Développement d'une méthode de mesure pour la caractérisation des propriétés thermiques de matériaux isolants poreux et hétérogènes à haute température
Résumé
One of the major challenges facing industry today is to improve the energy efficiency of high-temperature processes by reducing heat losses. The insulating materials generally used for such applications (temperatures above 1000°C) are porous and heterogeneous materials in which the heat transfers involved are coupled. In order to develop insulating materials with optimised performance, it is therefore essential to develop methods for estimating the intrinsic thermal properties of these materials at their operating temperatures (up to 1500°C). However, conventional measurement methods adapted to these insulating materials often allow the estimation of the effective thermal properties where the relative contributions of the different heat transfer modes are not quantified.
Previous work has shown an improvement in the estimation of the effective thermal conductivity of insulating materials at high temperatures (up to 1000°C) compared to conventional measurement methods. The present study, in the case of dense and optically thick materials, shows a method for reliable estimation of effective thermal conductivities and heat capacities up to 1200°C by using a pure conductive model. Furthermore, as a first approach, a separation of the conductive and radiative contributions is performed following the Rosseland approximation and the temperature evolution of the estimated effective conductivity. However, this study also reveals the limitations of such an approximation and the need for the development of a robust direct model that is free from assumptions on the radiative properties and is not limited to asymptotic models (e.g. optically thick or thin medium).
Previous studies have demonstrated the feasibility and relevance of using statistical methods such as
Previous studies have demonstrated the feasibility and relevance of using statistical methods such as Monte Carlo methods when solving coupled and transient thermal problems in the context of characterising complex media. Thus, the development of a coupled conduction-radiation model using such methods is underway with the aim of separating the contributions of radiation and conduction in the apparent thermal conductivity.
During the annual GDR TAMARYS meeting in December 2021, this work was presented orally and is the subject of this video. This research group brings together specialists in materials science and heat transfer who aim to remove the multi-scale and multi-physical obstacles encountered in the development of industrial processes and systems dominated by radiative transfers. Through each seminar, the GDR TAMARYS offers a rich research environment allowing constructive exchanges for the advancement of research work involving the consideration of radiative transfer.
Un des enjeux majeurs de l’industrie aujourd’hui est d’améliorer l’efficacité énergétique des procédés à haute température par la réduction des pertes thermiques. Les matériaux isolants généralement utilisés pour de telles applications (températures supérieures à 1000°C) sont des matériaux poreux et hétérogènes dans lesquels les transferts de chaleur mis en jeu sont couplés. Dans l’optique de développer des matériaux isolants aux performances optimisées, il apparait donc essentiel de développer des méthodes d’estimation des propriétés thermiques intrinsèques de ces matériaux à leurs températures de fonctionnement (jusqu’à 1500°C). Cependant, les méthodes de mesure conventionnelles adaptées à ces matériaux isolants permettent le plus souvent d’estimer les propriétés thermiques effectives où les contributions relatives des différents modes de transferts thermiques ne sont pas quantifiées.
Des travaux précédents ont montré une amélioration de l’estimation de la conductivité thermique effective de matériaux isolants à haute température (jusqu’à 1000°C) par rapport aux méthodes de mesure conventionnelles. La présente étude, dans le cas de matériaux denses et optiquement épais, montre une méthode d’estimation fiable de conductivités thermiques effectives et de capacités thermiques jusqu’à 1200°C par l’utilisation d’un modèle conductif pur. De plus, en première approche, une séparation des contributions conductive et radiative est effectuée suivant l’approximation de Rosseland et l’évolution en température de la conductivité effective estimée. Cependant, cette étude révèle également les limites d’une telle approximation et la nécessité du développement d’un modèle direct robuste s’affranchissant d’hypothèses sur les propriétés radiatives et n’étant pas limitée aux modèles asymptotiques (milieu optiquement épais ou mince par exemple).
Des études précédentes ont démontré la faisabilité et la pertinence de l’utilisation de méthodes
statistiques telles que les méthodes de Monte-Carlo lors de la résolution de problèmes thermiques couplés et transitoire dans le cadre de la caractérisation de milieux complexes. Ainsi, le développement d’un modèle couplé conduction-rayonnement recourant à de telles méthodes est en cours dans le but de séparer les contributions du rayonnement et de la conduction dans la conductivité thermique apparente.
Lors des journées annuelles du GDR TAMARYS en décembre 2021, ces travaux ont été présentés à l'oral et font l'objet de cette vidéo. Ce Groupe de Recherche fédère les spécialistes en science des matériaux et des transferts thermiques qui ont pour objectif de lever les verrous multi-échelles et multi-physiques rencontrés dans le développement des procédés et systèmes industriels dominés par les transferts radiatifs. A travers chaque séminaire, le GDR TAMARYS offre un environnement de recherche riche permettant des échanges constructifs pour l'avancée de travaux de recherche impliquant la prise en compte du transfert radiatif.
