Influence of particle properties on the thermal conductivity of an alumina packed bed $\alpha$-Al$_2$O$_3$

Influence des propriétés des grains sur la conductivité thermique d’un lit de poudre d’alumine $\alpha$-Al$_2$O$_3$

Jordan Letessier (1, 2) , Aimen E. Gheribi (3) , Jean-Mathieu Vanson (2) , Christelle Duguay (2) , Fabrice Rigollet (1) , Jerome Vicente (1) , J.L. Gardarein (1)

1 IUSTI - Institut universitaire des systèmes thermiques industriels
2 DEC - Département d'Etudes des Combustibles
3 EPM - École Polytechnique de Montréal

The effective thermal conductivity of powder beds depends on a large number of parameters. In this paper, the apparent influence of grain size and geometry on this parameter of the medium is presented, based on a thermal conductivity model of unconnected porous media in air at atmospheric pressure, which we have developed. This model is based on the theory of percolation to describe the heat transfer in this kind of material. The medium is described by the following microstructural parameters: intra-granular and inter-granular porosity, as well as parameters specific to the material and to the arrangement of the particles. The first two parameters are measured for some samples through a characterization of the bed microstructure by an X-ray micro-tomograph. The effective bed conductivities predicted by this model are compared with measurements made using the unsteady hot plane method. The results show that the thermal conductivity of a powder bed appears to be very sensitive to the porosity distribution between inter-granular and intra-granular porosity.

La conductivité thermique effective de lits de poudres dépend d’un nombre important de paramètres. Dans cet article est présentée l’influence apparente de la taille des grains et de leurs géométries sur ce paramètre du milieu, en s’appuyant sur un modèle de conductivité thermique de milieux poreux non-connectés dans l’air à pression atmosphérique, que nous avons développé. Ce modèle se base sur la théorie de la percolation pour décrire le transfert thermique dans ce type de matériaux. Le milieu est décrit par les paramètres microstructuraux suivants: la porosité intra-granulaire et inter-granulaire, ainsi que des paramètres propres au matériau et à l’arrangement des particules. Les deux premiers paramètres sont mesurés pour certains échantillons grâce à une caractérisation de la microstructure du lit par un micro-tomographe à rayons X. Les valeurs de conductivités effectives du lit prédites par ce modèle sont comparées avec des mesures effectuées à l’aide de la méthode du plan chaud instationnaire. Les résultats montrent que la conductivité thermique d’un lit de poudre semble très sensible à la répartition des porosités entre la porosité inter-granulaire et intra-granulaire.

Mots clés: characterization of thermal properties; diffusivity; thermal conductivity; inverse method; X-ray tomography; alumina

Domaines: Physique [physics]

Jordan Letessier, Aimen E. Gheribi, Jean-Mathieu Vanson, Christelle Duguay, Fabrice Rigollet, et al.. Influence des propriétés des grains sur la conductivité thermique d’un lit de poudre d’alumine $\alpha$-Al$_2$O$_3$. 30ème congrès annuel de la Société Française de Thermique, May 2022, Valenciennes, France. ⟨10.25855/SFT2022-120⟩. ⟨hal-04044858⟩