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RÉSUMÉ
Les fabricants des matériaux isolants tentent ces dernières années de répondre à la forte attente suscitée par la recherche d’économie d’énergie, en présentant sur le marché des produits aux performances de plus en plus élevées. Les matériaux isolants récents sont des matériaux poreux légers, d’où l’intérêt des études autour des transferts de chaleur et de masse par convection et par rayonnement en milieu poreux. Cet article analyse en détail les mécanismes des transferts de chaleur avant de traiter l’influence de l’humidité et le vieillissement thermique sur les performances des isolants.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Catherine LANGLAIS : Ingénieur civil des mines - Directrice générale, Saint-Gobain Recherche - Ancien Chef de Service à ISOVER Saint-Gobain - Centre de recherches industrielles de Rantigny
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Sorïn KLARSFELD : Docteur de l’Université de Paris - Ancien chef de laboratoire à Saint-Gobain Recherche
INTRODUCTION
Des matériaux isolants modernes sont, dans leur grande majorité, des matériaux poreux légers, au sein desquels le transfert de chaleur se fait à la fois par conduction et rayonnement. Le caractère semi-transparent de certains de ces matériaux, même à la température ambiante, a suscité un grand nombre d’études et a nécessité une remise en question du traitement traditionnel de ces matériaux, ainsi qu’une reconsidération de la terminologie utilisée pour décrire leurs propriétés. Les études de base sur le fonctionnement des isolants ont porté principalement sur la meilleure compréhension des transferts de chaleur et de masse par convection naturelle et forcée, et par rayonnement en milieu poreux semi-transparent. Elles se sont aussi étendues à l’étude de l’influence des facteurs environnants sur les performances : influence de l’humidité et de la thermomigration et influence de la diffusion des gaz interstitiels différents de l’air (vieillissement). Les études commencées initialement en relation avec des applications spéciales, comme la cryogénie, l’espace, le génie nucléaire, etc., ont été progressivement étendues aux produits courants et à des températures voisines de la température ambiante. Ces connaissances ont permis la modélisation du fonctionnement des isolants et la prévision de leurs performances en fonction des paramètres thermophysiques les caractérisant et des conditions d’application. La modélisation a constitué un important levier dans l’amélioration des produits et l’optimisation des conditions d’application.
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Mécanismes des transferts de chaleurArticle inclus dans l'offre
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2. Performances d’un isolant et facteurs environnants
2.1 Influence de l’humidité
L’humidité environnante sous forme gazeuse (vapeur d’eau) ou liquide (eau de condensation ou d’infiltration accidentelle) peut pénétrer dans des isolants en service en diminuant leur résistance thermique nominale, à l’état sec. La détermination des performances thermiques des isolants humides est un problème complexe. S’il est en effet possible de définir une conductivité thermique apparente de milieu humide, la mesure de cette conductivité est très délicate en raison des flux de masse et des phénomènes de changement de phase venant s’ajouter au transfert de chaleur simple. Deux démarches sont a priori possibles ; il s’agit :
-
soit de résoudre les équations complètes de transfert de chaleur et de masse et évaluer exactement dans les conditions d’application données les effets de l’humidité sur le transfert de chaleur ;
-
soit de choisir une démarche plus pragmatique et définir, en fonction des conditions d’application, la correction à apporter à la conductivité thermique à l’état sec.
Dans les deux cas, il est nécessaire de savoir définir et mesurer la conductivité thermique humide en fonction de la température et de la teneur en eau
qui apparaît comme paramètre des équations générales dans le premier cas, ou qui est nécessaire pour la détermination du facteur correctif dans le second cas.
2.1.1 Rôle de l’humidité dans le transfert de chaleur
Sur la figure 18 sont énumérés les mécanismes élémentaires du transfert de chaleur et de masse à l’échelle d’un pore :
-
conduction dans la matrice solide (1a) et l’air interstitiel humide (1b) ;
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conduction dans l’eau à...
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