je prend mon tube et je fais 2 expériences :
• Cylindre refermé avec une couche d'aérogel, je trace la courbe de l'évolution de la température à l'intérieur et à l'extérieur en fonction du temps.
• Mêmes mesures avec un autre isolant, dont je connais la résistance thermique et le lambda.

Cela ne reviendrait-t-il pas au même que ton expérience ?
Au lieu de faire une proportion entre les résistances thermiques connue et inconue en fessant 1 expérience, on peut faire la même chose mais en fessant 2 fois la mesure.
Entre les deux mesures, tout ce qui change c'est l’épaisseur, mesurée, et résistance thermique que je veux déterminer.
Ainsi, les fuites thermiques sont les mêmes dans les deux cas et n'influent pas.