FR2924220A1

FR2924220A1 - Thermal conductivity measuring method for e.g. food, involves generating flow of fluid e.g. water, symmetrical around assembly formed by modules and sample, where modules are made of same material and symmetrical to one another

Info

Publication number: FR2924220A1
Application number: FR0708324A
Authority: FR
Inventors: Bertrand Heyd; Christophe Chipeaux; Denis Flick
Original assignee: CENTRE NATIONAL DU MACHINISME AGRICOLE DU GENIE RURAL DES EAUX ET DES FORETS CEMAGREF ETABLISSEMENTPUBLIC A CARACTERE SCIENTIFIQUE ET TECHNOLOGIQUE; Centre National du Machinisme Agricole du Genie Rural des Eaux et des Forets CEMAGREF
Current assignee: Institut National de Recherche en Sciences et Technologies Pour Lenvironnement et lAgriculture IRSTEA
Priority date: 2007-11-28
Filing date: 2007-11-28
Publication date: 2009-05-29
Anticipated expiration: 2027-11-28
Also published as: FR2924220B1

Abstract

The method involves arranging a sample (3) of a material between two modules (1, 2) and generating heat at level of the module (1). Temperatures of the modules and temperature ambiance are measured at thermal equilibrium. Thermal conductivity of a material is determined according to a provided heating power, measured temperature and dimensions of the sample. A flow of fluid e.g. water, is generated symmetrical around an assembly (4) formed by the modules and the sample, where the modules are made of same material and are symmetrical to one another. An independent claim is also included for a device for measuring thermal conductivity of a material.

Description

Domaine technique de l'invention La présente invention se rapporte à un dispositif et un procédé de mesure de propriétés thermophysiques des matériaux. En particulier, la présente invention concerne un dispositif et un procédé pour mesurer la conductivité thermique du matériau étudié, et plus particulièrement des aliments. Etat de la technique La mesure de référence pour la conductivité thermique est la plaque chaude gardée, décrite dans : Norme Internationale ISO 8302 :1991, suisse, 1991. Selon cette méthode, la mesure de conductivité thermique se fait à l'état stationnaire. Il existe aussi des méthodes de mesure en régime transitoire (méthode Laser Flash, méthode du fil chaud). L'état stationnaire est souvent préféré, car alors la conductivité thermique est inversement proportionnelle à une différence de température mesurée entre les deux surfaces de l'éprouvette, et ne dépend pas des autres propriétés thermophysiques du matériau : =ù(e/(Se•AT) (1) avec : : conductivité thermique de l'échantillon (W m ' • K '), (D : flux d'énergie passant par l'échantillon (W), AT : différence de température entre les deux surfaces (K), e : épaisseur de l'échantillon (m), Se : section de l'échantillon (m2). La méthode de la plaque chaude gardée nécessite une chambre de mesure isolée, sous vide ; les températures chaudes et froides doivent être régulées finement. Cette méthode est donc onéreuse et délicate à mettre en place. De plus, l'appareil est difficile à nettoyer s'il est souillé par des résidus de matériaux (par exemple pour les matériaux alimentaires). TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a device and a method for measuring the thermophysical properties of materials. In particular, the present invention relates to a device and a method for measuring the thermal conductivity of the material studied, and more particularly food. State of the art The reference measurement for thermal conductivity is the guarded hot plate, described in International Standard ISO 8302: 1991, Switzerland, 1991. According to this method, the thermal conductivity measurement is in the stationary state. There are also transient measurement methods (Laser Flash method, hot wire method). The stationary state is often preferred because then the thermal conductivity is inversely proportional to a temperature difference measured between the two surfaces of the specimen, and does not depend on the other thermophysical properties of the material: = ù (e / (Se AT) (1) with:: thermal conductivity of the sample (W m '• K'), (D: energy flow through the sample (W), AT: temperature difference between the two surfaces (K ), e: sample thickness (m), Se: sample section (m2) The guarded hot plate method requires an insulated measuring chamber, under vacuum, the hot and cold temperatures must be finely regulated This method is therefore expensive and difficult to put in place and the appliance is difficult to clean if it is soiled by material residues (for example for food materials).

Le document C. H. Lees and A. Schuster, On the thermal conductivities of single and mixed solids and liquids and their variation with temperature, Philosophical Transactions of the Royal Society, Series A, 191 :399ù440, 1898, décrit un dispositif de mesure de la conductivité thermique, appelé appareil de Lees. Il est proposé d'apporter une puissance de chauffage connue par l'intermédiaire d'une résistance électrique, et de mesurer la température des éléments conducteurs enserrant l'échantillon à tester. L'appareil, placé dans l'air, est ainsi refroidi par convection libre. Pour calculer la conductivité thermique du matériau, Lees suppose le coefficient de transfert convectif (h en W m2 K-1) uniforme sur toute la surface de l'appareil ce qui lui permet d'estimer le flux de chaleur (d)). L'appareil ayant des surfaces dans toutes les directions, cette hypothèse n'est pas vérifiée, ce qui induit une cause d'erreur importante. Le document EP 0 347 571 B1 décrit un dispositif de mesure de la conductivité thermique, dans lequel il est nécessaire de prévoir deux 10 puits de chaleur. Résumé de l'invention Un problème que la présente invention propose de résoudre est de fournir un procédé et un dispositif de mesure de propriétés thermophysiques des matériaux qui ne présentent pas au moins certains 15 des inconvénients précités. En particulier, la présente invention vise à fournir un procédé et un dispositif de mesure de la conductivité thermique qui offre une meilleure précision que l'appareil de Lees, et qui est plus facilement nettoyable, plus facile à réaliser et moins coûteux que la méthode de référence. 20 La solution proposée par l'invention est un procédé de mesure de la conductivité thermique d'un matériau, comprenant les étapes consistant à : - agencer un échantillon du matériau entre un premier module et un deuxième module, 25 - générer de la chaleur au niveau dudit premier module, - mesurer, à l'équilibre thermique, les températures dudit premier module, dudit deuxième module et de l'ambiance, - déterminer la conductivité thermique du matériau en fonction de la puissance chauffante fournie, des températures mesurées et des 30 dimensions dudit échantillon, caractérisé par le fait que ledit premier module et ledit deuxième module sont réalisés dans la même matière et sont symétriques l'un de l'autre, le procédé comprenant l'étape consistant à : - générer un écoulement de fluide symétrique autour de l'ensemble 35 formé par ledit premier module, ledit échantillon et ledit deuxième module. CH Lees and A. Schuster, On the thermal conductivities of single and mixed solids and their variation with temperature, Philosophical Transactions of the Royal Society, Series A, 191: 399-440, 1898, discloses a device for measuring conductivity. thermal, called Lees apparatus. It is proposed to provide a known heating power by means of an electrical resistance, and to measure the temperature of the conductive elements enclosing the sample to be tested. The apparatus, placed in the air, is thus cooled by free convection. To calculate the thermal conductivity of the material, Lees assumes the uniform convective transfer coefficient (h in W m2 K-1) over the entire surface of the apparatus, which allows him to estimate the heat flux (d)). The apparatus having surfaces in all directions, this assumption is not verified, which induces a cause of significant error. EP 0 347 571 B1 describes a device for measuring the thermal conductivity, in which it is necessary to provide two heat sinks. SUMMARY OF THE INVENTION A problem that the present invention proposes to solve is to provide a method and a device for measuring thermophysical properties of materials that do not exhibit at least some of the aforementioned disadvantages. In particular, the present invention aims to provide a method and device for measuring thermal conductivity which provides better accuracy than the Lees apparatus, and which is easier to clean, easier to perform and less expensive than the method of reference. The solution proposed by the invention is a method for measuring the thermal conductivity of a material, comprising the steps of: - arranging a sample of the material between a first module and a second module, - generating heat at level of said first module, - measuring, at thermal equilibrium, the temperatures of said first module, said second module and the environment, - determining the thermal conductivity of the material as a function of the heating power supplied, the measured temperatures and the dimensions of said sample, characterized in that said first module and said second module are made of the same material and are symmetrical to each other, the method comprising the step of: - generating a symmetrical fluid flow around of the assembly formed by said first module, said sample and said second module.

Selon un mode de réalisation, ledit ensemble est agencé dans un conduit, ledit écoulement étant généré dans ledit conduit. Avantageusement, ledit fluide est de l'air ou de l'eau. De préférence, les températures mesurées sont inférieures à 100°C. L'invention propose aussi un dispositif de mesure de la conductivité thermique d'un matériau, comprenant un échantillon du matériau agencé entre un premier module et un deuxième module, et une source de chaleur apte à générer de la chaleur au niveau dudit premier module, caractérisé en ce que ledit premier module et ledit deuxième module sont réalisés dans la même matière et sont symétriques l'un de l'autre, le dispositif comprenant un générateur d'écoulement agencé de manière à générer un écoulement de fluide symétrique autour de l'ensemble formé par ledit premier module, ledit échantillon et ledit deuxième module. Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend un conduit, ledit ensemble étant agencé dans ledit conduit. Brève description des figures L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description suivante d'un mode de réalisation particulier de l'invention, donné uniquement à titre illustratif et non limitatif, en référence au dessin annexé. Sur ce dessin : - la figure 1 est une vue en élévation d'un échantillon et de deux modules, utilisé dans un procédé selon un mode de réalisation de l'invention. Description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention La figure 1 représente un ensemble 4 comprenant un premier module 1, un échantillon 3 et un deuxième module 2. L'échantillon 3 est réalisé avec le matériau dont on veut mesurer la conductivité thermique X. Il est en forme de parallélépipède, sans que cette forme soit limitative, et présente donc un plan de symétrie P. L'échantillon 3 présente une épaisseur e connue et une section Se. Les modules 1 et 2 sont de formes symétriques par rapport au plan P, et réalisés en matériau très conducteur de façon à avoir une température uniforme (respectivement Te et Tf). Dans l'exemple représenté, ils sont en forme de parallélépipèdes. En variante, ils pourraient être de forme quelconque (par exemple disques, ailettes de refroidissement,...) et constitués d'un nombre quelconque d'éléments. Les modules 1 et 2 présentent une face permettant un contact d'échange thermique avec l'échantillon, par exemple une face plane dans le mode de réalisation représenté. Une source de chaleur permet de chauffer le premier module 1. Par exemple, dans un mode de réalisation, une résistance (non représentée) est intégrée au premier module 1 ou sérigraphiée sur le premier module 1. Dans une variante, une autre résistance est également intégrée au deuxième module 2 ou sérigraphiée sur le deuxième module 2. Dans ce cas, les modules 1 et 2 sont strictement symétriques. Dans une autre variante, le deuxième module 2 ne comprend pas de résistance et la symétrie concerne uniquement la forme et la matière des modules 1 et 2. Un générateur d'écoulement, par exemple un ventilateur, est agencé de manière à pouvoir générer un écoulement de fluide autour de l'ensemble 4 formé par le premier module 1, l'échantillon 3 et le deuxième module 2. Dans une variante, un conduit (non représenté) canalise l'écoulement et l'ensemble 4 est agencé dans le conduit. Le fluide est par exemple de l'air ou de l'eau. Le dispositif qui vient d'être décrit permet de déterminer la conductivité thermique 2. du matériau de l'échantillon 3 de la façon suivante. According to one embodiment, said assembly is arranged in a conduit, said flow being generated in said conduit. Advantageously, said fluid is air or water. Preferably, the measured temperatures are below 100 ° C. The invention also proposes a device for measuring the thermal conductivity of a material, comprising a sample of the material arranged between a first module and a second module, and a heat source capable of generating heat at said first module, characterized in that said first module and said second module are made of the same material and are symmetrical to each other, the device comprising a flow generator arranged to generate a symmetrical fluid flow around the together formed by said first module, said sample and said second module. According to one embodiment, the device comprises a conduit, said assembly being arranged in said conduit. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The invention will be better understood, and other objects, details, characteristics and advantages thereof will appear more clearly in the following description of a particular embodiment of the invention, given solely to illustrative and non-limiting, with reference to the accompanying drawing. In this drawing: - Figure 1 is an elevational view of a sample and two modules, used in a method according to one embodiment of the invention. DETAILED DESCRIPTION OF ONE EMBODIMENT OF THE INVENTION FIG. 1 represents an assembly 4 comprising a first module 1, a sample 3 and a second module 2. The sample 3 is made of the material whose thermal conductivity is to be measured X. It is in the form of parallelepiped, without this form being limiting, and therefore has a plane of symmetry P. The sample 3 has a known thickness e and a section Se. The modules 1 and 2 are of symmetrical shapes with respect to the plane P, and made of highly conductive material so as to have a uniform temperature (respectively Te and Tf). In the example shown, they are in the form of parallelepipeds. Alternatively, they could be of any shape (eg disks, cooling fins, ...) and consist of any number of elements. The modules 1 and 2 have a face allowing a heat exchange contact with the sample, for example a flat face in the embodiment shown. A heat source is used to heat the first module 1. For example, in one embodiment, a resistor (not shown) is integrated in the first module 1 or screen printed on the first module 1. In a variant, another resistor is also integrated in the second module 2 or silkscreened on the second module 2. In this case, the modules 1 and 2 are strictly symmetrical. In another variant, the second module 2 does not include resistance and the symmetry only concerns the shape and material of the modules 1 and 2. A flow generator, for example a fan, is arranged in such a way as to be able to generate a flow. of fluid around the assembly 4 formed by the first module 1, the sample 3 and the second module 2. In a variant, a duct (not shown) channels the flow and the assembly 4 is arranged in the duct. The fluid is for example air or water. The device which has just been described makes it possible to determine the thermal conductivity 2. of the material of the sample 3 as follows.

Le premier module 1 est chauffé avec une puissance connue (P en W). Dans le mode de réalisation décrit ci-dessus, il est chauffé par effet Joule grâce à sa résistance. Le générateur d'écoulement est actionné et, en raison de la symétrie de l'ensemble 4, l'écoulement autour de l'ensemble 4 est symétrique. Les coefficients de transfert d'énergie convectif (h) entre l'ensemble 4 et l'écoulement sont donc symétriques. Dans ces conditions, on peut estimer le flux de chaleur IV passant par l'échantillon 3, sans faire d'hypothèse sur l'uniformité du coefficient de transfert d'énergie convectif. The first module 1 is heated with a known power (P in W). In the embodiment described above, it is heated by Joule effect thanks to its resistance. The flow generator is actuated and, due to the symmetry of the assembly 4, the flow around the assembly 4 is symmetrical. The convective energy transfer coefficients (h) between the assembly 4 and the flow are therefore symmetrical. Under these conditions, it is possible to estimate the heat flow IV passing through the sample 3, without making any assumption about the uniformity of the convective energy transfer coefficient.

A l'équilibre thermique, il n'y a pas d'accumulation d'énergie dans l'ensemble 4: toute la puissance fournie par la résistance chauffante est dissipée par convection et par rayonnement au niveau des deux modules 1 et 2. La mesure se fait à température suffisamment faible pour considérer le coefficient de transfert global entre l'air et les modules comme indépendant de la température. Par exemple, pour des températures inférieures à 100°C, cette approximation conduit à une erreur de moins de 0,1%. La géométrie et l'écoulement étant symétrique, on peut écrire P = + = Cth (Tc ù Ta) + Cth (Tf ù Ta) (2) avec : Cth : conductance thermique globale du module avec l'ambiance (W •K-i), Ta : Température de l'ambiance, (D, : flux évacué par le premier module 1, ~f : flux évacué par le deuxième module 2. At thermal equilibrium, there is no accumulation of energy in the assembly 4: all the power supplied by the heating resistor is dissipated by convection and radiation at the two modules 1 and 2. is at a sufficiently low temperature to consider the overall transfer coefficient between the air and the modules as independent of the temperature. For example, for temperatures below 100 ° C, this approximation leads to an error of less than 0.1%. The geometry and the flow being symmetrical, we can write P = + = Cth (Tc ù Ta) + Cth (Tf ù Ta) (2) with: Cth: global thermal conductance of the module with the environment (W • Ki) , Ta: Ambient temperature, (D,: flow evacuated by the first module 1, ~ f: flow evacuated by the second module 2.

La totalité du flux passant par l'échantillon étant évacuée au niveau du deuxième module 2, on peut écrire (d'après 1 et 2 ) ùùCth(TfùTa)=ùa, • Se• (TfùTc)/e (3) soit (d'après 2 et 3) = P (Tf ù Ta) e / [ Se (Te + Tf ù 2 Ta) (Tf ù Te) ] Etant donné la géométrie de l'ensemble 4, les mesures des températures à l'équilibre et des dimensions de l'échantillon 3 permettent donc une détermination directe de la conductivité thermique de l'échantillon 3. Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec un mode de réalisation particulier, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention. Since the whole flux passing through the sample is evacuated at the level of the second modulus 2, we can write (according to 1 and 2) where Cth (TfuTa) = ùa, • Se • (TfùTc) / e (3) is (d after 2 and 3) = P (Tf ù Ta) e / [Se (Te + Tf ù 2 Ta) (Tf ù Te)] Given the geometry of the assembly 4, the measurements of equilibrium temperatures and dimensions of the sample 3 thus allow a direct determination of the thermal conductivity of the sample 3. Although the invention has been described in connection with a particular embodiment, it is obvious that it is not not limited and that it includes all the technical equivalents of the means described and their combinations if they fall within the scope of the invention.

Claims

1. A method for measuring the thermal conductivity of a material, comprising the steps of: - arranging a sample (3) of the material between a first module (1) and a second module (2), - generating heat at said first module, - measuring, at thermal equilibrium, the temperatures of said first module, said second module and the environment; - determining the thermal conductivity of the material as a function of the heating power supplied, the temperatures measured and dimensions of said sample, characterized in that said first module and said second module are made of the same material and are symmetrical to each other, the method comprising the step of: - generating a flow of fluid symmetrical around the assembly (4) formed by said first module, said sample and said second module.

The method of claim 1, wherein said assembly is arranged in a conduit, said flow being generated in said conduit.

3. Method according to one of claims 1 to 2, wherein said fluid is air or water.

4. Method according to one of claims 1 to 3, wherein the measured temperatures are less than 100 ° C. 25

5. A device for measuring the thermal conductivity of a material, comprising a sample (3) of the material arranged between a first module (1) and a second module (2), and a heat source capable of generating heat at level of said first module, characterized in that said first module and said second module are made of the same material and are symmetrical to each other, the device comprising a fluid flow generator arranged to generate a symmetrical fluid flow around the assembly (4) formed by said first module, said sample and said second module. 35

6. Device according to claim 5, comprising a conduit, said assembly being arranged in said conduit.