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Caractérisation des propriétés thermophysiques et cinétiques des bois tropicaux: étude des influences de la température et de la teneur en eau au vue d'optimiser la qualité du bois

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par Merlin SIMO TAGNE
Universite de Lorraine - Rpport de stage post doctoral 2012
  

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Chapitre 6 :

Présentation du matériel expérimental et des résultats obtenus :

Cas des Coefficients de diffusion de la vapeur en régime permanent

Le coefficient de diffusion massique encore appelé diffusivité massique est une grandeur qui caractérise l'aptitude du bois à laisser migrer l'eau liée ou la vapeur d'eau. C'est un paramètre très intéressant pour mieux simuler le séchage du bois, aussi pour mieux dimensionner les parois des bâtiments à ossature bois tout intégrant les critères de confort thermique et hydrique. Dans cette étude, nous nous intéressons au régime permanent, c'est-à-dire l'étude est faite dans des conditions thermiques et massiques de l'air ambiant constantes.

6.1/Matériel expérimental et méthode

Le matériel et protocole expérimental utilisé dans la présente étude a déjà fait l'objet de plusieurs thèses [12,15], mais les applications n'ont jamais été faites sur les bois tropicaux du Cameroun. Cet équipement permet de moins perturber les conditions thermohydriques de l'enceinte expérimentale et est constitué d'un vaporimètre `'PVC-CHA'', d'une balance électronique, d'un cryothermostat, d'un thermohygromètre, d'un régulateur de tension, d'un système d'acquisition et d'une résistance chauffante (Photos 14). Pour plus de détails, le lecteur pourra se référer aux documents []. Les mesures sont effectuées en régime permanent, l'enceinte étant maintenue à des températures humide et sèche (presque) constantes. Elles sont en moyennes de 25°C et 33,5°C respectivement pour la température humide et pour la température sèche. D'après le diagramme de Mollier, on obtient une Humidité relative de l'air de 59% dans l'enceinte.

Photo 14a : Appareils de la manipulation Photo 14b : Etuve avec les vaporimètres

Photos 14 : Equipement de mesure du coefficient de diffusion en régime permanent

Dans les verres (vaporimètres), nous avons placé de l'eau distillée saturée avec le NaCl (pour la désorption, photo 15a) lors des premiers essais, ensuite le sel de sillicagel (pour l'adsorption, photo 15b). Le verre est bouché avec les échantillons de bois en forme de disque, mêmes échantillons utilisés lors de l'étude de la perméabilité gazeuse (Photo 16). Le verre et l'échantillon sont maintenus en contact grâce au système PVC-CHA qui assure l'étanchéité. La figure 44 décrit les vaporimètres utilisés.

Photo 15a : Vaporimètres pour désorption. Photo 15b : Vaporimètres pour adsorption

Photos 15 : Solutions salines utilisées lors de la désorption et l'adsorption

Photo 16 : Echantillon inséré et coincé dans le PVC-CHA

Figure 44 : Dessin annoté du vaporimètre [12,15]

D'après la littérature [12], il règne alors une HR de 75% dans le verre lorsque la solution saline utilisée est le NaCl. L'ensemble est placé dans l'enceinte climatique et une pesée régulière permet de mesurer les différentes masses de l'ensemble constitué du verre, du NaCl, de l'échantillon de bois et du PVC-CHA. L'humidité relative de l'air dans le verre étant supérieure à celle de l'enceinte, nous aurons une perte de masse de l'ensemble défini ci-dessus, c'est-à-dire, l'eau va diffuser de l'intérieur du verre vers l'enceinte climatique.

Lorsque la solution saline est le silicagel, l'HR dans les verres est de 0%, celle de l'enceinte reste inchangée. La diffusion massique ira alors de l'enceinte vers le verre (adsorption). Les variations de masse donnent alors les gains (adsorption) ou les pertes (désorption) d'humidité par diffusion à travers l'échantillon.

D'après la littérature [12,15], on a :

(29)

Avec : fexp la diffusivité réduite qui traduit le rapport entre la diffusivité massique du bois d'épaisseur E(m) sur la diffusivité de la vapeur d'eau dans l'air Dv, A est la section du bois (m2), R est la constante des gaz parfaits, Pvs est la pression de vapeur saturante à la température T(K), Mv est la masse molaire de l'eau (kg/mol), Q est le flux massique (kg/s) et HR1 et HR2 sont respectivement l'humidité relative de l'air du milieu moins humide et du milieu le plus humide en valeur décimale.

Entre le niveau supérieure de l'eau du verre et le niveau inférieur de l'échantillon, une diffusivité fa de l'air doit être considérée afin d'estimer la diffusivité réelle du bois fr. Sylvain Zohoun [15] dans sa thèse aboutit à la relation suivante :

(30)

Avec Ea(m) la distance entre le niveau inférieur de l'échantillon de bois et le niveau supérieur de l'eau ou du sel contenu dans le verre.

Pour retrouver le coefficient de diffusion du bois, on procède de la manière suivante :

Le flux peut avoir deux écritures :

*en prenant comme force motrice le gradient de teneur en eau, on a :

(31)

Avec H la masse volumique du bois à l'humidité d'équilibre de l'expérience, D le coefficient de diffusion du bois et X la teneur en eau d'équilibre du bois.

*en prenant comme force motrice la vapeur dans l'air, on a :

(32)

Ainsi, en égalant les deux expressions ci-dessus, on a :

(33)

Si on suppose que la vapeur est un gaz parfait, on aboutit à l'équation :

(34)

Or on sait que :

(35a)

Ce qui nous permet d'avoir l'approximation suivante :

(35b)

Dans les conditions de l'expérience, on a :

HR2=75%=0,75 ; HR1=59%=0,59 ; Pvsat(33,5°C)=4973,2835Pa.

La teneur en eau d'équilibre du bois est fonction de l'essence [5,6]. Les bois d'étude pouvant être classé en deux groupes (faibles densités et densités moyennes), nous avons, pour les bois d'ayous et de fraké, pris égale à celle du bois d'ayous obtenue dans les travaux [5,6] (soit la valeur de 0,046753071) et pour les bois de Sapelli et de Lotofa, pris égale à celle du bois d'ébène obtenue dans les mêmes travaux ci-dessus cités (soit une valeur de 0,0294), avec X2=Xeq(33,5°C, 75%) et X1=Xeq(33,5°C, 59%).

Les masses volumiques de chaque bois sont obtenues en utilisant les corrélations obtenues précédemment à l'humidité d'équilibre de nos bois qui est prise égale à 0,09 (d'après l'isotherme de désorption de l'ayous à HR=59%). Les tableaux XXXVII et XXXVIII présentent les différentes masses du système {PVC-CHA, échantillon, verre, solution saline} obtenues lors des essais.

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"Qui vit sans folie n'est pas si sage qu'il croit."   La Rochefoucault