Mesure de la conductivité thermique des liquides et des gaz

Le but de cet article est de fournir un guide aux chercheurs et techniciens qui envisagent de réaliser des mesures de conductivité thermique de fluides ou de mélanges fluides. L’accent a été mis sur les méthodes fiables, fondées sur des principes théoriques bien définis et qui sont d’un intérêt potentiel pour les applications industrielles.

La connaissance de la conductivité thermique des fluides est particulièrement importante pour la science et l’industrie. En effet, cette grandeur apparaît dans tous les phénomènes mettant en jeu des transferts de chaleur. Par exemple, une mauvaise connaissance de la conductivité thermique peut modifier, de façon significative, les coûts et les performances des échangeurs de chaleur. En outre, la conductivité thermique est l’un des paramètres entrant dans un certain nombre de grandeurs thermiques comme la diffusivité thermique, le nombre de Nusselt, le nombre de Knudsen, le nombre de Rayleigh, etc.

La mesure de la conductivité thermique des fluides demeure une nécéssité primordiale. Ainsi, il existe de nombreux fluides et mélanges de fluides pour lesquels le nombre de données est limité voire inexistant. C’est particulièrement vrai pour les nouveaux fluides dont les propriétés doivent être évaluées avant leurs utilisations industrielles. De plus, les banques de données existantes sont peu crédibles surtout aux hautes pressions et températures et dans la région critique. Bien sûr, il est impossible de mesurer la conductivité thermique de tous les fluides et de leurs mélanges en fonction de la température , de la pression et de la composition. Le développement des banques de données doit donc s’accompagner du développement de modèles théoriques qui, à leur tour, doivent être testés à l’aide de données expérimentales précises.

• Malheureusement, la mesure absolue de la conductivité thermique avec une bonne précision, par exemple de l’ordre de 1 %, est une opération très délicate qui ne se fait que dans des laboratoires spécialisés. Les difficultés proviennent du fait qu’il faut amener le système dans un état de non-équilibre. La conductivité thermique implique une relation entre gradients de température et flux de chaleur ; ces derniers apparaissent dans des équations hydrodynamiques couplées qui contiennent des termes additionnels non linéaires. Ainsi, un gradient de température induit non seulement la conduction thermique mais aussi la convection et le rayonnement. Pour déterminer la conductivité thermique, le gradient de température doit être assez élevé (compris entre 0,3 et 2 K) pour être mesuré avec précision, mais suffisamment petit pour que les phénomènes perturbateurs associés restent faibles.

  À notre connaissance, il n’existe aucun appareil commercialisé pour mesurer la conductivité thermique des fluides. L’intéressé devra donc construire lui-même son dispositif pour couvrir ses propres besoins, ce qui constitue une opération longue, car de nombreux tests sont nécessaires, et assez onéreuse. À titre indicatif, le prix d’un appareil couvrant une certaine plage de pression et de température, avec des systèmes de régulation de température et des appareils de mesure, pourrait se situer autour de 400 000 F (1995).

• Si l’on se contente de mesures relatives, qui peuvent être effectuées en comparant la conductivité thermique d’un fluide inconnu à celle d’un fluide étalon, un appareillage plus rudimentaire peut être utilisé. Dans ce cas, il n’est guère possible d’obtenir la conductivité thermique à mieux que 5 %, dans un domaine réduit de température et de pression, pour les raisons suivantes. Il existe peu de fluides étalons et leur domaine d’utilisation en température est très restreint. En outre, il subsiste une incertitude sur la contribution du rayonnement au transfert de chaleur apparent, en particulier pour le toluène, recommandé comme étalon. Il faut donc tenir compte, tout d’abord, de l’imprécision de la valeur de la conductivité thermique du fluide étalon. En toute rigueur, les conductivités thermiques ne sont comparables que si elles sont du même ordre de grandeur. Cependant, même si les conductivités thermiques apparentes sont du même ordre, les conductivités thermiques réelles peuvent être très différentes, car les corrections sous-jacentes à chaque mesure sont propres à chacun des fluides étudiés. Ces corrections seront détaillées sur un exemple de mesure 2.1.6 ; elles sont dues surtout à l’accommodation à la paroi, à la mouillabilité des surfaces, à la convection et au rayonnement. Ainsi, pour certains liquides non transparents, la correction de rayonnement pourrait être de l’ordre de 6 à 8 % à température ambiante.

• En conclusion, il est recommandé aux non-initiés de se lancer avec prudence dans la réalisation d’appareillages pour mesurer la conductivité thermique. Les intéressés peuvent s’adresser à des laboratoires spécialisés soit pour obtenir des conseils, soit pour réaliser à la demande des mesures. Nous décrirons en détail 2.1.2 un dispositif que nous avons développé au Laboratoire d’Ingénierie des Matériaux et des Hautes Pressions, afin de bien montrer toutes les difficultés que l’on rencontre dans une mesure de conductivité thermique.