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Conductivité thermique de l'air

  1. Afira

    Date d'inscription
    juin 2010
    Messages
    66

    Re : Conductivité thermique de l'air

    Bonjour à tous,

    Citation Envoyé par sitalgo Voir le message
    B'soir,

    Maintenant que le carton (parce qu'il est opaque) soit chauffé par rayonnement ou autre n'a aucune importance, pour la lame d'air ce qui compte est la température de la face en contact. Mais il vaut mieux que la température soit uniforme sur la surface pour d'éventuels phénomènes de convection qui seraient favorisés dans les fortes épaisseurs d'air.
    C'est cette raison d'uniformité qui m'a conduit à disposé un écran diffuseur au-dessus de l'ampoule (source chaude).

    La lame d'air étant horizontale et non verticale comme pour les double-vitrages, je supposais que la convection serait peu importante. Et que le gain de résistance conductive de l'air serait supérieur à l'effet de convection…
    Je me suis peut-être montré optimiste sur ce coup là.

    J'avais une seconde hypothèse à vérifier, qui expliquerait mon problème. Alors que la plupart des sources accessibles sur la toile indiquent une conductivité de l'air entre 0,024 et 0,026 W/m/K, j'étais tombé sur un document universitaire dont les abaques donnaient une conductivité pratiquement 10 fois plus faible…

    Il est clair qu'il me faut reprendre l'expérience différemment pour tirer les choses au clair.

    Mais il est aussi intéressant de comparer avec du film très mince (dont la résistance thermique est très faible) la différence entre une lame d'air de 6mm, deux lames de 6 mm et une de 12 mm. Si le film est transparent, pas de chauffage par rayonnement.
    Les films transparents me gênent pour deux raisons :
    1- la mesure peut être faussée par absorption du rayonnement IR (directement émis par la source ou par réflexion sur les parois) par la sonde elle-même ;
    2- la réflexion sur les parois risquent de fausser l'expérience (effet de rétro-éclairage IR).

    Est-ce que je fais un cinéma ?
    Y a-t-il un moyen simple d'éviter ces risques ?

    Citation Envoyé par arrial
    Salut,

    Il est clair que, comme je l'ai déjà signalé, si on veut mesurer de la conduction et non du rayonnement, les surfaces doivent être en alu. poli (émissivité très faible) …
    J'avais les idées embrouillées et n'avais pas saisi le message.

    Après une nuit de réflexion, voici ce que je me propose de faire :
    - côté échantillons :
    - aluminer les faces internes de mes parois en carton
    - construire 3 échantillons 12 mm ; 6 mm et 6+6 mm (avec film transparent intermédiaire, comme suggéré par sitalgo)
    - côté essais :
    - faire les essais dans les mêmes conditions que précédemment
    - puis en plaçant la source au-dessus des échantillons, afin d'obtenir une stratification thermique au sein des lames d'air (ce qui devrait interdire toute convection… à l'homogénéité des températures près)

    Avez-vous des suggestions ?
    Je vous tiens au courant des résultats. Donnez-moi jusqu'à la fin du mois (je suis en déplacement).

    Cordialement.


     


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  2. sitalgo

    Date d'inscription
    juin 2006
    Localisation
    La Réunion
    Messages
    4 160

    Re : Conductivité thermique de l'air

    Citation Envoyé par Afira Voir le message
    Les films transparents me gênent pour deux raisons :
    Rapidement parce j'ai du lait sur le feu.
    Je ne préconise pas du transparent, au contraire, un polyane noir serait mieux (ou une feuille alu), il ne faut pas que du rayonnement traverse le film.
    On peut faire la boîte du dessous rectangulaire (en proj horiz) de façon à décaler la source de chaleur avec une séparation cache-rayonnement direct. La cavité sous l'isolant étant donc alimenté en air chaud par circulation. On peut alors mesurer la température en-dessous ET au-dessus de l'isolant (parce que si la température du local change, ça se retrouvera dans la temp de la boîte haute).
    Mais si t'as l'gosier, Qu'une armure d'acier, Matelasse. Brassens, Le bistrot.
     

  3. Afira

    Date d'inscription
    juin 2010
    Messages
    66

    Re : Conductivité thermique de l'air

    Bonjour à tous,

    Rien ne va plus…

    Comme promis, avec un peu de retard (j'avais oublié le pont de l'Ascension), je vous livre les résultats des derniers essais.

    Pour cela, j'ai réalisé trois nouveaux échantillons à double paroi, avec respectivement une lame d'aire de 6 mm ; 12 mm et 6 + 6 mm (séparation par un film).
    J'ai remplacé le carton fort par des plaques de PVC expansé (dont on se sert pour les fonds d'encadrement) auquel j'ai collé un film aluminé (couverture de survie) sur la face interne, afin de limiter les échanges par rayonnement. Enfin, le film séparateur du dernier échantillon a été emprunté à un sac poubelle en polyéthylène noir.

    Je me suis livré à des essais comparatifs avec l'échantillon témoin habituel, constitué d'une plaque de polystyrène extrudé de 30 mm d'épaisseur, suivant deux configurations principales.

    La première série d'essai a été réalisée dans les mêmes conditions que précédemment (pour une comparaison directe à mes résultats antérieurs), soit une ampoule de 15 W, comme source chaude, au-dessus de laquelle est placé un écran diffuseur. L'échantillon est posé au-dessus, et sépare la "chambre chaude" de la "chambre de mesure". Le tout formant une boîte fermée par des parois en matériaux isolants. J'ai pris comme base de comparaison, le niveau d'élévation de la température dans la chambre passive (ou chambre de mesure) entre la 10° et la 20° minute, afin de m'affranchir des problèmes d'inerties thermiques.

    Dans ces conditions, j'obtiens des résultats très proches les uns des autres. En particulier, les résultats des échantillons Dp6 et Dp12 sont très voisins et se confondent avec le niveau de d'incertitude des mesures. Les résultats bruts donnent, respectivement, un taux d'échauffement de 1,16 et 1,14 Kelvin / minute. Et rapporté aux résultats obtenus sur l'échantillon témoin, j'obtiens un facteur de conduction thermique de 1,41 et 1,48 (avec une dispersion des mesures de l'ordre de 4%).
    L'échantillon avec séparation des lames d'air par un film opaque s'avère sensiblement meilleur, avec un taux d'échauffement de 1 K/mn, et un facteur de conductivité thermique de 1,27, soit un gain d'environ 12% par rapport aux deux précédents.


    Dans la seconde série d'essais, j'ai voulu m'affranchir des problèmes de convection en inversant les chambres "chaude" et de "mesure". Toutefois, en retournant le banc d'essai, il m'a fallu renoncer à l'écran de diffusion intermédiaire entre la source chaude et l'échantillon.

    Dans cette configuration les résultats, tout en étant très proches les uns des autres, ne correspondent pas à ce que j'attendais.
    Soit, dans l'ordre Dp6 ; Dp12 ; Dp6+6, on a un taux d'échauffement de 1,07 ; 1,17 et 1,21 K/mn, et un facteur de conductivité thermique par rapport à l'échantillon témoin de 1,09 ; 1,10 et 1,12.


    En première conclusion, si il semble possible de voir la manifestation d'un effet de convection dans la première série d'essais, cette observation est à relativiser par l'impossibilité de mettre en évidence l'influence de la conductivité de l'air.

    Discussion sur la conductivité de l'air.
    On peut estimer en première approximation que la conductivité des échantillon à double-paroi proche de celle du polystyrène extrudé de l'échantillon témoin.
    La résistance thermique devrait alors être sensiblement proportionnelle à l'épaisseur globale des échantillons (10 mm pour le Dp6 et 16 mm pour les Dp12 et Dp6+6).
    Alors que cette logique prévoirait un facteur de conductivité d'environ 3 pour le Dp6, il n'est que de 1,4. Peu différent de celui obtenu pour le Dp12, alors que la logique le positionnerait autour de 2.
    Le constat est pire concernant l'échantillon Dp6+6, ou l'ensemble des résultats de la seconde série d'essais dont la performance thermique semble quasi forfaitaire (indépendant de l'épaisseur de l'échantillon).

    Je n'y vois qu'une alternative : je me suis complètement fourvoyé dans la conception de ma manip (banc, mesures, raisonnement), ou bien la conductivité de l'air est négligeable devant le rayonnement...

    Bref, je me perds en conjectures. J'ai besoin de prendre du recul, mais c'est difficile tant la question m'obsède. J'ai besoin de vos éclairages.

    Cordialement.
     

  4. sitalgo

    Date d'inscription
    juin 2006
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    La Réunion
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    4 160

    Re : Conductivité thermique de l'air

    Ne mets ni carton ni PVC expansé dont la résistance thermique n'est pas négligeable. Ca oblige à les éliminer par le calcul donc une approximation de plus. Mets uniquement des films, alu de préférence parce qu'ils ont une résistance plus faible qu'en plastique.
    ou bien la conductivité de l'air est négligeable devant le rayonnement...
    Je pense aussi puisque c'est ce que disais :
    Le principe de la lame d'air est de supprimer la convection et de diminuer fortement le flux par la mauvaise conduction des gaz. Il ne reste essentiellement que le rayonnement qui est indépendant de la distance entre les paroi (hors effet de bord).
    Quant au résultat de la manipulation inversée, je ne vois pas.

    Je propose un autre essai.
    La séparation basse sert de plaque chauffante pour le haut, peu importe sa nature du moment qu'elle a une inertie faible (pour réduire le temps de la manip).
    On fait une première mesure avec rien au-dessus, cad avec rayonnement de la plaque vers le haut. Le local du haut doit être de faible hauteur (convection).
    Puis on fait une deuxième mesure avec en plus une plaque (très) mince transparente au IR de façon à avoir à peu près le même rayonnement, la différence étant l'effet de la lame d'air.
    Mais si t'as l'gosier, Qu'une armure d'acier, Matelasse. Brassens, Le bistrot.
     

  5. Afira

    Date d'inscription
    juin 2010
    Messages
    66

    Re : Conductivité thermique de l'air

    Citation Envoyé par sitalgo Voir le message
    Ne mets ni carton ni PVC expansé dont la résistance thermique n'est pas négligeable. Ca oblige à les éliminer par le calcul donc une approximation de plus. Mets uniquement des films, alu de préférence parce qu'ils ont une résistance plus faible qu'en plastique.
    Les plaques avaient l'avantage d'être simples à faire et à manipuler. Mais je vais essayer.

    L'inertie thermique des plaques ne me gênaient pas trop (peut-être à tord). C'est la même pour les trois échantillons. Les différences étant dues aux variations des lames d'air, il n'est pas nécessaire de les éliminer par le calcul. Mais comme ma manip n'a rien donné, je suis prêt à tout revoir.

    Je propose un autre essai.
    La séparation basse sert de plaque chauffante pour le haut, peu importe sa nature du moment qu'elle a une inertie faible (pour réduire le temps de la manip).
    On fait une première mesure avec rien au-dessus, cad avec rayonnement de la plaque vers le haut. Le local du haut doit être de faible hauteur (convection).
    Puis on fait une deuxième mesure avec en plus une plaque (très) mince transparente au IR de façon à avoir à peu près le même rayonnement, la différence étant l'effet de la lame d'air.
    J'ai peur de ne pas bien voir la manip.

    Dans mes essais, la paroi "chaude" de l'échantillon sert des séparateur et de plaque chauffante (son inertie est non nulle, mais relativement faible au regard de celle de l'échantillon témoin), tandis que la paroi "froide" me sert de support au thermocouple.
    L'enceinte m'assure qu'aucun courant d'air ou source de rayonnement parasite ne vient fausser la nature des échanges thermiques.
     

  6. coconet

    Date d'inscription
    août 2006
    Messages
    125

    Re : Conductivité thermique de l'air

    peut-on savoir où est placé le thermomètre?
     

  7. sitalgo

    Date d'inscription
    juin 2006
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    La Réunion
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    4 160

    Re : Conductivité thermique de l'air

    La manip qui tue serait de pouvoir comparer une lame vide (zéro atm) avec une lame d'air. Ca poserait un problème de contraintes mécaniques et il faudrait réduire les dimensions de l'appareil mais les effets de bords seraient moins négligeables. On aurait alors l'incidence de la conductivité de l'air avec un rayonnement inchangé en pratique.

    Comme on ne peut pas empêcher le rayonnement entre les plaques (la plaque réceptrice recevant la chaleur à la fois par rayonnement et conduction), il faut trouver un système où il n'a pas ou peu d'influence. C'est pour ça que je propose une 2ème plaque transparente au IR (très bas) pour qu'elle ne soit pas chauffée par rayonnement. La température se mesurant sur cette plaque, il ne faut pas que la sonde soit chauffée par rayonnement aussi (astuce à trouver), de même il vaut mieux avoir un grand volume haut avec une inertie ajoutée qu'un petit qui se réchaufferait plus vite, interférant ainsi sur les mesures.

    Il faudrait aussi, si tu as le matériel, mesurer la température en bas. Si moins de chaleur passe en haut elle chauffe donc davantage le bas. Le gradient de température s'en trouve augmenté et les écarts que tu trouves aussi.
    Mais si t'as l'gosier, Qu'une armure d'acier, Matelasse. Brassens, Le bistrot.
     

  8. Afira

    Date d'inscription
    juin 2010
    Messages
    66

    Re : Conductivité thermique de l'air

    Re bonjour,

    Désolé, j'ai eu des difficultés pour me connecter.

    En attendant que je construise de nouveaux échantillons à très faible inertie thermique, je souhaiterais vérifier la validité de mon raisonnement.
    Mes échantillons séparent une chambre chaude (ampoule de 15 W) d'une chambre passive où je mesure l'élévation de température en fonction du temps. Celle-ci est inversement proportionnelle à l'efficacité isolante de l'échantillon.
    Comme je n'ai pas la prétention de faire une mesure en bon et due forme de la résistance thermique de mes échantillons, j'opère par comparaison avec un échantillon témoin (j'ai donc deux bancs fonctionnant en parallèle).
    J'utilise une plaque de polystyrène extrudé de 30 mm d'épaisseur comme témoin. Soit une résistance thermique d'environ 0,86, avec laquelle j'obtiens une élévation de température de 0,87 K/mn ± 0,05 (à 1 sigma).

    Le flux thermique (l'inverse de la résistance thermique) au sein de la lame d'air est dû à la conduction, à la convection (que j'espère négligeable) et au rayonnement.
    La conduction est inversement proportionnelle à l'épaisseur de la la lame d'air : 4 W m-2 K-1, pour la lame d'air de 6 mm ; 2 W m-2 K-1, pour la lame d'air double (2 x 6 mm).
    Le flux de rayonnement a pour expression : ØR # 4 e s Tm3 , où Tm est la température moyenne de la lame d'air (voisine de 300 K). Pour un corps noir (e = 1) ce flux serait de 6 W m-2 K-1(pas beaucoup plus que la conduction), mais beaucoup moins pour entre les surface aluminées dont l'émissivité est de l'ordre de 0,15 (voire 0,1).

    Le flux global au sein de la lame d'air est donc de 4,9 W m-2 K-1, pour la lame simple, et de 2,9 W m-2 K-1, pour la lame double. Ou respectivement, exprimé en terme de résistance thermiques, R6 = 0,20 W-1 m2 K et R12 = 0,34 W-1 m2 K.

    Résistances thermiques auxquelles il convient d'ajouter celle des parois de l'échantillon.
    L'épaisseur des parois en PVC soufflé est de 2 mm, tandis que j'estime la conductivité thermique (proportionnelle à la densité) à 0,08. Ce qui donne une résistance thermique des parois : Rp ≈ 0,05.

    Au final les résistances thermiques des échantillons à double paroi peuvent estimées à : Rdp6 = 0,25 W-1 m2 K ; Rdp12 = 0,39 W-1 m2 K . Très inférieures à celle de l'échantillon témoin, respectivement d'un facteur 3,4 et 2,2.

    Or, les essais ne corroborent pas ces estimations. Les rapports ne sont que de 1,4 et 1,25... Bien inférieurs à ceux attendus.


    Citation Envoyé par sitalgo Voir le message
    La manip qui tue serait de pouvoir comparer une lame vide (zéro atm) avec une lame d'air.
    Notons que s'il y avait le vide, la résistance thermique des échantillons serait constante (somme de la résistance des parois et de l'inverse du du flux de rayonnement entre celles-ci). Soit environ Rdp6 = 0,05 + 1/(6 * 0,15) = 1,16 W-1 m2 K.
    Soit 1,4 fois celle de l'échantillon témoin. Troublant, non ?

    Si les prochains essais confirment cela, devrais-je en conclure que la conductivité de l'air (calme) est très inférieure aux valeurs usuellement indiquées (lambda = 0,024 à 0,027 W m-1 K-1) ?


    Citation Envoyé par coconet Voir le message
    peut-on savoir où est placé le thermomètre?
    Le thermocouple est placé au milieu de la paroi froide de l'échantillon, et maintenu en place avec un adhésif transparent.

    Bon wee-end.
     

  9. coconet

    Date d'inscription
    août 2006
    Messages
    125

    Re : Conductivité thermique de l'air

    je suppose que vous connaissez le diagramme dont voici l'adresse http://www.nrc-cnrc.gc.ca/obj/irc/im...bd/149f02f.gif
     

  10. sitalgo

    Date d'inscription
    juin 2006
    Localisation
    La Réunion
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    4 160

    Re : Conductivité thermique de l'air

    Reb'soir,
    Citation Envoyé par Afira Voir le message
    Le flux de rayonnement a pour expression : ØR # 4 e s Tm3 , où Tm est la température moyenne de la lame d'air (voisine de 300 K). Pour un corps noir (e = 1) ce flux serait de 6 W m-2 K-1(pas beaucoup plus que la conduction), mais beaucoup moins pour entre les surface aluminées dont l'émissivité est de l'ordre de 0,15 (voire 0,1).
    Le rayonnement de la lame d'air n'est pas orienté, il va chauffer les 2 films (et les bords) de la même façon. En outre cette énergie est prise sur l'énergie fournie, le rayonnement intercepté serait allé sur l'autre plaque qui aurait rayonné sur ses deux faces aussi. A mon avis ça joue autant qu'une crotte de mouche sur une bouse de vache.
    D'où sors-tu la formule en T3 ?

    Je ne vois pas où tu as mis le rayonnement des plaques, qui est normalement le principal vecteur d'énergie.
    Mais si t'as l'gosier, Qu'une armure d'acier, Matelasse. Brassens, Le bistrot.
     

  11. Afira

    Date d'inscription
    juin 2010
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    66

    Re : Conductivité thermique de l'air

    Citation Envoyé par sitalgo Voir le message
    Reb'soir,

    Le rayonnement de la lame d'air n'est pas orienté, il va chauffer les 2 films (et les bords) de la même façon. En outre cette énergie est prise sur l'énergie fournie, le rayonnement intercepté serait allé sur l'autre plaque qui aurait rayonné sur ses deux faces aussi. A mon avis ça joue autant qu'une crotte de mouche sur une bouse de vache.
    ...
    Je ne vois pas où tu as mis le rayonnement des plaques, qui est normalement le principal vecteur d'énergie
    Je me suis peut-être mal exprimé. Je parlais du rayonnement des plaques... en négligeant l'interaction avec la lame d'air comprise entre les plaques (comme évoqué si poétiquement).

    D'où sors-tu la formule en T3 ?
    C'est un développement limité de la formule en (T14 - T24), qui devient alors équivalente à 4 ∆T Tm3. Et comme je m'intéresse au flux réduit, le terme en ∆T disparaît.
    Ceci est valable à la condition que ∆T << Tm. Ce qui est le cas ici.
     

  12. Afira

    Date d'inscription
    juin 2010
    Messages
    66

    Re : Conductivité thermique de l'air

    Citation Envoyé par coconet Voir le message
    je suppose que vous connaissez le diagramme dont voici l'adresse http://www.nrc-cnrc.gc.ca/obj/irc/im...bd/149f02f.gif
    Le problème est que je me trouve avec une résistance thermique plus grande que ce que j'attends. Certes elle est moins bonne que celle de mon échantillon témoin, mais à peine…
     

  13. coconet

    Date d'inscription
    août 2006
    Messages
    125

    Re : Conductivité thermique de l'air

    ce schéma issu du même article peut vous aider a répondre a votre question initiale. on y voit bien ,dans la première partie, que la transmission de chaleur par conduction est modeste par rapport a la transmission par rayonnement et convection.( la situation concernant votre première expérience étant la première colonne du premier groupe; chaleur passant du bas vers le haut)http://www.nrc-cnrc.gc.ca/obj/irc/im...bd/149f01f.gif
     

  14. Afira

    Date d'inscription
    juin 2010
    Messages
    66

    Re : Conductivité thermique de l'air

    Je suis d'accord. Il n'empêche que que la conduction seule (sans rayonnement, ni convection) me donnerait une résistance thermique de ma lame d'aire de R6 = 0,006 m / 0,026 W m-1 K-1 = 0,23 K m2 W-1, soit 3,5 moins que celle de mon échantillon témoin.
    Or, les résultats obtenus montrent un écart faible (seulement de 1,4)

    La prise en compte de la convection et du rayonnement ne fait qu'augmenter mon interrogation… Comme si le coefficient de conductivité thermique de 0,026 était surévalué, et incluait une part de convection et de rayonnement.

    Je m'étais interrogé à la vue d'une abaque (que je n'arrive pas à retrouver) montrant une conductivité de l'air beaucoup plus faible, qui correspondrait à mes essais.
     

  15. coconet

    Date d'inscription
    août 2006
    Messages
    125

    Re : Conductivité thermique de l'air

    ne faut-il pas tenir compte d'une résistance due aux parois coté extérieur (coté lampe et coté sonde)? (résistances thermiques d'échanges superficiels)
     


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