Limitation des pertes par conduction

Écrit par Léo, Léopold et Maxime le . Publié dans Comment minimiser les pertes d'énergie ?

Après avoir résolu le problème du rayonnement, nous nous sommes penchés sur la deuxième contrainte : la conduction.

Définition : La conduction thermique (ou diffusion thermique) est un mode de transfert thermique provoqué par une différence de température entre deux régions d'un même milieu, ou entre deux milieux en contact, et se réalisant sans déplacement global de matière (à l'échelle macroscopique) par opposition à la convection. Elle peut s'interpréter comme la transmission de proche en proche de l'agitation thermique directement liée à la température du milieu : un atome (ou une molécule) cède une partie de son énergie cinétique à l'atome voisin. Ainsi plus un milieu est dense, plus la conduction va être favorisée.

Pour limiter les pertes par conduction dans le four, différentes techniques bien connues aujourd’hui ont été mises en place.   

a) Le double vitrage

La première est le double-vitrage. En effet le modèle de four développé par Bolivia-Inti est équipé d’un double vitrage, c'est-à-dire deux vitres d’épaisseur 4mm séparées par une couche d’air de 10 à 20 mm. Ce double-vitrage présente-il un réel intérêt ?

Expérience et hypothèse n°10 : Le double-vitrage limiterait les pertes par conduction qui se produiraient dans le cas d’une simple vitre en contact direct avec l’atmosphère.

Protocole : Nous avons placé deux fours côte à côte et dont les conditions (inclinaison, avec plaque noire…) étaient identiques, excepté la présence d’un simple vitrage sur l’un des deux fours à savoir le numéro 1. Par la suite, nous avons décidé de comparer la montée en température dans ces deux fours,  mais également la température des vitres extérieures de chacun d’eux, et leur redescente en température en retirant les réflecteurs. 

Mesures :

Evolution de la température au cours du temps à l’intérieur des fours avec (four 2) et sans double vitrage (four 1)

Observation  :

On n’observe pas une grande différence au départ. En effet, nous supposons que le double vitrage empêche le four de se réchauffer rapidement. Parti d’une température plus basse, on note cependant que le four avec double vitrage finit par rattraper l’autre et malheureusement, si nous avions attendu un peu, nous pensons que nous aurions pu constater une température plus élevée. Lorsque nous avons retiré les réflecteurs, nous remarquons que la chute de température du four ne possédant pas le double vitrage est plus rapide. De plus les écarts de températures lorsque celles-ci viennent à stagner est d’au minimum 9°, voire plus importants si on tient compte de l’écart qu’il y avait déjà dans les mêmes conditions entre four 1 et four 2 (écart de 5°C constaté lors de l’expérience 1). 

Conclusion : On peut donc conclure que le double vitrage a une importance dans le four mais semble pouvoir être optimisé.

Interprétation : L’utilisation du double vitrage est essentielle pour atteindre et conserver une bonne chaleur de cuisson. En effet, le double vitrage permet une bonne isolation thermique, il est constitué d’une lame d’air qui sépare les deux vitres. L’air est un très bon isolant, bien mieux que le verre lui-même. Cette technique va permettre d’éviter  que l’une des vitres soit directement en contact avec l’intérieur et l’extérieur du four : elle limite donc les échanges de chaleur entre la paroi extérieure et intérieure par conduction.

Certaines techniques consistent à ajouter des gaz moins conducteurs que l’air dans la lame ou bien de remplacer l’air par du vide.

Bien que ce dispositif optimise l’isolation, elle présente un désavantage. En effet nous avons vu précédemment que lorsqu’un rayon traverse la vitre, il y a un pourcentage de réflexion et d’absorption, dans le cas du doublage, on en a deux fois plus.

 

b) les tréteaux pour surélever

Expérience et hypothèse n°11: La plaque noire n’est pas en contact direct avec le fond du four mais surélevée par des tréteaux en bois pour limiter les pertes par conduction par le fond du four.

Protocole : Nous avons disposé deux fours dans les mêmes conditions, sans réflecteur, même orientation, avec plaque noire mais l’une déposée directement sur le fond du four pour le four n°1 et l’autre surélevé par des tréteaux. Nous avons relevé la température intérieure des fours après 30 minutes d’exposition,  et la température extérieure sous le four.

Mesures : Pour le four 1, la température intérieure atteinte est de 65°C, et la température extérieure sous le four est de 35°. Pour le four 2, la température intérieure est de 85°C, et la température extérieure sous le four est de 20°C. La température extérieure à distance des fours était de 16°C.

Conclusion : Il est donc important que la plaque noire ne soit pas en contact direct avec le fond du four, car sinon elle favorise les pertes par conduction et limite la température atteinte  à l’intérieur du four.

Interprétation : Comme nous l’avons vu précédemment, la plaque noire se réchauffe par absorption quasi-totale du rayonnement qu’elle reçoit quelle que soit sa longueur d’onde. Seulement,  il ne faut  pas que cette chaleur se perde par conduction avec le fond du four. Ainsi, pour régler ce problème, il n’y a rien de plus simple. En effet, il faut juste surélever cette plaque avec des tréteaux de bois. Le choix du bois se justifie par le fait qu’il est l’un des solides de grande rigidité le moins conducteur qui existe. Effectivement, lorsqu’on compare la conductivité thermique du bois de moyenne 0.7 W.m-1.K-1, elle est bien plus faible que celle d’un métal tel que l’acier qui vaut  46 W.m-1.K-1 par exemple.  D’autre part, on utilise des tréteaux pour limiter les contacts entre la plaque noire ou récipient et le fond  en aluminium. On peut donc en conclure que les tréteaux pour surélever la plaque noire ou le récipient sont indispensables et que  le bois est l’un des meilleurs solides pour ces tréteaux.

c) Les parois en laine de chanvre

Les parois du four sont constituées par une plaque d’aluminium de 0,5 mm d’épaisseur, 30 mm de laine de chanvre et 5 mm de contreplaqué. La laine de chanvre a-t-elle un réel intérêt ?

Expérience et  Hypothèse n°12 : La laine de chanvre est un très bon isolant thermique qui limite les pertes par conduction.

Protocole : Nous avons disposé un four dans lequel était présent une plaque chauffante. Après avoir fait chauffer celle-ci, et atteint une température limite à l’intérieur du four,  nous avons pris des photographies des différentes parois du four à l’aide d’une caméra thermique afin d’observer les endroits où la chaleur s’échappe.

Mesures :

Conclusion : Sur ces images, le rouge est utilisé pour représenter des zones de températures élevées, alors que le bleu est utilisé pour des zones plus froides.  On constate donc que les bords des parois consolidés par des morceaux de bois sous le contreplaqué sont jusqu’à 20° plus chaud que le centre des parois au niveau duquel, derrière le contreplaqué se trouve l’épaisseur de laine de chanvre. On note également, que les structures métalliques qui constituent le four, comme les charnières ou encore les vis sont des sources de déperdition thermique importantes.

En effet, la laine de chanvre est un très bon isolant thermique puisqu’elle possède une conductivité thermique de 0,045 W.m-1.K-1 alors que le pin du bois utilisé pour faire la structure du four possède une conductivité de 0,5 W.m-1.k-1. On en conclut donc que l’effet recherché avec la laine de chanvre est bien atteint.