Principe Du Séchoir Solaire

Revue des Energies Renouvelables SMSTS’08 Alger (2008) 167 – 176

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Comportement thermique d’un séchoir solaire direct type serre dans la région de Ghardaïa

S. Kherrour*, S.M.A. Bekkouche et L. Serir

Unité de Recherche Appliquée en Energies Renouvelables, ‘URAER’ B.P. 88 Garet Etaam, Ghardaïa, Algérie

Résumé - Ces travaux consistent à étudier théoriquement un séchoir solaire type serre réalisé au sein de notre unité. Pour ce faire, un modèle mathématique est proposé. Ce séchoir est composé de cinq vitres et de deux parois (verticale et horizontale) recouvertes par une couche sélective pour maximiser l’absorption. Il s’agit dans ce cas, de deux vitres latérales et trois vitres inclinées. Une vitre incliné à 55°, maximise la captation de l’énergie solaire pendant la période froide. Une autre incliné à 15°, permet d’optimiser la transmission du rayonnement en saison estival. La dernière est inclinée 35°C et joue le rôle d’intermédiaire. La modélisation mathématique, basée sur la méthode des bilans globaux des énergies, prend en compte les conditions initiales, environnantes et climatiques associées au séchoir. Les résultats expérimentaux et de la simulation numérique permettent de délivrer les relevées de température des surfaces intérieures et extérieures des vitres, de l’air intérieur, de la paroi horizontale et de la paroi verticale. Les températures des plaques absorbantes sont les plus élevées. Ces résultats peuvent être justifiés sans aucun doute par le pouvoir d’absorption, qui est important pour le rayonnement solaire. Mots clés: Séchoir solaire direct - Parois - Vitres - Température – Eclairement – Modèle mathématique – Simulation numérique.

1. INTRODUCTION

Il existe une grande variété de séchoirs et selon le point de vue adopté, différentes façons de les classer. On peut, par exemple, retenir comme critère la texture du produit qui détermine son mode de manutention et la manière dont on assure son contact avec l’air asséchant sur la surface chauffante.

On peut aussi considérer le principe sur laquelle repose le séchage. Ainsi, dans les séchoirs à ébullition, on élève suffisamment la température du produit pour que la pression de vapeur de son eau devienne égale à la pression totale ambiante et dans les séchoirs a entraînement, on le place dans un courant d’air, dont la pression de vapeur est inférieure à celle régnant juste a son niveau. [1]

Les séchoirs solaires se divisent en deux catégories: les séchoirs directs où les produits sont exposés directement au soleil et les séchoirs indirects où le produit n’est pas exposé directement au soleil. Il est même à l’abri de la lumière, ce qui autorise une meilleure préservation des qualités nutritionnelles de l’aliment.

La vitesse de séchage est importante pour choisir le type de séchage à effectuer. L’humidité relative est un facteur affectant le séchage solaire des produits. Plus l’humidité relative est élevée, plus le séchage durera.

L’isolation, l’absorbeur, la matière de construction, les inclinaisons et la couverture transparente orientée vers le soleil sont des décisions importantes de conception. [2]

A Ghardaïa, on choisi souvent le séchage des dattes. C’est une technique * [email protected]

S. Kherrour et al.

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prometteuse, et elle permet d’atteindre une teneur en eau nulle. C’est l’une des opérations, qui sert aussi à produire la poudre des dattes. Elle est même utile pour la conservation, qui présente un problème vécu au niveau de notre région.

2. ETUDE EXPERIMENTALE Le problème rencontré par les agriculteurs est d’augmenter les performances

thermiques des séchoirs solaires. C’est pour cette raison qu’une réalisation aisée est effectuée à ce propos. Elle est basée sur des notions, des principes et des idées connues et simples.

Dans ce contexte, rappelant que l’équation de l’angle d’inclinaison optimale des surfaces est donnée par:

ndéclinaisolatitude −=α (1)

La déclinaison du soleil est donnée par la relation (2). Elle est comprise entre +23°27' et -23° 27’.

)J3(sin07187,0)J2(sin03205,0)J(sin7872,3)J3(cos1398,0)J2(cos3499,0)J(cos18,223328,0

+++−−−=δ

(2)

j984,0J = , où j est le numéro du jour de l’année à partir du 1er Janvier. [3, 4].

La courbe tracée ci-dessous donne la variation de l’inclinaison optimale et la déclinaison du soleil durant toute l’année. On remarque que l’inclinaison optimale est de l’ordre de 55.5° en hiver, tandis qu’elle est d’environ 8.5° en été.

Les données du site de Ghardaïa sont les suivants: latitude 32° 23' N, longitude 3°49' E et l’altitude 450 m.

Fig. 1: Variation de la déclinaison du soleil et de l’inclinaison optimale

en fonction du numéro de jour de l’année

Notre dispositif est composé de cinq vitres et de deux parois (verticale et horizontale) recouvertes par une couche sélective pour maximiser l’absorption. Il s’agit dans ce cas, de deux vitres latérales et trois vitres inclinées. Une vitre inclinée à 55°, maximise la captation de l’énergie solaire pendant la période froide. Une autre inclinée à 15°, permet d’optimiser la transmission du rayonnement en saison estivale. La

SMSTS’2008: Comportement thermique d’un séchoir solaire direct type serre…

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dernière étant inclinée à 35°, joue le rôle d’intermédiaire.

Fig. 2: Description général du banc d’essai

Orientation vers le Sud

Fig. 3: Relevés des températures de l’air intérieur et des surfaces intérieures

des vitres 35° et 55°.

Fig. 4: Relevés des températures des surfaces intérieures de la vitre15°,

Est et Ouest.

3. ETUDE THEORIQUE 3.1 Estimation des éclairements incidents

Nous procéderons premièrement à l’utilisation d’un modèle semi empirique efficace pour l’estimation des énergies reçues sur les différentes surfaces. Dans ce sens, nous avons choisi d’utiliser le modèle de Capderou, parce qu’il nous paraît acceptable et adéquat au niveau de notre site durant cette période. Malgré ça, et pour être plus précis dans nos estimations, nous avons décidé d’exploiter directement les données expérimentales fournies par notre station concernant les éclairements globaux et diffus incidents sur un plan horizontale.

Ceux ci veulent dire, qu’au lieu de déterminer les éclairements globaux et diffus incidents sur un plan horizontal par le modèle de Capderou, on utilise directement les

S. Kherrour et al.

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données expérimentales fournies par notre station. Cette démarche nous donne la possibilité d’estimer mieux les éclairements globaux incidents sur les surfaces et la paroi verticale toujours en utilisant le même modèle.

Fig. 5: Eclairements incidents sur

la paroi horizontale Fig. 6: Eclairements incidents sur

la paroi verticale

Fig. 7: Eclairements incidents

sur la vitre 15° Fig. 8: Eclairements incidents

sur la vitre 35°


sur la vitre 55° Fig. 10: Eclairements incidents

sur le plan est


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sur le plan ouest

3.2 Modèle mathématique Le calcul des températures, ainsi que la perception de l’aspect dynamique des

transferts thermiques tiennent une place très importante dans ces genres de problèmes. Alors, il est très intéressant de disposer d’outils numériques permettant de calculer très rapidement ces températures.

Conçu pour répondre à ces besoins, Matlab 6.5 par exemple est un logiciel qui permet d’appréhender le comportement thermique des différentes surfaces et de l’air soumis à des sollicitations variées. Les programmes réalisés permettent par ses interactivités une bonne compréhension des phénomènes de transferts de chaleur à travers les parois en régime variable.

Les résultats, les indications et les recommandations du présent travail sont obtenus en utilisant la méthode de Runge Kutta d’ordre 4.

Ces modèles ne concernent que les échanges thermiques. On ne peut donc pas étudier la stratification de l’air d’une zone, l’influence du vent sur les infiltrations d’air, la diffusion d’eau dans les parois,... Les changements d’état ne sont pas non plus pris en compte, donc le stockage par chaleur latente n’est pas traité, ni l’effet des variations d’humidité. C’est donc exclusivement l’enveloppe qui est étudiée.

On suppose que: - Les transferts thermiques à travers les parois sont supposés unidirectionnels,

perpendiculairement à ces parois. - On considère que la distribution de la température sur les surfaces extérieures et

intérieures est toujours uniforme. Cela veut dire que les modèles vont délivrer uniquement les températures moyennes.

- Le régime est permanent, lorsque le flux passe d’une couche vers l’autre pour les deux plaques.

Pour compléter le modèle mathématique, il faut déterminer également les conditions aux limites (les températures moyennes des surfaces extérieures des deux plaques absorbantes), les conditions initiales et les conditions environnantes associés.

Les équations mathématiques régissant les différents bilans du notre séchoir réalisé durant cette période (13/04/2008) de mesures sont données par:

S. Kherrour et al.

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3.2.1 Paroi horizontale

( )

18171615

141312

rrrr

rcvrext111

11p

QQQQ

QQQ/e

TTtd

Td.V.C.

−−−−

−−−λ

−−=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ρ

∑ (3)

3.2.2 Paroi verticale

( )

28272625

242312

rrrr

rcvrext222

22p

QQQQ

QQQ/e

TTtd

Td.V.C.

−−−−

−−−λ

−−=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ρ

∑ (4)

3.2.3 Air extérieur

( )

38373635

342313

cvcvcvcv

cvcvcv3

33p

QQQQ

QQQtd

Td.V.C.

−−−−

−−=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ρ

(5)

3.2.4 Vitre 15°

( )

48474645

342414

rrrr

cvrrvv944

44p

QQQQ

QQQ/e

TTtd

Td.V.C.

−−−−

++−λ−

−=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ρ

(6)

3.2.5 Vitre 35°

( )

58575645

352515

rrrr

cvrrvv1055

55p

QQQQ

QQQ/eTT

tdTd.V.C.

−−−+

+++λ

−−=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ρ

(7)

3.2.6 Vitre 55°

( )

68675646

362616

rrrr

cvrrvv1166

66p

QQQQ

QQQ/eTT

tdTd.V.C.

−−°+

+++λ

−−=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ρ

(8)

3.2.7 Paroi latérale est

( )

78675747

372717

rrrr

cvrrvv1277

77p

QQQQ

QQQ/eTT

tdTd.V.C.

−+++

+++λ

−−=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ρ

(9)

3.2.8 Paroi latérale ouest

( )

78685848

382818

rrrr

cvrrvv1388

88p

QQQQ

QQQ/eTT

tdTd.V.C.

−+++

+++λ

−−=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ρ

(10)


173

3.2.9 Surface extérieure de la vitre à 15°

( )ext.air.9sol.9ciel.9 cvrr159v

vv949

99p QQQGS/e

TTtd

Td.V.C. +++α+λ−

−=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ρ (11)



vv10510

1010p QQQGS/eTT

tdTd.V.C. +++α+

λ−

−=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ρ (12)



vv11611

1111p QQQGS/eTT

tdTd.V.C. +++α+

λ−

−=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ρ (13)

3.2.12 Surface extérieure de la vitre latérale est


vv12712

1212p QQQGS/eTT

tdTd.V.C. +++α+

λ−

−=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ρ (14)

3.2.13 Surface extérieure de la vitre latérale ouest


vv13813

1313p QQQGS/eTT

tdTd.V.C. +++α+

λ−

−=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ρ (15)

3.3 Résultats et discutions La figure 12 représente l’évolution de la température ambiante extérieure pour la

journée du 13/04/2008. Elle couvre un domaine compris entre 13 et 25 °C.

Fig. 12: Température ambiante

La figure 13 prouve que la température de la paroi horizontale est la plus élevée même par rapport à la température de la plaque verticale et à l’air intérieur du séchoir solaire. Ces résultats sont dus certainement à l’inclinaison de la plaque horizontale (0°) qui est la plus proche de l’inclinaison optimale (α = 23.45°) par rapport à celle (90°) de la plaque verticale.

S. Kherrour et al.

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Donc, la paroi horizontale reçoit la plus grande portion du rayonnement solaire. Par conséquent, et en restant toujours dans le même concept, on peut justifier la raison de la présence de la quantité la plus élevée des éclairements incidents sur la vitre 15°. (Fig. 5 à 9). Les figures 10 et 11 représente la variation des éclairements incidents estimés par Capderou sur les plans est et ouest des parois latérales. Subséquemment, puisque les vitres sont transparentes, nous allons considérer logiquement que le rayonnement solaire incident absorbé par les deux vitres latérales égale à la somme des éclairements incidents absorbées par chaque surface (est et ouest) des vitres. Alors, on considère que

ouestest1312 RRGG +== .

Fig. 13: Profils des températures des deux plaques et de l’air intérieur

Les figures 14 et 15 donnent respectivement les variations des températures des surfaces intérieures et extérieures des vitres du séchoir réalisé. Les deux figures montrent qu’il n’existe pas une grande différence entre les profils des températures de la vitre 55° et les parois latérales pour les deux faces. Au contraire, on peut s’assurer qu’il existe toujours un gradient de température entre deux surfaces de la même vitre. Ce gradient est provoqué par l’effet du flux de chaleur échangé par conduction au niveau de chaque vitre. Des températures mesurées et estimées sont mentionnées sur les figures 3, 4 et 13. Pour les deux cas, la température de l’air intérieur du séchoir solaire peut atteindre la valeur de 70 °C. C’est fortement satisfaisant pour le séchage.

Fig. 14: Profils des températures des

surfaces intérieures des vitres du séchoir Fig. 15: Profils des températures des

surfaces extérieures des vitres du séchoir


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4. CONCLUSION ET PERSPECTIVES A la lumière de cette étude, nous voulons montrer qu’une bonne utilisation d’un

modèle et d’une méthode numérique (choix des conditions initiales, aux limites et des paramètres climatiques adéquats) permet la description quantitative et même qualitative du comportement des températures des éléments étudiés. La simulation numérique dans ces situations sera prédestinée pour évaluer les performances de notre séchoir.

Le travail que nous avons effectué nous a permis, d’établir encore une fois l’importance de l’énergie solaire et les avantages considérables qu’on peut en tirer dans le domaine des serres (en agriculture) d’une manière générale et particulièrement dans le domaine de séchage solaire.

Nous nous sommes assurés que les températures des plaques absorbantes sont les plus élevées. La raison, c’est que le pouvoir d’absorption de ces dernières est important pour le rayonnement solaire.

L’étude théorique que nous avons mené sur le séchoir à vide nous a permis d’étudier l’évolution de la température des différentes parois du système et particulièrement celle avec l’air intérieur. C’est un élément crucial et décisif qui assure les échanges de chaleur par convection à l’intérieur du séchoir avec le produit à sécher. L’augmentation de la température de l’air intérieur de notre séchoir permet d’avoir une meilleure vitesse du séchage.

Parmi les prolongements possibles de ces travaux de recherche, on cite à titre d’exemple la conception d’un autre modèle mathématique qui englobe et contient cette fois-ci le bilan thermique et massique en eau sur le produit à sécher. On peut alors dans ces situations, déterminer la variation instantanée du teneur en eau du produit, la nouvelle température de l’air asséchant, l’influence du l’humidité intérieur et de la vitesse de l’air asséchant, la température du produit, l’effet d’ombre et l’influence des perturbations nuageuses...

NOMENCLATURE S Surface, (m2) V Volume, (m3)

1T Température, plaque horizontale 7T Température de la surface intérieure, vitre latérale est

2T Température, plaque verticale 8T Température de la surface intérieure, vitre latérale ouest

3T Température, air intérieur du séchoir 9T Température de la surface extérieure, vitre inclinée à 15°

4T Température de la vitre inclinée à 15° 10T Température de la surface extérieure, vitre inclinée à 35°

5T Température de la vitre inclinée à 35° 11T Température de la surface extérieure, vitre inclinée à 55°

6T Température de la vitre inclinée à 55° 12T Température de la surface extérieure, vitre latérale est

e V

Epaisseur, (m) Volume, (m3)

13T Température de la surface extérieure, vitre latérale ouest

ρ Masse volumique, (kg/m3) t Temps légal, (s) λ Conductivité thermique du matériau,

(W/km) pC Capacité thermique massique, (J/kgK)

S. Kherrour et al.

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rijQ : Flux de chaleur échangé par rayonnement entre la surface i et j , (W)

cvijQ : Flux de chaleur échangé par convection entre la surface i et j , (W)

REFERENCES [1] M. Daguenet, ‘Les Séchoirs Solaires: Théorie et Pratique’, Edition de l’UNESCO, 1985.

[2] T. Khatib et D. Berkla, ‘Comparaison Expérimentale des Performances des Séchoirs Solaires Direct et Indirect’, Projet de Fin d’Etude, USTHB.

[3] A. Hamid, ‘Contribution à l’Etude du Bilan Thermique de la Serre avec Stockage en Lit de Galets’, Thèse de Magistère, CDER, 1989.

[4] R. Miri, ‘Séchage des Produits Agro-alimentaires dans un Séchoir Solaire Direct’, USTHB.

[5] S.M.A. Bekkouche, T. Benouaz et A. Cheknane, ‘Etude par Simulation de l’Effet d’Isolation Thermique d’une Pièce d’un Habitat dans la Région de Ghardaïa’, Revue des Energies Renouvelables, Vol. 10, N°2, 281 – 292, 2007.

[6] M. Capderou, ‘Atlas Solaire de l’Algérie, Modèles Théoriques et Expérimentaux’, Tome 1, Vol. 1 et 2, Office des Publications Universitaires, Algérie, 1987.

[7] F. Kasten, ‘The Linke Turbidity Factor Based on Improved Values of the Integral Rayleigh Optical Thickness’, Solar Energy, Vol. 56, N°3, pp. 239 – 244, 1996.

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