caracterisation des isolants thermiques locaux de type sciure de

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CARACTERISATION DES ISOLANTS THERMIQUES LOCAUX DE TYPE SCIURE DE BOIS ET
KAPOK : MESURE DE COEFFICIENT GLOBAL D’ECHANGE THERMIQUE ET DE LA
CONDUCTIVITE THERMIQUE
A. WEREME1, S.TAMBA2, M.SARR3, A. DIENE2, I. DIAGNE4, F. NIANG5, G. SISSOKO4
1
Département Energie, Institut de Recherche en Sciences Appliquées et Technologies (IRSAT), Centre National pour la
Recherche Scientifique et Technologique (CNRST), Burkina Faso
2
Ecole Polytechnique de Thiès e-mail : [email protected]
3
UFR/SET, Université de Thiès, Thiès, Sénégal
4
Laboratoire des Semi-conducteurs et d’Energie Solaire de la Faculté des Sciences et Techniques de l’Université Cheikh
Anta Diop, Dakar, Sénégal; e-mail: [email protected]
5
IUT/UT, Université de Thiès, Thiès, Sénégal e-mail : [email protected]
Abstract:
Résumé:
Materials characterization of sawdust and kapok is realized an
experimental basis from production of containers or
refrigerators. The overall coefficient of heat exchange material
subjected to internal and external stresses climate and the
thermal conductivity of the materials are evaluated. The
comparison of behavior in relation to artificial insulation,
polystyrene or polyurethane, having a good thermal insulation,
has allowed us to classify the kapok as a natural insulator
biodegradable satisfactory quality with some improvements
over fire protection. The sawdust is thus proposed for the
isolation of static system.
La caractérisation des matériaux de type sciure de bois et kapok
est faite réalisée de manière expérimentalement à partir de la
réalisation de bacs ou de réfrigérateurs. Le coefficient global
d’échange thermique du matériau soumis aux sollicitations
climatiques intérieure et extérieure ainsi que la conductivité
thermique des matériaux sont évalués. La comparaison de
comportement par rapport à des isolants artificiels, tels que le
polystyrène ou le polyuréthane, présentant une bonne qualité
d’isolation thermique, a permis de classer le kapok comme un
isolant naturel biodégradable de qualité satisfaisante avec
quelques améliorations par rapport à la protection incendie. La
sciure de bois est également ainsi proposée pour l’isolation
thermique de systèmes statiques.
Keywords: kapok - sawdust - overall coefficient of heat Mots clés: kapok – sciure de bois – coefficient global d’échange
exchange
thermique - conductivité thermique
I. INTRODUCTION
L’isolation thermique [1] joue un rôle important dans les applications thermiques et la production de froid. Les
isolants synthétiques (polyuréthane, polystyrène, laine de verre ou de roche) ont le privilège d’être très
efficaces, mais leur utilisation grève le prix des systèmes réalisés jusqu’à présent surtout dans nos pays.
La présente étude a pour objectif d’inventorier et de caractériser les matériaux disponibles d’origine végétale
en vue d’une éventuelle substitution dans les systèmes et réalisations qui font appel à l’isolation thermique.
L’étude répond à deux objectifs liés à des besoins exprimés sur le terrain : d’une part la maîtrise et l’économie
d’énergie dans le bâtiment, les chauffe-eau, les chambres froides, et d’autre part la conservation des denrées
périssables (aliments, médicaments, vaccins,…).
Ainsi, il est attendu à travers cette étude une meilleure connaissance des matériaux isolants locaux [1]
d’origine végétale ; une mise en œuvre de glacières, de bacs isothermes, de chambres froides, de bidons
isothermes à des prix accessibles ; la réduction de la facture pétrolière par des économies d’énergie dans le
tertiaire ; la mise en œuvre du protocole de Montréal.
Les matériaux suivants d’origine végétale ont été mis en évidence pour le moment : la sciure de bois [2], les
coques d’arachides, les résidus de céréales (riz, mil, sorgho…), la fibre de noix de coco, la laine de kapok, etc…
Mais l’économie des travaux que nous présentons ici concerne la sciure de bois et la laine de kapok.
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II. CARACTERISATION DES MATERIAUX
II.1 Essai de confection de briquettes avec de la sciure de bois
Des briquettes de (200x105x7) mm3 sont réalisées par mélange de sciure de bois avec un liant dans des
proportions allant de 20 à 100%.
L’étude a donc consisté à la recherche du meilleur liant disponible sur le marché d’une part et d’autre part les
proportions de celui-ci. Les liants utilisés sont : le plâtre [1], la colle à bois, le ciment ordinaire et le ciment
blanc.
Les caractéristiques des types de briquettes sont données dans le tableau I:
Tableau I : Caractéristiques des briquettes selon le type de liant
Type de liant
Plâtre
Ciment ordinaire
Colle bois
Ciment blanc
Dosage
25%
50%
25%
50%
10%
20%
25%
50%
Poids de briquette (g)
409,7
641,2
336,7
656,7
210,1
320,8
304,8
550
Masse volumique  (kg/m )
278,7
436,2
229
446,7
143
218
207
374,7
3
Le matériau obtenu avec ces proportions est assez léger mais friable quel que soit le type de liant utilisé. Pour
éviter cet effritement, le dosage a été poussé jusqu’à 75%. Dans ce cas, la briquette est très lourde, ce qui
pénalise sont utilisation comme isolant sur les appareils dynamiques mais conviendrait aux systèmes
statiques.
La figure 1ci-dessous représente une coupe de la paroi d’un bac isolant thermique.
Figure 1 : Coupe de la paroi d’un bac isolé avec des briques de sciure de bois
a) Résultats des tests sur le bac en fer et caractérisation
Le bac métallique est en réalité constitué de deux bacs présentant un espace annulaire entre eux permettant
l’installation de l’isolant à étudier. Le bac intérieur contient le corps liquide (eau chaude) ou solide (glace) dont
on veut noter l’évolution de la température.
Des senseurs de température (voir figure 2) sont installés dans le système afin de noter l’évolution de la
température des points suivants :
Surface extérieure du bac (Tse),
- Surface de contact isolant / tôle du bac extérieur (Ts # Tse),
- Surface du bac intérieur contenant l’eau (Ti),
- Surface interne de l’isolant (Tsi),
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- Point haut du bac d’eau (Teh),
- Point bas du bac d’eau (Teb).
Lorsque l’air est rigoureusement calme, le coefficient d’échange superficiel a pour expression
h = hc + hr
(1)
hc et hr traduisant respectivement l’influence de la convection et du rayonnement. Ces coefficients peuvent
être évalués par les formules :
hc = p (Tse – Ta)0,25
(2)
hr =  (Tse2 +Ta2) (Tse +Ta)
(3)
avec
p = 2,49 pour les surfaces horizontales dont le flux est dirigé vers le haut
p = 1,31 pour les surfaces horizontales dont le flux est dirigé vers le bas.
P = 1,84 pour les surfaces verticales.
Dans le cas d’un mouvement d’air, le coefficient de convection est donné par la relation :
hc = 5,22 + 3,94V
(4)
si V < 5m/s.
-
b) caractéristiques du système
Volume du bac intérieur, V= 73,5 litres
Température ambiante de départ (16h) = 33,5°C
Température initiale de l’eau = 72,5°C
Température ambiante à la fin de la mesure (7h) = 32°C
Température finale de l’eau du bac = 61,25°C
c) Evaluation du coefficient global d’échange thermique
Nous pouvons écrire que la chaleur cédée par l’eau contenue dans le bac est égale aux pertes calorifiques au
travers de la paroi composée de : eau – tôle – air – isolant – tôle – air ambiant.
Q = M C (2 - 1) = Kmoy.S.(Tsi –Tse)
Kmoy = M C (2 - 1) / (S.(Tsi –Tse))
(5)
(6)
Le coefficient d’échange global [1,3] moyen vaut:
Kmoy = 0,595W/m2.K = 0,512 kcal/h/m2.K
(7)
L’évaluation des tests qui ont suivi (4séries) nous a permis de déterminer une valeur moyenne de ce
coefficient qui est égal à 0,692 W/m2.K = 0,595kcal/h/m2.K
(8)
d) Calcul de la conductivité thermique moyenne 
1/Kmoy = 1/he + 1/hi + e1/ 1 + 2e2/2
e1 et  1 épaisseur et conductivité de l’isolant
e2 et  2 épaisseur et conductivité de la tôle
he et hi coefficients d’échange thermique de l’air extérieur et intérieur.
(9)
e1/ 1 =(1/0,692)-(1/9,56)-(1/11,72)-(2x0,5.10-3/45,5) = 1.255
D’où les caractéristiques moyennes des briquettes:
 1 = 0,08 W/m.K
1 = 180kg/m3
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(10)
(11)
(12)
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II.2 Essai de confection de bacs avec la laine de kapok
a) Description des systèmes
La laine de kapok est obtenue à partir du fruit d’un arbre très répandu en Afrique Subsaharienne. Cet arbre est
connu sous le nom de fromager ou Ceiba Pentandra.
Le bac réalisé pour les tests est constitué de deux bacs avec un espace annulaire entre eux permettant
l’installation de la laine de kapok (figure 2) :
Les dimensions de ces deux éléments sont les suivantes :
- Bac extérieur :
Longueur :
Largeur :
1,33m
0,93m
Hauteur :
0,78m
Matériau :
contreplaqué de 6mm
- Bac intérieur :
Longueur :
Largeur :
0,91m
0,51m
Hauteur :
0,45m
Matériau :
tôle noire de 1mm
Chaque paroi du bac est composée de l’extérieur vers l’intérieur de :
- Contreplaqué : Epaisseur ec = 6mm ; conductivité thermique  c= 0,17 W/m.K
- Laine de kapok : Epaisseur el = 20cm ; conductivité thermique  1
- Tôle noire : Epaisseur et = 1mm ; conductivité thermique  t= 52 W/m.K
Le système est testé par chauffage intérieur. Le bac intérieur contient 40 kg d’eau chaude dont l’évolution de
la température permettra de caractériser l’isolant. Des sondes de température permettent de mesurer les
températures suivantes :
- Température extérieure, Tex ,
- Température de l’eau, Teau,
- Température de la surface extérieure du bac, Tse,
- Température de la surface de contact isolant/contreplaqué, Tsec ,
- Température de la surface de contact isolant /tôle, Tsei.
Un montage similaire est fait sur un réfrigérateur dont les dimensions sont les suivantes :
- Surface d’échange : 2,24 m2
- Volume : 170 litres
- Isolation : 5,5 cm de polyuréthanne
Puis le système est testé par refroidissement intérieur. Le bac isolé avec de la laine de kapok et la coque du
réfrigérateur isolé avec du polyuréthanne contiennent chacun trois barres de glace de 20 kg chacune. Des
sondes de température permettent de suivre la fusion de la glace dans les deux enceintes. Ce test permet
surtout de comparer le temps de conservation de la glace du bac et de la coque du réfrigérateur.
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Figure 2 : Schéma du bac utilisé
b) Caractérisation des isolants thermique
La caractérisation du bac isotherme et de l’isolant *6+ est obtenue à partir des relations ci-dessous :
M.Cp. (Tie – Tfe) = K.S.(Tie – Tex)
(13)
K = MCp (Tie = Tfe) / (3600.S. t. (Tpin-Tpex))
(14)
avec,
M, masse d’eau, en kg
Cp, chaleur massique de l’eau, en J/kg°C
Tie, température finale de l’eau à t, en°C
Tpin, température de contact avant l’isolation, en °C
Tpex, température de contact après l’isolation, en°C
S, surface d’échange, en m2
t, durée du test, en heures
K, coefficient global d’échange thermique, en W/m2°K
D’autre part, nous pouvons écrire que le coefficient global d’échange est fonction des résistances thermiques
traversées par le flux de chaleur :
K = 1/ (Re+Ri+el/ + et/ t+ec/ c)
(15)
avec
Re = 1/he : résistance superficielle [5] de la paroi extérieure en m2.K /W
Ri = 1/hi : résistance superficielle de la paroi intérieure en m2.°K/W
el = épaisseur de l’isolant en m
ec = épaisseur du contreplaqué en m
et = épaisseur de la tôle en m
 : conductivité thermique de l’isolant en W/m°K
c : conductivité thermique du contreplaqué en W/m.K
t : conductivité thermique de la tôle en W/m.K
(16)
(17)
K et  ont été déterminés en utilisant les formules (2) et (3) avec les premières hypothèses suivantes :
o Les phénomènes de convection sont négligeables (Re+Ri = 0)
o Les résistances du contreplaqué et de la tôle sont nulles
Ainsi
K = /el
d’où = K*el avec el = 0,2m
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La surface moyenne d’échange est donnée par la relation :
Sm = (Si + Se)/2,
(20)
Si, étant la surface intérieure du bac et Se, sa surface extérieure.
L’application numérique donne :
- Pour le bac
Kmoyen = 0,1934 W/m2.°K
(22)
Conductivité moyenne du kapok = 0,0387 W/m.°K
(23)
- Pour le réfrigérateur
Kmoyen = 0,4546 W/m2.°K
(24)
Conductivité moyenne du polyuréthane = 0,0250 W/m°K (25)
En fait, cette méthode minimise les résultats réels de l’ordre de 12% d’où la correction qui sera apportée en
multipliant par le facteur 1.12. Ce qui donne :
- Pour le bac
Kmoyen = 0,217 W/m2.°K = 0,186 Kcal/h.m2.°K
(26)
Conductivité moyenne du Kapock = 0,043 W/m.°K = 0,037 Kcal/h.m.°K
(27)
- Pour le réfrigérateur
Kmoyen = 0,509 W/m2.°K = 0,44 Kcal/h.m2.°K
(28)
Conductivité moyenne du polyuréthane = 0,028 W/.°K = 0,024 Kcal/h.m2.°K (29)
Si l’on ne tient pas compte des hypothèses ci-dessus citées, le coefficient de conductivité est donné par la
relation :
 = K* el / (l – K (Ri + Re + ec/ c + et/ t))
(30)
= 0,043 W/m.°K = 0,037 Kcal/h.m°K
(31)
avec Ri + Re = 0,17 d’après le « Guide de l’A.I.C.V.F »
Les caractéristiques de la laine de KAPOCK sont :
Conductivité thermique: 0,043 W/m.K
Masse volumique : 35 Kg/m3
(32)
(33)
(34)
III. ANALYSE DES RESULTATS
Le tableau II ci-après présente les caractéristiques de ces deux matériaux et celles de quelques isolants
classiques :
Tableau II : Caractéristiques des isolants thermiques
Matériaux
Mélange sciure ciment
Laine de kapok
Laine de verre
Liège en panneaux
Polystyrène (mousse)
Polyuréthane (mousse)
Conductivité thermique  (W/m.K)
0,08
0,043
0,036
0,048
0,031
0,028
3
Masse volumique (kg/m )
183
35
100
170
25
35
Ces résultats indiquent que le mélange sciure ciment a un coefficient de conductibilité médiocre ; par contre la
laine de kapok présente une résistance thermique assez bonne et pourrait même concurrencer certains
isolants classiques tels que la laine de verre, le liège et le polystyrène.
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Le tableau III ci-dessous donne les équivalences entre ces deux matériaux et les isolants classiques.
Tableau III : Equivalence de conductivité thermique pour une épaisseur en cm de briques de sciure ou de laine de kapok
nécessaire pour un centimètre d’isolants classiques.
Matériau
Polyuréthanne
Polystyrène
Laine de verre
Liège
Conductivité (W/m.K)
0,028
0,031
0,036
0,048
Brique de sciure (cm)
2,86
2,56
2,22
1,67
Laine de kapok (cm)
1,54
1,39
1,19
0,89
Concernant la faible résistance thermique des copeaux de bois, nous pensons que ce matériau peut être utilisé
dans la confection des bacs isothermes statiques pour les bars, les restaurants, les caves.
Par ailleurs, on peut améliorer son efficacité en apportant une couche de deux centimètres de polystyrène, ce
qui permettrait son utilisation dans les chambres froides.
S’agissant de la laine de kapok, elle confirme sa bonne tenue comme isolant. En effet le bac isolé avec la laine
de kapok permet de conserver la glace pendant 6 jours alors qu’il faut 7 jours pour la coque du réfrigérateur.
IV. CONCLUSION
Les qualités exigées à un isolant thermique qui doit être utilisé dans les chambres froides et les entrepôts
frigorifiques sont :
(1) conductivité thermique faible
(2) insensibilité à l’absorption d’eau et de vapeur d’eau
(3) résistance à la compression
(4) absence d’odeur
(5) résistance aux moisissures et à la vermine
(6) sécurité incendie
(7) facilité de mise en œuvre
Au stade de nos études nous avons observé ce qui suit :
Tableau IV : Caractéristiques qualitatives des isolants : kapok et copeaux de sciure.
conductivité thermique faible
insensibilité à l’absorption d’eau
et de vapeur d’eau
résistance à la compression
absence d’odeur
résistance aux moisissures et à la
vermine
sécurité incendie
facilité de mise en œuvre
laine de kapok
satisfaisant
oui s’il est conditionné sous plastic
étanche
presque même comportement que
la laine de verre
pas d’odeur
oui s’il est débarrassé de ses
graines
très inflammable à l’air libre
(catégorie M5 selon les normes
P92-501 à 507)
oui mais peut être amélioré
copeaux de sciure compressés
mauvais mais peut être amélioré
oui en utilisant un pare vapeur
meilleur comportement que la
laine de verre
pas d’odeur
oui s’il est mélangé au ciment en
faible proportion
même comportement que le liège
(catégorie M2 ou M5 selon les
normes P92-501 à 507)
oui
Ce ne sont là que des constats qui seront confirmés ou infirmés lors des prochains travaux. S’il s’agit de
l’isolation de petites enceintes telles que les gourdes, les glacières et les caisses isothermes, les problèmes cidessus mentionnés sont facilement maîtrisables.
Du reste il est rare de trouver un matériau qui réponde à tous ces critères mais les matériaux utilisés dans les
chambres froides et les entrepôts frigorifiques réunissent la plupart de ces exigences. Au nombre des quels on
peut citer le polystyrène et le polyuréthane. Bien sûr aujourd’hui ces isolants, parce qu’ils contribuent à la
dégradation de la couche d’ozone, font parties des substances proscrites par le protocole de Montréal.
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V. REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
[1] I. Diagne, M. Dieng, M. L Sow , A. Wereme, F. Niang – G. Sissoko,
« Estimation de la couche d’isolation thermique efficace d’un matériau Kapok-plâtre en régime dynamique
fréquentiel », 2010, CIFEM2010, Edition Université de Rennes 1, pp 394-399
[2] S. Tamba, L. M Voumbo, A. Wereme, S. Gaye, G. Sissoko.
« Durabilité des bétons légers à base de copeaux de bois », 2007, Journal des Sciences, Vol. 7, N° 4, pp 67 – 72
[3] L. M. Voumbo, B. Dieng, S. Tamba, S. Gaye, M. Adj, G. Sissoko «Automatisation de la mesure de la
conductivité et de la diffusivité par la méthode des boites », 2007, Journal des Sciences, Vol. 7, N° 4, pp 82 –
95
[4] Y. Jannot, A. Degiovanni, G. Payet,
«Thermal conductivity measurement of insulating materials with a three layers device», 2009, International
Journal of Heat and Mass Transfer 52, pp. 1105 –1111.
[5] J.C. Batsale, A. Degiovanni, « Mesure de résistance thermique de plaques minces à l’aide d’une mini-plaque
chaude », 1994, Rev. Gen. Therm. pp 387–391.
[6] C. T. Sarr, I. Diagne, M. L. Sow, A. Wereme, S. Gaye, G. Ssissoko
« caractérisation des isolants thermiques cylindriques par une méthode analogique : application au kapok »
2009, Journal des Sciences, Vol. 9, N° 3, pp 32 – 46
A. Wereme et al / J. Sci.Vol. 10, N° 4(2010) 39 – 46
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