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Auteur(s)
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Alain BRICARD : Ingénieur du Conservatoire national des arts et métiers (CNAM) - Ingénieur de recherche au Commissariat à l’énergie atomique - Grenoble
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Dominique GOBIN : Docteur d’État - Directeur de recherche au Centre national de la recherche scientifique (CNRS)
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Lire l’articleINTRODUCTION
Le changement d’état liquide-solide d’un matériau pur est caractérisé par la transformation, à température constante, d’une phase liquide en une phase solide ou inversement. Cette réaction réversible s’accompagne d’une consommation (fusion) ou d’une restitution (solidification) d’énergie : l’enthalpie massique de fusion (ou la chaleur latente de fusion). Le but de cet article est de faire le point sur les connaissances acquises sur le transfert de chaleur avec changement d’état dans un matériau à changement de phase (MCP) où les deux phases liquide et solide sont en présence.
Depuis le travail précurseur de Stefan en 1891 sur l’épaisseur de la calotte polaire, les problèmes de transfert thermique avec changement d’état solide‐ liquide portent le nom de ce physicien. Ces problèmes ont une importance considérable dans de nombreuses applications techniques et processus naturels : on peut citer l’évolution des banquises, la congélation des aliments, la biocryogénie, le moulage, la coulée continue, la croissance cristalline, la sécurité des réacteurs nucléaires, le contrôle thermique des engins spatiaux, le stockage thermique, etc. Rappelons aussi que les premiers métallurgistes du Moyen-Orient moulaient en terre, puis qu’ils ont remplacé les argiles par des sables de granulométrie précise et des moules métalliques pour augmenter la précision du moulage. La coulée en cire perdue, qui permet de faire des pièces avec une grande finesse des détails, était déjà connue des Égyptiens du moyen-empire. Cette grande variété de champs d’application explique l’élan des recherches poursuivies dans ce domaine depuis de nombreuses années pour mieux connaître la dynamique de ces processus.
Dans le cadre de cet article, nous exposerons les principales méthodes développées pour résoudre ces problèmes et les principaux résultats acquis. Bien que cette présentation soit essentiellement consacrée aux aspects purement thermiques, nous ferons référence aux couplages avec le transfert de matière dans les processus de changement d’état dans les systèmes à plusieurs composants. Nous ne considérons cependant ici que les phénomènes de changement d’état à l’équilibre, sans prendre en compte les phénomènes de surfusion ou de solidification rapide, ni la physique de la nucléation.
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2. Aspects système
2.1 Concept d’échange
Les systèmes échangeant de la chaleur entre un matériau à changement de phase et un milieu extérieur se différencient par le type d’apport et d’évacuation de la chaleur (fluide de transfert, mode de transfert), par les conditions aux limites et par le concept d’échange. Le transfert peut s’effectuer :
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par l’intermédiaire d’une surface de séparation entre les deux milieux ;
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par contact direct entre le matériau à changement de phase et un fluide.
Le premier concept correspond, par exemple, au moulage de pièces en fonderie, alors que le second est illustré par la fabrication de pastille d’engrais, de lait en poudre ou de plomb de chasse, ou plus simplement par la fusion d’un bloc de glace dans l’air ambiant.
HAUT DE PAGE2.1.1 Échange thermique à travers une paroi
La connaissance des propriétés de l’interface entre un matériau (en phase) liquide et la paroi sur laquelle il se solidifie, bien que fondamentale pour la maîtrise technique et économique des procédés industriels (moulage, coulée continue, dépôts, soudage…), reste très empirique. En particulier, la caractérisation de la mouillabilité et de la résistance thermique de contact entre le matériau et la paroi s’avère délicate pour devenir même complexe lorsque le matériau (en phase) liquide présente un changement d’état, et l’expérimentation seule permet d’approcher ces grandeurs. La résistance de contact, liée au profil de température à l’interface des deux milieux, varie fortement en fonction du flux de chaleur, des caractéristiques thermophysiques des matériaux accolés et surtout de la qualité du contact. De même, il n’existe pas de théorie générale satisfaisante pour décrire le mouillage réactif, c’est-à-dire le mouillage suivi d’un transfert de masse vers la paroi (dépôt, brasage), ainsi que pour décrire le retrait en paroi et la distribution de retassures dans le volume solidifié, ces deux phénomènes étant induits par la variation de la masse volumique entre l’état solide et l’état liquide (par exemple, couramment autour de 20 % pour...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - PAPON (P.), LEBLOND (J.), MEIJER (P.) - Physique des Transitions de Phase. - Dunod (1999).
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(2) - SARLER (B.) - Stefan’s work on solid-liquid phase changes. - Engin. Analysis, 16, p. 83-92 (1995).
-
(3) - CARSLAW (H.S.), JAEGER (J.C.) - Conduction of Heat in Solids. - Oxford University Press (Chap. 11) (1959).
-
(4) - CRANK (J.) - Free and Moving Boundary Problems. - Clarendon Press (1984).
-
(5) - HILL (J.M.) - One-Dimensional Stefan Problems : an Introduction. - Longman Scientific and Technical (1987).
-
(6) - POOTS (G.) - On the application of the integral method to the solution of problems involving the solidification of liquids initially at fusion temperature. - Int. J. Heat Mass Transfer, 5, p. 525-531 (1962).
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