Le transfert de chaleur dans un milieu poreux comme le sol peut être un processus complexe. La chaleur est conduite à travers les solides du sol et l'eau, mais elle est également transportée sous forme de chaleur latente dans les pores du sol. Cela rend la modélisation du flux de chaleur dans le sol à la fois intéressante et complexe puisqu'elle implique des processus thermiques et hydrauliques.
Le mouvement de la vapeur à travers les pores peut transporter des quantités substantielles de chaleur latente, mais si le sol autour de la source de chaleur n'est pas suffisamment humide pour que l'eau puisse revenir et s'évaporer à nouveau, le sol au niveau de la source de chaleur va se dessécher. L'assèchement du sol autour d'une source de chaleur telle qu'un câble électrique peut créer un risque d'emballement thermique susceptible d'entraîner la rupture du câble. La compréhension de la stabilité thermique d'un sol peut aider les ingénieurs en électricité à concevoir avec plus de précision les systèmes de distribution d'électricité afin d'éviter l'emballement thermique.
L'annexe B du code national de l'électricité (B.310.15(B)(2)) stipule que "les valeurs typiques de résistivité thermique (rho) sont les suivantes :
Cependant, comme l'ont découvert de nombreux ingénieurs qui ont utilisé "90" comme valeur de rho sûre et typique, le NEC a tout simplement tort. Ces chiffres sont essentiellement dénués de sens car il n'existe pas de "sol moyen", qu'il soit sec ou humide.
Quarante ans de recherche sur la thermie des sols le montrent :
Même dans un système de câbles souterrains bien conçu, le sol peut représenter la moitié ou plus de la résistance thermique totale. Les propriétés thermiques du sol et du remblai ne doivent pas être présumées. Ces propriétés sont relativement faciles à mesurer sur le terrain et en laboratoire. Une installation sûre et professionnelle nécessite une mesure et une évaluation réelles du rho thermique.
Si un rapport sur la résistivité thermique du sol indique seulement que le sol X a une résistivité thermique de XXX °C-cm/W, demandez des précisions. Quelle était la teneur en eau ? Quelle était la densité du sol ? Le sol contient-il des matières organiques ? L'humidité, la densité et la composition du sol sont des facteurs essentiels pour déterminer la résistivité thermique d'un sol. Tout rapport sur la résistivité thermique à des fins de conception doit inclure des données sur la teneur en eau et la densité(voir l'exemple). Une description physique du sol doit également être incluse. La courbe de dessiccation thermique est le moyen le plus complet de rendre compte de la résistivité thermique du sol. Les courbes de dessiccation thermique peuvent être générées automatiquement avec l'instrument de laboratoireVARIOS .
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Le chapitre 5 de la partie 4 des méthodes d'analyse des sols de la Soil Science Society of America (SSSA) traite de la chaleur du sol. Les TEMPOS et VARIOS la taille des aiguilles des sondes, les durées de chauffage, les spécifications de précision et l'analyse des données internes respectent ou dépassent les recommandations énoncées dans les méthodes de la SSSA.
Le TEMPOS est un analyseur de propriétés thermiques de terrain entièrement portable. L'instrument de laboratoireVARIOS mesure la résistivité thermique en fonction de la teneur en eau et génère des courbes de dessiccation thermique faciles et automatisées. Les deux appareils utilisent la méthode de la source de chaleur transitoire, qui réduit le mouvement de l'eau pour une plus grande précision et accélère le temps de mesure. L'analyse sophistiquée des données est basée sur plus de 40 ans d'expérience de recherche sur le transfert de chaleur et de masse dans les sols et autres matériaux poreux.
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Il est facile de mesurer avec précision les propriétés thermiques d'un matériau avec le site TEMPOS, mais l'établissement d'un protocole de mesure efficace et le contrôle minutieux des facteurs importants qui affectent les propriétés thermiques peuvent s'avérer difficiles et chronophages.
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La physique des sols joue un rôle de plus en plus important dans la conception et la mise en œuvre des systèmes souterrains de transmission et de distribution d'énergie.
Il n'existe aucun moyen de mesurer les propriétés des matériaux humides et poreux avec la méthode de l'état stable (plaque chauffante surveillée). En revanche, la méthode de la source de chaleur linéaire transitoire permet de mesurer les propriétés thermiques des matériaux humides et poreux, et même de mesurer la conductivité et la résistivité thermiques des fluides.
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