Caractérisation des propriétés hygroscopiques de fibres naturelles pour le refroidissement évaporatif

Stéphanie, O.L. Lacour1^{1}, Véronique Aguié-Béghin2^{2}, Brigitte Chabbert2^{2}, Hong-Minh Hoang1^{1}, Bernard Kurek2^{2}
⋆^{\star} : stephanie.lacour@inrae.fr
1^{1} INRAE-FRISE
2^{2} INRAE-FARE
Mots clés : fibres naturelles, capillarité, transfert de masse et de chaleur
Résumé :

Les milieux poreux à structure capillaire constituent des mèches souvent utilisées comme support solide pour les transferts évaporatifs dans les caloducs, les thermosiphons et les humidificateurs. Dans le domaine du traitement de l’air (humidification ou pré-refroidissement évaporatif), les fibres naturelles, principalement hydrophiles, mais à divers degrés, présentent des efficacités de transfert supérieures de plus de 10% aux matériaux conventionnels, ce qui les rend particulièrement attractives. En humidification, le transfert de l’eau dans l’air se fait sur la périphérie des fibres : la surface de transfert dépend beaucoup de la hauteur de remontée capillaire tandis que l’assèchement dépend des volumes d’eau, libre ou liée, accessible et disponible à l’intérieur des fibres. Dans cet article, on compare des fibres naturelles et synthétiques en caractérisant leur comportement physico-chimique vis-à-vis de l’eau. On analyse la structure de ces matériaux par micro-tomographie pour quantifier la porosité de différentes fibres. Des isothermes de sorption et de désorption dynamiques de vapeur sont également mesurées à 25∘^{\circ}C et pour des humidités variant de 10 à 90% pour caractériser l’adsorption et les transferts d’eau au sein et à la surface des fibres avec le milieu extérieur. On montre comment ces propriétés sont en relation avec les propriétés de remontées capillaires des fibres. La hauteur des remontées capillaires dépend de paramètres physiques, dont le rayon capillaire, et chimiques, dont la composition, qui agissent sur la tension superficielle du liquide et les angles de contact. Les mesures de sorption permettent de bien caractériser la dynamique de remontée capillaire dans les mèches : cette méthode permet ainsi de sélectionner les matériaux aptes à une imbibition rapide pour des procédés évaporatifs en fonctionnement intermittent. Si la dynamique semble liée à des effets de polarité, la hauteur terminale de remontée capillaire présente une meilleure relation avec la composante dispersive des tensions superficielles. Les paramètres géométriques n’ont pu être quantifiés que pour un nombre limité des fibres du fait de la faible absorption des rayons X par leurs constituants. Ces résultats orientent la conception de supports capillaires diffusifs qui permettent de réduire de 30∘^{\circ}C la température de surface d’une source de chaleur à flux imposé quand une ailette en cuivre ne l’abaisse que de 17∘^{\circ}C.

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