Soutenance mémoire
Application des radiofréquences et des micro-ondes
CHAUFFAGE DIÉLECTRIQUE DU BOIS
Les applications des radiofréquences sont aussi nombreuses, et s’élargissent également dans plusieurs domaines tels que vus ultérieurement. Le chauffage diélectrique est une technique de celles-ci qui permet de chauffer des matériaux peu conducteurs électriquement et généralement thermiquement. Ainsi, ce type de chauffage est rendu quasiment possible grâce aux propriétés diélectriques, à la teneur en humidité du bois de même que la fréquence appliquée qui produisent des critères qui permettent de mieux comprendre l’interaction entre le matériau et les ondes
électromagnétiques.
Chauffage du bois par ondes électromagnétiques
Le chauffage par radiofréquences et par micro-ondes est une technique qm consiste à chauffer des matériaux peu conducteurs électriquement et généralement thermiquement.C’est une technique d’application du chauffage diélectrique basée sur les mêmes principes fondamentaux mais de critères de fonctionnement différents car présentant des intervalles de fréquences différents (Callebaut 2007). A l’état naturel, le bois contient une quantité importante d’eau, ce qui fait qu’il répond bien au chauffage électromagnétique. Au cours de ce processus, la teneur en humidité du matériau diminue, favorisant ainsi une diminution du facteur de perte(Oloyede et Groombridge, 2000).Le chauffage par radiofréquence est plus uniforme que celui par micro-ondes mais demande beaucoup plus de temps du fait de ses valeurs de fréquences plus faibles que celles des micro-ondes ; d’où la complémentarité de ces deux processus.Plusieurs facteurs doivent être tenus en compte pour mieux comprendre les phénomènes qui régissent ce processus, notamment les propriétés physiques, mécaniques et diélectriques du matériau ainsi que la fréquence à appliquer pour pouvoir bien évaluer l’interaction entre les ondes électromagnétiques et les molécules d’eau.
Propriétés du matériau bois
Le bois est un matériau naturel possédant des propriétés physiques, mécaniques et diélectriques particulières (Henin et al., 20 14 ).À l’état naturel, il est discontinu, hétérogène et anisotrope, c’est-à-dire que ses propriétés physiques (composition) et mécaniques (résistance) varient selon les différentes directions ; c’est dans ce sens que les diverses tentatives mécaniques sont fortement liées au sens de la sollicitation, au taux d’humidité et surtout à la densité apparente (Nebout et al., 1999).
Propriétés physiques
La densité, l’humidité, la conductibilité et le retrait constituent les principales caractéristiques physiques du bois. (Nebout et al., 1999):
./ La densité est importante et constitue le critère de qualité le plus simple et le plus complet ; elle influe sur les propriétés physiques et mécaniques du bois. Elle varie en fonction de la teneur en eau et des essences de bois ;
./ L’humidité est la quantité d’eau contenue dans le bois. L’humidité d’un bois est très variable suivant l’essence. Elle en modifie les propriétés physiques (retrait et gonflement) et les propriétés mécaniques (résistance réduite) ;
./ Le bois est un corps poreux, cette particularité anatomique le rend mauvais conducteur de la chaleur, du froid et de l’électricité. Le bois est un matériau isolant, ce caractère entraine une variation suivant l’essence, la densité et la teneur en eau;
./ Le volume d’un bois varie en fonction de sa teneur en eau raison pour laquelle on l’attribue matériau hygroscopique. Ces différents critères sont également fonctions des propriétés diélectriques du bois.
Propriétés diélectriques
Les propriétés diélectriques du bois varient en fonction de plusieurs paramètres, notamment la teneur en humidité, la température, les propriétés thermophysiques (notamment la densité et la capacité spécifique), la fréquence et l’orientation des champs électriques, qui produisent des critères pour comprendre les principes de base liés à la structure moléculaire du bois de la cellulose jusqu’à la structure fibreuse (James, 1975; Norimoto et Yamada, 1971).
En effet, elles permettent de prédire la capacité du matériau à absorber de l’énergie sous l’effet des ondes électromagnétiques (Koubaa et al., 2008; Oloyede et Groombridge, 2000).
Il est aussi important de mentionner que les propriétés diélectriques ne détiennent pas de valeurs constantes mais que celles-ci dépendent de la température, de l’humidité du matériau ainsi que de la fréquence appliquée (Daian et al., 2005).
Mécanisme du chauffage diélectrique
Le bois est un matériau diélectrique, donc un mauvais conducteur de l’électricité mais il est capable de se polariser sous l’action d’un champ électrique et la polarisation induite est telle que P = xD, D étant l’excitation électrique et la susceptibilité diélectrique (Étienne, 2008). D’autant plus que le bois est auss1 composé d’eau sous deux formes:
./ L’eau liée, qui est tenue dans les parois cellulaires par des forces de liaison
entre 1′ eau et les molécules de la cellulose
./ L’eau libre est contenue dans les cavités cellulaires et n’est pas détenue par
des forces de liaison; cette forme d’eau est comparable à celle dans un tuyau.
Cette première forme d’eau interagit plus avec les ondes électromagnétiques au
cours du processus de chauffage.
Polarisation
Les matériaux de faible conductivité électrique peuvent être chauffés aux microondes si leurs molécules d’eau sont structurées de façon asymétrique; dans le cas du bois, l’application de champ électrique entraîne une asymétrie de ses molécules d’eau (polarisation) du fait que l’eau est un bon absorbeur de l’énergie électromagnétique en raison de sa configuration électronique (Oloyede et Groombridge, 2000).En effet, le champ électrique a une action sur les molécules polaires particulièrement 1 ‘eau, en les orientant et en leur transmettant de 1′ énergie cinétique sous forme de chaleur; c’est cette énergie générée qui est à l’ origine de la distribution de la température au sein du matériau (Acevedo et al., 2014; Ciacci et al., 2010; Hoover et al., 2010).
Interaction entre le bois et les ondes électromagnétiques
Les ondes électromagnétiques correspondent à 1 ‘association de deux champs électrique et magnétique dont les amplitudes varient de façon sinusoïdale au cours du temps et se propageant perpendiculairement. Elles peuvent être matérialisées par les équations de Maxwell-Ampère et Maxwell-Faraday.L’élévation de la température provient des frottements entre les molécules d’eau par le champ alternatif et les molécules voisines (Antti et Perre, 1999). L’avantage principal de ce type de chauffage réside dans la production de chaleur à l’intérieur du matériau qui doit être chauffé, par opposition aux processus de chauffage par air chaud et infrarouge qui sont des phénomènes de surface. Au cours du chauffage, de la chaleur est produite dans le matériau : cette énergie générée est à l’origine de la distribution de la température qui peut être matérialisée par l’équation de conduction de la chaleur.Dans ce travail, puisqu’on s’intéresse au dégel du bois, deux phases sont à tenir en compte (solide et liquide). Ainsi deux démarches sont souvent adoptées pour résoudre cette équation : la méthode basée sur la température et dans ce cas la résolution se fait de façon séparée pour les deux phases (Bhattacharya et al., 2002) et une formulation basée sur l’enthalpie volumique.
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Table des matières
Remerciements
Liste des figures
Liste des tableaux
Résumé
Liste des variables
Liste des annexes
Chapitre 1 Introduction aux application des radiofréquences et des micro-ondes
1.1. Quelques exemples d’applications
1.1.1. Télécommunication
1.1. 2. Santé
1.1.3. Agroalimentaire
1.1.4. Industrie de séchage
1.1.5. Traitement du bois
1.2. Problématique
1.3. Objectifs de notre trnvail
1.3.1. Objectifs
1.3.2. Données expérimentales
Chapitre 2 Chauffage diélectrique du bois
2.1. Chauffage du bois par ondes électromagnétiques
2.2. Propriétés du bois
2.2.1. Propriétés physiques
2.2.2. Propriétés diélectriques
2.3. Mécanisme du chauffage diélectrique
2.3.1. Polarisation
2.3.2. Interaction entre bois et ondes électromagnétiques
2.3.2.1 Formulation de l’équation d’énergie sous forme d’enthalpie
2.3.2.2 Equations de Maxwell Ampère-Faraday
2.3.2.3 Puissance dissipée dans le bois
2.3.2.4 La profondeur de pénétration
Chapitre 3 Modélisation par éléments finis du dégel du bois
3.1. Forme intégrale faible
3.2. Fonctionnelle de l’équation de conductivité thermique
3.3. Formulation par la méthode des éléments finis
3.3.1. Discrétisation par éléments finis
3.3.2. Expression du flux
3.3.3. Conditions aux limites
3.3.4. Matrice de capacité thermique
3.3.5. Schéma implicite d’intégration du temps
3.4. Simulation
3.4.1. Représentation analytique des propriétés diélectriques
3.4.2. Conclusion
Chapitre 4 Présentation des résultats
4.1. Évolution de la température
4.1.1. Chêne blanc
4.1. 2. Iso rel
4.1.3. Sapin de douglas
4.2. Évolution de la température au centre du chêne blanc
4.3. Temps de dégel en fonction de la teneur en humidité
4.3.1. Chêne blanc
4.3.2. !sorel
4.3.3. Sapin de douglas
4.4. Étude comparative du temps de dégel des trois espèces
4.5. Énergie latente nécessaire pour le dégel complet
Conclusion
Perspectives
Références
Annexes
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