Étude théorique et expérimentale des transferts thermiques dans les milieux poreux granulaires pour l'isolation thermique

Theoritical and experimental study of the heat transfer in the granular porous media for the thermal insulation

• Auteur / Autrice : Slimane Melka
• Direction : Jean-Jacques Bézian
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergétique
• Date : Soutenance en 1996
• Etablissement(s) : Paris, ENMP

Mots clés

Mots clés contrôlés

Isolants thermiques

Isolation thermique

Résumé

Bon nombre de chercheurs ont étudié le domaine des matériaux poreux, notamment granulaires, pour des applications très variées. Quant à ce travail, il tente de renforcer la compréhension que nous avons des milieux granulaires, pour contribuer à enrichir le domaine de l'isolation thermique. Grâce à l'essor de matériaux comme les aérogels de silice, des conductivités thermiques effectives très faibles ont été mises en évidence. Une étude théorique des transferts thermiques au sein de matériaux granulaires, visant à relier les performances d'isolation de ces matériaux à leurs caractéristiques structurales, thermiques et optiques, a conduit à une meilleure maîtrise du comportement de telles structures. Cette étude s'est concrétisée par la mise au point d'un modèle de calcul de la conductivité effective d'un lit à particules sphériques, grâce auquel il a été montré que, les plus faibles conductivités thermiques effectives s'obtiennent sous certaines conditions (faible conductivité thermique du monolithe, faible granulométrie, sous vide,). Des expérimentations ont été menées sur divers matériaux qui ont confirmé les résultats numériques. L'incapacité à trouver toutes les caractéristiques voulues réunies au sein du même matériau, nous a amené à explorer les mélanges entre matériaux de propriétés complémentaires. L'extension du modèle précédent à ce genre de mélanges nous a permis de mettre en évidence le passage de la conductivité effective par une valeur minimale. Cette technique sert également de moyen pour agir sur le prix du produit résultant. Les aérogels de silice, un des cas d'application les plus prometteurs de cette étude, laissent entrevoir, sur un plan théorique, des conductivités effectives avoisinant le milli-watt par mètre et par kelvin. Ces matériaux sont en cours de développement. Une validation expérimentale de ces résultats, sur ces matériaux spécifiques est une des perspectives de ce travail

Many scientists have studied the granular porous materials. Various applications exist for these materials. This work contributes to the knowledge we have in this domain in order to investigate the field of thermal insulation. With the development of new materials, like silica aerogels, very low effective thermal conductivities have been measured. A theoretical study of the heat transfer within the granular materials, which aims to relate the insulation performances of this materials to their structural, thermal and optic characteristics permits us to have a better control of such structures. A model has been developed to calculate the thermal conductivity of spherical particle fixed beds. This model allowed us to show that a very low conductivity can be obtained under some conditions like, weak thermal conductivity of the monolith, fine particles and under vacuum. Experiments were carried out with different materials wchich confirmed our numerical results. The inability to find all the desired properties in the same material, pushed us to explore the mixture of materials with complementary properties. The adaptation of the previous model to this kind of mixtures shows that the thermal conductivity passes by a minimal value. This approach can also be used to optimise the price of the resulting product. The silica aerogels are one of the most attractive domain of application for this study. They show theoretical thermal conductivities nearby one milli-Watt per meter and per Kelvin. These materials are still under development. An experimental validation of the results obtained with these materials is one of the perspectives of this work.