Propriétés des matériaux isolants
L’isolation thermique est basée sur l’utilisation de substances à très basse conductivité thermique et faible émissivité de surface. Il est important de noter que les facteurs influant sur les performances peuvent varier dans le temps en fonction de l’âge des matériaux ou des conditions environnementales. Les propriétés clés des matériaux isolants sont:
- Conductivité thermique . La conductivité thermique, mesurée en W / mK, décrit dans quelle mesure un matériau conduit la chaleur. Notez que la loi de Fouriers’applique à toutes les matières, quel que soit leur état (solide, liquide ou gazeux); il est donc également défini pour les liquides et les gaz. C’est la quantité de chaleur (en watts) transférée à travers une surface carrée de matériau d’épaisseur donnée (en mètres) due à une différence de température. Plus la conductivité thermique du matériau est faible, plus le matériau est résistant aux transferts de chaleur et donc plus l’efficacité de l’isolation est grande. En général, les gaz ont une faible conductivité thermique (l’air, par exemple, a une valeur de 0,025 W / mK), tandis que les métaux ont une valeur élevée (par exemple, le cuivre, de 400 W / mK). Les isolants couramment utilisés ont généralement une conductivité thermique comprise entre 0,019 W / mK et 0,046 W / mK.
- Valeur R – Résistance thermique . La valeur R (facteur d’isolation thermique) est une mesure de la résistance thermique. Plus la valeur R est élevée, plus l’efficacité de l’isolation est grande. L’isolation thermique a les unités [(m 2 .K) / W] en unités SI ou [(ft 2 · ° F · hr) / Btu] en unités impériales. C’est la résistance thermique de la surface unitaire d’un matériau. La valeur R dépend du type d’isolant, de son épaisseur et de sa densité. Une surface et une différence de température sont nécessaires pour résoudre le problème de la chaleur transférée. L’industrie de la construction utilise des unités telles que la valeur R (résistance), qui est exprimée en épaisseur du matériau normalisée à la conductivité thermique, et sous des conditions uniformes, il s’agit du rapport entre la différence de température à travers un isolant et la densité de flux de chaleur le traversant: R (x) = ∆T / q. Plus la valeur R est élevée, plus un matériau empêche le transfert de chaleur. Comme on peut le constater, la résistance dépend de l’épaisseur du produit.
- Valeur U – Transmittance thermique . La transmittance thermique décrit dans quelle mesure le matériau conduit la chaleur. La transmittance thermique est l’inverse de la valeur R (c’est-à-dire 1 / R) et plus la valeur U est faible, meilleure est l’isolation. La valeur U est définie par une expression analogue à la loi de Newton sur le refroidissement.
- Emissivité de surface . Comme il a été écrit, le transfert de chaleur à travers l’un de ces systèmes d’isolation peut inclure plusieurs modes: conduction à travers les matériaux solides, conduction ou convection à travers l’air dans les espaces vides et échange de rayonnement entre les surfaces de la matrice solide. Par conséquent, l’émissivité d’un matériau joue également un rôle très important. L’ émissivité, ε , de la surface d’un matériau est son efficacité à émettre de l’énergie sous forme de rayonnement thermiqueet varie entre 0.0 et 1.0. L’émissivité est simplement un facteur par lequel nous multiplions le transfert de chaleur du corps noir pour prendre en compte le fait que le corps noir est le cas idéal. La surface d’un corps noir émet un rayonnement thermique à un taux d’environ 448 watts par mètre carré à la température ambiante (25 ° C, 298,15 K). Les objets réels avec des émissivités inférieures à 1,0 (par exemple, une feuille d’aluminium) émettent des radiations à des vitesses correspondantes plus faibles (par exemple, 448 x 0,07 = 31,4 W / m 2 ).
- Résistance au feu . Les matériaux isolants thermiques doivent avoir une classification de résistance au feu. Cette classification est importante car elle peut avoir une influence sur l’application de matériaux isolants. Normalement, la classification de résistance au feu est suivie comme une limite de temps en minutes 15, 30, 45, 60, 90, 120, 180, 240 ou 360, indiquant le temps pendant lequel les critères de performance sont remplis lors d’un essai au feu normalisé.
Matériaux d’isolation
Comme il a été écrit, l’ isolation thermique est basée sur l’utilisation de substances à très basse conductivité thermique . Ces matériaux sont appelés matériaux isolants . Les matériaux d’isolation courants sont la laine, la fibre de verre, la laine de roche, le polystyrène, le polyuréthane et la plume d’oie, etc. Ces matériaux sont de très mauvais conducteur de la chaleur et sont donc de bons isolants thermiques.
Il faut ajouter que l’isolation thermique est principalement basée sur la très faible conductivité thermique des gaz. Les gaz possèdent des propriétés de conduction thermique médiocres comparées aux liquides et aux solides et constituent donc un bon matériau isolant s’ils peuvent être piégés (par exemple dans une structure semblable à une mousse ). L’air et les autres gaz sont généralement de bons isolants. Mais le principal avantage est l’ absence de convection . Par conséquent, de nombreux matériaux isolants (par exemple le polystyrène) fonctionnent simplement en ayant un grand nombre de poches remplies de gaz qui empêchent la convection à grande échelle . Dans tous les types d’isolation thermique, l’évacuation de l’air dans l’espace vide réduira encore la conductivité thermique globale de l’isolant.
L’alternance de la poche de gaz et du matériau solide fait que la chaleur doit être transférée à travers de nombreuses interfaces, ce qui entraîne une diminution rapide du coefficient de transfert de chaleur.
Il faut noter que les pertes de chaleur des objets plus chauds se produisent par trois mécanismes (individuellement ou en combinaison):
Jusqu’à présent, nous n’avons pas discuté du rayonnement thermique comme mode de perte de chaleur . Le transfert de chaleur par rayonnement est médié par le rayonnement électromagnétique et, par conséquent, il ne nécessite aucun milieu pour le transfert de chaleur. En effet, le transfert d’énergie par rayonnement est le plus rapide (à la vitesse de la lumière) et il ne subit aucune atténuation sous vide. Tout matériau dont la température est supérieure à zéro absolu dégage une certaine énergie rayonnante . La plupart de l’ énergie de ce type se trouve dans la région infrarouge du spectre électromagnétique bien qu’une partie se trouve dans la région visible. Afin de diminuer ce type de transfert de chaleur, des matériaux à faible émissivité (réflectivité élevée) doivent être utilisés. Les isolations réfléchissantes sont généralement composées de feuilles parallèles multicouches de haute réflectivité, qui sont espacées pour renvoyer le rayonnement thermique vers sa source. L’ émissivité , ε , de la surface d’un matériau est son efficacité à émettre de l’énergie sous forme de rayonnement thermique et varie entre 0,0 et 1,0. En général, les métaux polis ont une émissivité très faible et sont donc largement utilisés pour renvoyer l’énergie rayonnante vers sa source comme dans le cas des couvertures de premiers soins .
Épaisseur critique d’isolation
Dans un mur plan, la zone perpendiculaire à la direction du flux de chaleur ajoutant plus d’isolation à un mur diminue toujours le transfert de chaleur. Plus l’isolation est épaisse , plus le taux de transfert de chaleur est faible. Cela est dû au fait que la surface extérieure a toujours la même surface .
Mais en coordonnées cylindriques et sphériques, l’ajout d’isolant augmente également la surface extérieure , ce qui diminue la résistance de convection à la surface extérieure. De plus, dans certains cas, une diminution de la résistance à la convection due à l’augmentation de la surface peut être plus importante qu’une augmentation de la résistance à la conduction due à une isolation plus épaisse. En conséquence, la résistance totale peut en fait diminuer, entraînant une augmentation du flux de chaleur.
L’ épaisseur jusqu’à laquelle le flux de chaleur augmente et après laquelle le flux de chaleur diminue est appelée épaisseur critique . Dans le cas des cylindres et des sphères, il est appelé rayon critique . On peut en déduire que le rayon critique d’isolement dépend de la conductivité thermique de l’isolant k et du coefficient de transfert de chaleur par convection externe h.
Voir aussi: Rayon critique d’isolation
Exemple – Perte de chaleur à travers un mur
Les murs constituent une source majeure de perte de chaleur dans une maison. Calculez le taux de flux de chaleur à travers un mur de 3 mx 10 m (A = 30 m 2 ). Le mur a une épaisseur de 15 cm (L 1 ) et il est fait de briques avec une conductivité thermique de k 1 = 1,0 W / mK (mauvais isolant thermique). Supposons que les températures intérieure et extérieure sont de 22 ° C et -8 ° C et que les coefficients de transfert de chaleur par convection sur les côtés intérieur et extérieur sont h 1 = 10 W / m 2 K et h 2 = 30 W / m 2K, respectivement. A noter que ces coefficients de convection dépendent fortement notamment des conditions ambiantes et intérieures (vent, humidité, etc.).
- Calculez le flux de chaleur ( perte de chaleur ) à travers ce mur non isolé.
- Supposons maintenant une isolation thermique sur le côté extérieur de ce mur. Utilisez une isolation en polystyrène expansé de 10 cm d’épaisseur (L 2 ) avec une conductivité thermique de k 2 = 0,03 W / mK et calculez le flux de chaleur ( perte de chaleur ) à travers cette paroi composite.
Solution:
Comme cela a été écrit, de nombreux processus de transfert de chaleur impliquent des systèmes composites et impliquent même une combinaison de conduction et de convection . Avec ces systèmes composites, il est souvent commode de travailler avec un coefficient global de transfert de chaleur , connu comme un facteur U . Le facteur U est défini par une expression analogue à la loi de Newton du refroidissement :
Le coefficient global de transfert de chaleur est lié à la résistance thermique totale et dépend de la géométrie du problème.
- mur nu
En supposant un transfert de chaleur unidimensionnel à travers la paroi plane et sans tenir compte du rayonnement, le coefficient de transfert de chaleur global peut être calculé comme suit:
Le coefficient global de transfert de chaleur est alors:
U = 1 / (1/10 + 0,15 / 1 + 1/30) = 3,53 W / m 2 K
Le flux de chaleur peut alors être calculé simplement comme:
q = 3,53 [W / m 2 K] x 30 [K] = 105,9 W / m 2
La perte de chaleur totale à travers ce mur sera:
q perte = q. A = 105,9 [W / m 2 ] x 30 [m 2 ] = 3177 W
- mur composite avec isolation thermique
En supposant un transfert de chaleur unidimensionnel à travers la paroi composite plane, aucune résistance de contact thermique et sans tenir compte du rayonnement, le coefficient de transfert de chaleur global peut être calculé comme suit:
Le coefficient global de transfert de chaleur est alors:
U = 1 / (1/10 + 0,15 / 1 + 0,1 / 0,03 + 1/30) = 0,276 W / m 2 K
Le flux de chaleur peut alors être calculé simplement comme:
q = 0,276 [W / m 2 K] x 30 [K] = 8,28 W / m 2
La perte de chaleur totale à travers ce mur sera:
q perte = q. A = 8,28 [W / m 2 ] x 30 [m 2 ] = 248 W
Comme on peut le voir, un ajout d’isolant thermique entraîne une diminution importante des pertes de chaleur. Il faut l’ajouter, un ajout de la prochaine couche d’isolant thermique ne provoque pas de telles économies. Cela peut être mieux vu de la méthode de résistance thermique, qui peut être utilisée pour calculer le transfert de chaleur à travers les murs composites . Le taux de transfert thermique constant entre deux surfaces est égal à la différence de température divisée par la résistance thermique totale entre ces deux surfaces.
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