Chapitre 6 :
Présentation du matériel
expérimental et des résultats obtenus :
Cas des Coefficients de diffusion de la vapeur en
régime permanent
Le coefficient de diffusion massique encore appelé
diffusivité massique est une grandeur qui caractérise l'aptitude
du bois à laisser migrer l'eau liée ou la vapeur d'eau. C'est un
paramètre très intéressant pour mieux simuler le
séchage du bois, aussi pour mieux dimensionner les parois des
bâtiments à ossature bois tout intégrant les
critères de confort thermique et hydrique. Dans cette étude, nous
nous intéressons au régime permanent, c'est-à-dire
l'étude est faite dans des conditions thermiques et massiques de l'air
ambiant constantes.
6.1/Matériel expérimental et
méthode
Le matériel et protocole expérimental
utilisé dans la présente étude a déjà fait
l'objet de plusieurs thèses [12,15], mais les applications n'ont jamais
été faites sur les bois tropicaux du Cameroun. Cet
équipement permet de moins perturber les conditions thermohydriques de
l'enceinte expérimentale et est constitué d'un vaporimètre
`'PVC-CHA'', d'une balance électronique, d'un cryothermostat, d'un
thermohygromètre, d'un régulateur de tension, d'un système
d'acquisition et d'une résistance chauffante (Photos 14). Pour plus de
détails, le lecteur pourra se référer aux documents [].
Les mesures sont effectuées en régime permanent, l'enceinte
étant maintenue à des températures humide et sèche
(presque) constantes. Elles sont en moyennes de 25°C et 33,5°C
respectivement pour la température humide et pour la température
sèche. D'après le diagramme de Mollier, on obtient une
Humidité relative de l'air de 59% dans l'enceinte.
 
Photo 14a : Appareils de la manipulation
Photo 14b : Etuve avec les vaporimètres
Photos 14 : Equipement de mesure du coefficient de
diffusion en régime permanent
Dans les verres (vaporimètres), nous avons
placé de l'eau distillée saturée avec le NaCl (pour la
désorption, photo 15a) lors des premiers essais, ensuite le sel de
sillicagel (pour l'adsorption, photo 15b). Le verre est bouché avec les
échantillons de bois en forme de disque, mêmes échantillons
utilisés lors de l'étude de la perméabilité gazeuse
(Photo 16). Le verre et l'échantillon sont maintenus en contact
grâce au système PVC-CHA qui assure
l'étanchéité. La figure 44 décrit les
vaporimètres utilisés.
 
Photo 15a : Vaporimètres pour désorption.
Photo 15b : Vaporimètres pour adsorption
Photos 15 : Solutions salines utilisées lors de la
désorption et l'adsorption
Photo 16 : Echantillon inséré et
coincé dans le PVC-CHA
Figure 44 : Dessin annoté du vaporimètre
[12,15]
D'après la littérature [12], il règne
alors une HR de 75% dans le verre lorsque la solution saline utilisée
est le NaCl. L'ensemble est placé dans l'enceinte climatique et une
pesée régulière permet de mesurer les différentes
masses de l'ensemble constitué du verre, du NaCl, de
l'échantillon de bois et du PVC-CHA. L'humidité relative de l'air
dans le verre étant supérieure à celle de l'enceinte, nous
aurons une perte de masse de l'ensemble défini ci-dessus,
c'est-à-dire, l'eau va diffuser de l'intérieur du verre vers
l'enceinte climatique.
Lorsque la solution saline est le silicagel, l'HR dans les
verres est de 0%, celle de l'enceinte reste inchangée. La diffusion
massique ira alors de l'enceinte vers le verre (adsorption). Les variations de
masse donnent alors les gains (adsorption) ou les pertes (désorption)
d'humidité par diffusion à travers l'échantillon.
D'après la littérature [12,15], on a :
 
(29)
Avec : fexp la diffusivité
réduite qui traduit le rapport entre la diffusivité massique du
bois d'épaisseur E(m) sur la diffusivité de la vapeur d'eau dans
l'air Dv, A est la section du bois (m2), R est la
constante des gaz parfaits, Pvs est la pression de vapeur saturante
à la température T(K), Mv est la masse molaire de
l'eau (kg/mol), Q est le flux massique (kg/s) et HR1 et
HR2 sont respectivement l'humidité relative de l'air du
milieu moins humide et du milieu le plus humide en valeur décimale.
Entre le niveau supérieure de l'eau du verre et le
niveau inférieur de l'échantillon, une diffusivité fa
de l'air doit être considérée afin d'estimer la
diffusivité réelle du bois fr. Sylvain Zohoun [15]
dans sa thèse aboutit à la relation suivante :
 
(30)
Avec Ea(m) la distance entre le niveau
inférieur de l'échantillon de bois et le niveau supérieur
de l'eau ou du sel contenu dans le verre.
Pour retrouver le coefficient de diffusion du bois, on
procède de la manière suivante :
Le flux peut avoir deux écritures :
*en prenant comme force motrice le gradient de teneur en eau,
on a :
 
(31)
Avec   H la masse volumique du bois à l'humidité
d'équilibre de l'expérience, D le coefficient de diffusion du
bois et X la teneur en eau d'équilibre du bois.
*en prenant comme force motrice la vapeur dans l'air, on
a :
 
(32)
Ainsi, en égalant les deux expressions ci-dessus, on
a :
 
(33)
Si on suppose que la vapeur est un gaz parfait, on aboutit
à l'équation :
 
(34)
Or on sait que :
 
(35a)
Ce qui nous permet d'avoir l'approximation suivante :
 
(35b)
Dans les conditions de l'expérience, on a :
HR2=75%=0,75 ; HR1=59%=0,59 ;
Pvsat(33,5°C)=4973,2835Pa.
La teneur en eau d'équilibre du bois est fonction de
l'essence [5,6]. Les bois d'étude pouvant être classé en
deux groupes (faibles densités et densités moyennes), nous avons,
pour les bois d'ayous et de fraké, pris   égale à celle du bois d'ayous obtenue dans les travaux
[5,6] (soit la valeur de 0,046753071) et pour les bois de Sapelli et de Lotofa,
pris   égale à celle du bois d'ébène obtenue dans
les mêmes travaux ci-dessus cités (soit une valeur de 0,0294),
avec X2=Xeq(33,5°C, 75%) et
X1=Xeq(33,5°C, 59%).
Les masses volumiques de chaque bois sont obtenues en
utilisant les corrélations obtenues précédemment à
l'humidité d'équilibre de nos bois qui est prise égale
à 0,09 (d'après l'isotherme de désorption de l'ayous
à HR=59%). Les tableaux XXXVII et XXXVIII présentent les
différentes masses du système {PVC-CHA, échantillon,
verre, solution saline} obtenues lors des essais.
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