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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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a2)Préparation des planches

Ayant trois capteurs de masse dans notre séchoir, trois essences sont utilisées à chaque essai. Au premier essai nous avons utilisé le bois de Lotofa (représenté ici par les deux planches de gauche de la photo 6a et le morceau de gauche de la photo 6b), le bois de Fraké (représenté ici par les deux planches au centre de la photo 6a et le morceau central de la photo 6b) et le bois de Sapelli (représenté ici par les deux planches de droite de la photo 6a et le morceau de droite de la photo 6b).

Photo 6a : planches découpées Photo 6b : échantillons pour isothermes

Photo 6c : Sapelli, Lotofa et Fraké. Photo 6d : Ayous et Fraké

Photos 6 : Coloration, débit et isolation des faces des planches pour un séchage unidimensionnel

Nous avons souhaité avoir un séchage unidimensionnel afin que cela soit utilisé pour valider plus tard la modelisation que j'ai effectué durant une partie de mon travail de Doctorat [5]. Pour cette raison, nous avons collé une feuille d'aluminium sur les extrémités des planches comme illustré sur la photo 6c (pour le 1er essai constitué des bois de Sappeli, de Lotofa et de Fraké) et sur la photo 6d (pour le 2ème essai constitué de deux planches de bois d'Ayous et d'une planche de bois de Fraké).

a3)Résultats et discussions

La figure 4a ci-dessous montre les évolutions des débits volumiques principaux du séchoir. Rappelons que le débit principal est le volume d'air traité par unité de temps injecté dans l'enceinte du séchoir afin de maintenir ou presque les conditions de température et d'humidité imposées. On constate une variation des valeurs durant le deuxième essai. Ceci montre la non stabilité des conditions atmosphériques extérieures, le séchoir est alors obligé de diminuer ou d'augmenter le volume d'air traité afin de respecter les consignés que nous avons imposées en entrées. Cet essai s'est effectué vers la fin de l'hiver, les conditions climatiques de la ville d'Epinal n'étant pas stables. Le premier essai s'est déroulé en mi mai, le climat était presque stable.

Figure 4a : Débits principaux durant les deux essais

Figure 4b : Débits secondaires durant les deux essais

Figure 4 : Les différents débits du séchoir

La figure 4b présente les débits secondaires des deux essais, volume temporel d'air utilisé pour refroidir l'air en circulation dans la boucle de séchage. On constate des valeurs importantes au 2ème essai, les raisons sont données ci-dessus.

La figure 5 ci-dessous présente les évolutions des températures et de l'humidité de l'air du séchoir durant le 1er essai. Nous constatons que la température de l'air à l'entrée de l'enceinte du séchoir est supérieure à celle à la sortie, car l'air a communiqué de l'énergie aux éléments du séchoir (bois, parois entre autres). La température à la sortie du condenseur est plus faible, car l'air a été refroidi. La température humide est proche de 45°C, valeur non faible qui impose un séchage rapide. Notons que cette température est plus importante que la température à la sortie du condenseur. Les températures des cordons chauffants sont les plus importantes, car ces cordons servent à élever les températures du fluide. La température du cordon chauffant de la cellule est plus faible que celle du condenseur. L'Humidité relative de l'air est proche de 60%.

Figure 5 : Evolutions des températures et de l'HR de l'air durant le 1er essai, Sapelli, Lotofa et Fraké

Le tableau III ci-dessous donne les types de débit, les dimensions des planches et les différentes masses et teneurs en eau aux instants initial et final. Le fraké, le lotofa et le sapelli sont utilisés lors du 1er essai alors que l'ayous 1, l'ayous 2 et le fraké 2 sont utilisés lors du 2ème essai.

Tableau III : Caractéristiques des planches utilisées lors des essais sur le séchoir semi industriel

Essences

Débit

Lxlxep(dm)

Mi(g)

Mf(g)

mf(g)

m0(g)

Xf(%)

M0(g)

Xi(%)

Fraké 1

mixte

4,3x1,2x0,25

1098

549,8

14,1

13,096

7,67

510,651

115,02

Sapelli

Quartier

4,3x1,2x0,24

1061,5

737

14,8

13,795

7,285

687

54,52

Lotofa

Mixte+aubier

4,3x1,2x0,25

918,9

793,5

18,9

17,634

7,18

740,348

24

Ayous 1

quartier

4,5x1,2x0,25

801,1

664,5

23,25

22,002

5,67

628,85

27,4

Ayous 2

mixte

4,5x1,2x0,25

720,4

573,8

19,683

18,619

5,71

542,806

32,72

Fraké 2

Mixte+petites fentes et moisissures

4,5x1,185x0,25

950,4

531,8

17,203

16,288

5,78

502,741

89,044

M: Masse initiale (dès le début du séchage) de la planche

M: Masse finale de la planche à la fin de l'opération de séchage

m: Masse du petit échantillon extrait de la planche en fin de séchage afin de déterminer la teneur en eau finale de la planche et remonter pour estimer la teneur en eau initiale.

m: Masse anhydre du petit échantillon

x: Teneur en eau de la planche (égale à celle du petit échantillon) en fin de séchage

M: Masse anhydre de la planche

X: Teneur en eau initiale (dès le début du séchage) de la planche

Figure 6 : Evolutions des températures à coeur et à surface durant le 1er essai, Sapelli, Lotofa et Fraké

La figure 6 ci-dessus montre les évolutions des températures de surface et de coeur des bois lors du 1er essai. Nous constatons une montée progressive des températures dès le début du séchage. Ensuite une évolution presque sinusoïdale est observée avec une période de 24h avec un maximum à la 12ème heure. Ce constat est observé jusqu'à la 150ème heure. Ceci est sans doute dû aux variations de l'ambiance extérieure du séchoir. Nous constatons ensuite que les températures de surface et de coeur sont très proches, car les épaisseurs des planches ne sont pas importantes. En général, la température de surface est plus importante que celle à coeur en début de séchage, une égalité est obtenue à la fin de la 2ème journée de séchage. C'est donc à cette date que le gradient de température dans le bois devient faible. Nous constatons aussi que les températures à coeur et à surface des bois de sapelli et de lotofa sont presque confondues.

Figure 7 : Evolutions des masses des échantillons, 1er essai

La figure 7 présente les évolutions des masses de nos échantillons durant le 1er essai. Il est clair que les masses diminuent durant le séchage, mais le capteur qui supporte le Fraké est plus sensible aux variations de la température. Le bois de Fraké, plus humide, sèche rapidement car sa masse devient rapidement constante. En début de séchage, la figure 6 montre une forte augmentation de la température induisant ainsi des estimations erronées de la masse. Cette variation de température est aussi effective durant le reste du séchage, mais les variations sont un peu plus faibles, figure 6. Durant le test de calibration des masses, nous avons constaté que les variations de températures n'avaient pas un effet significatif sur les taux de variation de masse entre deux instants consécutifs de mesure. Ainsi, à partir de la masse finale des planches mesurées par une balance fiable, nous avons retrouvé de proche en proche les masses des échantillons à chaque instant. Apres pesée de la dernière masse et après utilisation de la formule de calibration, l'avant dernière masse est obtenue en augmentant à la dernière masse obtenue par pesée, la différence entre l'avant dernière masse et la dernière obtenue par le capteur, qui représente la masse d'eau évaporée entre les deux mesures. La répétition de ce calcul permet de remonter jusqu'à la masse à l'instant t=1,5h. De l'instant initial à 1,5h, nous avons annulé les évolutions données par les enregistrements à cause de la forte variation de la température des capteurs qui a fourni des évolutions de masse non physiques.

La figure 8a ci-dessous présente les évolutions des humidités de nos bois utilisés durant le 1er essai. Nous constatons que tout le lotofa est dans le domaine hygroscopique, le fraké est très humide et le sapelli atteint le domaine hygroscopique après presque deux jours de séchage, tout comme le bois de fraké. En plus, à l'équilibre, le fraké est plus humide que le lotofa, le lotofa étant plus humide que le sapelli. La figure 8b ci-dessous présente les évolutions des teneurs en eau à coeur obtenues à partir des sondes de masse durant le 1er essai. Nous constatons qu'initialement, les bois de Fraké et de sapelli ont plus d'eau dans le coeur, ce qui est conforme à la littérature. Ce constat n'est pas observé dans le cas du bois de lotofa. Ceci peut juste être une conséquence de l'évolution de la température en début du séchage qui affecte le capteur concerné. C'est avec satisfaction que nous constatons que la teneur en eau moyenne est toujours inferieure à la teneur en eau à coeur (figure 8), et les positions des courbes en fin de séchage conservées.

On observe entre les 25 et 50h de séchage, un bruit expérimental sur les courbes de fraké et de Sapelli que nous n'arrivons pas à expliquer. Mais, il est dit dans la littérature que les méthodes électriques de mesure de l'humidité du bois ne sont fiables que dans le domaine hygroscopique [5].

La figure 9 ci-dessous montre qu'au 2ème essai, les caractéristiques du séchoir sont presque les mêmes que celles observées durant le 1er essai, sauf la température humide qui rejoint la température sèche montrant que l'eau déminéralisée qui imbibait le thermomètre humide a séché après 100h de séchage. Apres cet instant, il devient alors difficile d'estimer les autres caractéristiques de l'air humide.

Figure 8a : Evolutions des teneurs en eau moyennes de nos bois durant le 1er essai.

Figure 8b : Evolutions des teneurs en eau à coeur de nos bois durant le 1er essai

Figure 8 : Evolutions des teneurs en eau de nos bois durant le 1er essai.

Figure 9 : Evolutions des températures et de l'HR de l'air durant le 2eme essai, Ayous 1, Ayous 2 et Fraké 2.

Figure 10 : Evolutions des températures à coeur et à surface durant le 2ème essai, Ayous

La figure 10 montre l'évolution des températures de coeur et de surface du bois d'ayous durant le 2ème essai. Nous constatons qu'en début de séchage, une distinction nette est observée. Dans la suite, tout devient confondu montrant que le gradient de température devient faible.

Figure 11 : Evolutions des masses des échantillons, 2ème essai

La figure 11 présente les évolutions des masses des échantillons utilisés durant le second essai. Nous constatons que le bois de fraké est toujours le plus humide et que les capteurs sont toujours sensibles à la fluctuation de la température. En plus, les masses deviennent rapidement constantes, montrant la facilité de séchage des bois d'ayous et de fraké.

La figure 12 montre les évolutions des teneurs en eau des bois d'ayous et de fraké durant le 2ème essai. Nous constatons que les teneurs en eau des bois d'ayous se rejoignent rapidement, malgré les teneurs en eau initiales différentes. Ceci montre qu'il est aisé de suivre le séchage d'une pile de bois d'ayous. La période de montée de température pourra alors être suffisante pour rapprocher suffisamment les teneurs en eau des différents éléments de la pile de bois. En plus, nous constatons que les teneurs en eau des bois d'ayous et de fraké sont très proches à la fin de séchage montrant qu'il est possible de sécher ensemble les deux espèces de bois.

Figure 12 : Evolutions des teneurs en eau de nos bois durant le 2ème essai.

Figure 13 : Evolutions des teneurs en eau à coeur de nos bois durant le 2ème essai

La figure 13 montre les évolutions des teneurs en eau à coeur des bois d'ayous durant le second essai. C'est avec satisfaction que nous constatons une évolution similaire pourtant les échantillons de planches d'ayous ne sont pas issus d'une même planche. Ce qui montre la facilité de sécher les piles de bois d'ayous de provenance diverse. En plus les teneurs en eau à coeur sont proches de celles moyennes, montrant une répartition presque uniforme de la teneur en eau dans l'épaisseur du bois.

Tableau IV : estimation des gradients d'humidité en fin de séchage

essences

positions

mf(g)

mo(g)

xf(%)

Sapelli

Proche surface

4,2

4,079

2,97

coeur

4

3,822

4,66

Proche surface

4

3,846

4,004

Lotofa

Proche surface

3,9

3, 805

2,5

coeur

5,8

5,481

5,82

Proche surface

3,9

3, 738

4,33

Fraké 1

Proche surface

2,8

2,674

4,712

coeur

2,9

2,771

4,66

Proche surface

4,6

4,413

4,24

Fraké 2

Proche surface

3,123

2,971

5,12

coeur

3,176

3,017

5,27

Proche surface

1,830

1,744

4,93

Ayous 1

Proche surface

3,683

3,493

5,44

coeur

2,147

2,037

5,4

Proche surface

3,737

3,548

5,33

Ayous 2

Proche surface

3,133

2,977

5,24

coeur

1,842

1,748

5,38

Proche surface

3,006

2,860

5,105

Le tableau IV ci-dessus présente une estimation des gradients de séchage dans l'épaisseur du bois. A la fin de séchage, nous avons découpé des échantillons d'environ 1cm dans le sens de l'épaisseur et nous avons estimé leurs teneurs en eau. Il vient que la surface est en général moins humide que le coeur. Mais les teneurs en eau proche de surface ne sont pas les mêmes sur une même planche. Ceci peut s'expliquer par le fait que l'effet de la pesanteur n'est pas négligeable, en plus, la répartition de l'humidité de l'air dans l'enceinte du séchage n'est pas uniforme. Lors de l'extraction des échantillons, les échantillons n'ont pas toujours la même épaisseur. Mais néanmoins, on observe une répartition d'humidité relativement bonne dans les épaisseurs des bois d'ayous et de fraké. Par contre, on observe une face tres sèche sur les planches de bois de lotofa et de sapelli. Malheureusement, cette face n'a pas été identifiée. Il est possible que ce soit la face inferieure qui n'est pas exposée à la réception des eaux de condensation venues des parois de l'enceinte de séchage. Ainsi, toutes les teneurs en eau de surface très faibles seraient celles des surfaces identifiées ci-dessus.

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"Soit réservé sans ostentation pour éviter de t'attirer l'incompréhension haineuse des ignorants"   Pythagore