Comment limiter les pertes vers l'extérieur ?

Écrit par Léo, Léopold et Maxime le . Publié dans Comment améliorer les performances du cuiseur BISS ?

2) Comment limiter les pertes d’énergie vers l’extérieur ?

Ensuite naturellement, nous nous sommes demandés comment limiter les pertes d'énergie, une fois l'énergie lumineuse entrée dans le four.

 

a) Comment éviter les pertes de rayons solaires par réflexion vers l’extérieur ?

 

Comme nous venons de le voir, il est possible de faire entrer un grand nombre de rayons visibles et infrarouges proches dans le four, mais ceux-ci ne vont pas tous atteindre le plat à chauffer ou la plaque  noire en premier, mais vont peut être subir des réflexions sur les parois avant et voir même ressortir du four sans avoir été absorbés par l’un des deux. Nous avons donc pensé à utiliser une lentille de Fresnel pour concentrer la lumière entrante vers le récipient de cuisson.

Le principe de la lentille de Fresnel est assez simple car il repose sur celui d'une lentille convergente. En effet, lorsqu’elle est traversée par un faisceau de lumière parallèle, elle le fait converger en un point appelé foyer image F’.  La distance entre le foyer image et le centre de la lentille est appelée distance focale image f’. L’avantage par rapport à une lentille simple, est que l’épaisseur d’une lentille de Fresnel est nettement réduite en la découpant en un ensemble d'anneaux concentriques de section prismatique connus sous le nom de zones de Fresnel. Pour chacune de ces zones, l'épaisseur est réduite, ce qui fait que la surface globale de la lentille n'est plus lisse mais se compose de plusieurs surfaces de même courbure, séparées par des discontinuités.

 

Convergence de rayons incidents parallèlement  à l’axe optique au foyer image F’ d’une lentille habituelle ou de Fresnel 

 

Expérience et hypothèse n°17 : Ainsi, nous avons pensé qu’une lentille de Fresnel,  permettrait de concentrer les rayons vers le récipient de cuisson sans trop absorber d’énergie. Il nous suffirait de la placer sur la première vitre du four pour que celle-ci agisse. Évidement, il nous a fallu nous poser un certain nombre de question sur les propriétés de la lentille à choisir :

Certes nous souhaitons faire converger les rayons lumineux entrant vers le récipient, mais ils ne doivent pas être concentrés en un point, au risque de faire fondre le récipient, voir seulement bruler les aliments qu’il contient  à ce niveau. C’est pourquoi, une distance focale de 30 cm à disposition dans le commerce, nous a semblé un bon compromis que ce soit pour une cocotte-minute qui est a seulement 10 cm de la vitre ou un plat à gâteau qui lui sera dans le fond du four soit à 50 cm de la vitre.

Protocole : Nous avons exposé un four jusqu’à stabilisation de sa température. Puis nous avons ajouté une lentille de Fresnel concentrant les rayons sur la plaque noire, sur la vitre extérieure.

Résultats : Le four n’a pas gagné en température après ajout de la lentille de Fresnel. Au contraire, il aurait même perdu deux  à trois degrés.

Conclusion : La lentille de Fresnel ne permet pas d’augmenter la température intérieure du four, probablement parce qu’elle absorbe une proportion non négligeable de lumière.

Hypothèse et expérience 17 bis : Il est possible que si nous concentrons la lumière sur un récipient noir contenant de l’eau, la température de cette dernière s’élèvera plus vite. 

Protocole : Nous avons laissé monter en température deux fours dans les mêmes conditions (incidence normale sur la vitre + réflecteurs), puis nous avons introduit dans chaque 1,00 L d’eau. Sur la vitre du premier, nous avons ajouté une lentille de Fresnel concentrant la lumière sur le bocal peint en noir.

Résultats :

Cas n°1 : En 20,0 min, la température de l’eau est passée de 21,3° à 41,7° avec une température moyenne de 106±2° et une température extérieure de 21°C. Ainsi on peut accéder à la puissance reçue par l’eau :     

Cas n°2 : En 20,0 min, la température de l’eau est passée de 21,3 à 36,9° avec une température du four moyenne de 112±2° et une température extérieure de 21°C.

 

Conclusion : En concentrant plus les rayons sur le récipient, ce dernier absorbe plus la chaleur, ce qui parallèlement diminue la température intérieure du four, donc les pertes vers l’extérieure.

 

 

b) Comment optimiser l’effet du double vitrage ?

Nous avons pu remarquer qu’il s’effectuait de grandes pertes dues au manque d’étanchéité du double vitrage grâce  à nos clichés infrarouges. 

Expérience et hypothèse n°18 : Dès lors, nous nous sommes demandé si l’utilisation de joints au niveau des vitres ne serait pas un moyen de limiter ces pertes dues à la convection ?

Protocole : Pour vérifier cela nous avons donc renouveler l’expérience du 3)d) destinée  à évaluer la nouvelle résistance thermique du four.

Mesures/interprétation : On peut remarquer que le coefficient directeur, donc la résistance thermique, est passé de 0.45 à 0.47 K.W-1. Ainsi, la résistance est plus grande avec les joints qui ont induits des pertes plus faibles donc notre hypothèses est vérifiée. 

      

c) Comment limiter les pertes par conduction ?

Comme nous  pouvons le voir sur les photos prises par la caméra infrarouge, il y a des pertes importantes sur les cotés de notre four.  On a remarqué que l’aluminium des parois a été replié sur les coins. Il est donc proche de l’extérieur. L’inconvénient est que l’aluminium possède une grande conductivité thermique (237 W.m-1.K-1).

Expérience et hypothèse n°19 : nous pouvons supposer que cet aluminium en trop génère des pertes par conduction. En transformant nos parois pour obtenir seulement l’aluminium souhaité, nous espérons diminuer ces pertes.

Protocole : Nous avons donc renouvelé l’expérience précédente, pour déterminer la nouvelle résistance thermique du four ainsi transformé.

Mesures

Conclusion :

Suite au succès de l’étanchéiffication du double vitrage, nous nous attendions à une nette amélioration de la résistance thermique du four. Celle-ci ne varie quasiment pas en passant de 0,47 W.K-1 à 0,48 W.K-1, différence qui pourrait être simplement attribuée  aux incertitudes de nos appareils de mesures, voir à un positionnement légèrement différent des sondes de température.