Qu’est-ce que l’aérogel? Définition

Aérogel

L’aérogel est un matériau solide synthétique ultra-léger poreux dérivé d’un gel, dans lequel le composant liquide du gel a été remplacé par un gaz (au cours d’un processus de séchage supercritique). Les aérogels peuvent être fabriqués à partir d’une variété de composés chimiques, mais le matériau de base de l’aérogel est généralement le silicium. L’aérogel a une très faible conductivité thermique de 0,013 W / m∙K . Sa densité est également très faible, environ 150 kg / m ³ . Ce sont des propriétés isolantes thermiques remarquables. Il convient de noter que les aérogels peuvent avoir une conductivité thermique inférieure à celle du gaz (l’air contient environ 0,025 W / m ∙ K) qu’ils contiennent. Ceci est causé par l’ effet Knudsen, une réduction de la conductivité thermique dans les gaz lorsque la taille de la cavité englobant le gaz devient comparable au libre parcours moyen .

Conductivité thermique de l’aérogel

La conductivité thermique est définie comme la quantité de chaleur (en watts) transférée à travers une zone carrée de matériau d’épaisseur donnée (en mètres) en raison d’une différence de température . Plus la conductivité thermique du matériau est faible, plus la capacité du matériau à résister au transfert de chaleur est grande, et donc plus l’efficacité de l’isolation est grande. Les valeurs de conductivité thermique typiques pour les aérogels  sont autour  0.013W / m ∙ K .

En général, l’ isolation thermique repose principalement sur la très faible conductivité thermique des gaz . Les gaz possèdent de mauvaises propriétés de conduction thermique par rapport aux liquides et aux solides et constituent donc un bon matériau d’isolation s’ils peuvent être piégés (par exemple dans une structure semblable à de la mousse). L’air et les autres gaz sont généralement de bons isolants. Mais le principal avantage est en l’absence de convection. Par conséquent, de nombreux matériaux isolants (par exemple, l’aérogel) fonctionnent simplement en ayant un grand nombre de poches remplies de gaz qui empêchent la convection à grande échelle .

L’alternance de la poche de gaz et du matériau solide fait que la chaleur doit être transférée à travers de nombreuses interfaces provoquant une diminution rapide du coefficient de transfert de chaleur.

Exemple – aérogel

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.).

1. Calculez le flux de chaleur ( perte de chaleur ) à travers ce mur non isolé.
2. Supposons maintenant une isolation thermique sur le côté extérieur de ce mur. Utiliser une isolation en aérogel de  10 cm d’épaisseur (L ₂ ) avec une conductivité thermique de k ₂ = 0,03 W / mK et calculer 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.

1. 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

2. 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 / 0,013 + 1/30) = 0,125 W / m ² K

Le flux de chaleur peut alors être calculé simplement comme:

q = 0,125 [W / m ² K] x 30 [K] = 3,76 W / m ²

La perte de chaleur totale à travers ce mur sera:

q _perte = q. A = 3,76 [W / m ² ] x 30 [m ² ] = 113 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.