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Projet de fin d’étude ENIT SOMMAIRE Introduction Générale........................................1 Chapitre 1: Les systèmes solaires 1. L'électricité solaire thermodynamique.....................2 1.1. Les technologies des centrales solaires.................3 1.1.1. Les centrales à capteurs cylindro- paraboliques [6]..3 1.1.2. Les centrales à capteurs paraboliques................4 1.1.3. Les centrales à tour 3 ...............................4 1.1.4. Les centrales solaires à effet de cheminée...........6 2. Les principes thermodynamique de la transformation thermoélectrique.............................................. 8 2.1. Le cycle à vapeur.......................................8 2.2. Le cycle combiné........................................8 2.3. Le cycle Stirling.......................................8 2.4. Cycle de Rankine........................................9 3. Exemple de centrale électro - solaire de Borj - Cedria.....9 3.1. La boucle Chaude........................................9 3.2. Le réservoir de Stockage................................9 3.3. Le groupe turbo- alternateur...........................10 Chapitre 2: Etude de la boucle thermodynamique 1. Introduction.............................................. 12 2. Propriétés physiques......................................13 2.1. Propriétés thermodynamiques............................13 2.2. Chaleur latente........................................13 2.3. Viscosité..............................................13 3. Propriétés chimiques......................................14 3.1.Comportement vis -à –vis des huiles de graissage........14 3.2.Comportement vis-à-vis de l’humidité....................14 4. Choix de fluide de travail................................14 5. Boucle thermodynamique....................................16 6. Cycle thermodynamique (T-S)...............................17 6.1.Cycle de Rankine........................................17 6.2.Calcul des échangeurs thermiques [3]....................20 6.2.1. Calcul du condenseur................................21 Département Génie Mécanique 2007/2008

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Page 1: Rapport Pfe 2008

Projet de fin d’étude ENIT

SOMMAIRE

Introduction Générale...................................................................................................................1

Chapitre 1: Les systèmes solaires

1. L'électricité solaire thermodynamique.....................................................................................21.1. Les technologies des centrales solaires..............................................................................3

1.1.1. Les centrales à capteurs cylindro- paraboliques [6].....................................................31.1.2. Les centrales à capteurs paraboliques...........................................................................41.1.3. Les centrales à tour 3.....................................................................................................41.1.4. Les centrales solaires à effet de cheminée....................................................................6

2. Les principes thermodynamique de la transformation thermoélectrique..................................82.1. Le cycle à vapeur...............................................................................................................82.2. Le cycle combiné...............................................................................................................82.3. Le cycle Stirling.................................................................................................................82.4. Cycle de Rankine...............................................................................................................9

3. Exemple de centrale électro - solaire de Borj - Cedria.............................................................93.1. La boucle Chaude...............................................................................................................93.2. Le réservoir de Stockage....................................................................................................93.3. Le groupe turbo- alternateur.............................................................................................10

Chapitre 2: Etude de la boucle thermodynamique

1. Introduction.............................................................................................................................122. Propriétés physiques................................................................................................................13

2.1. Propriétés thermodynamiques..........................................................................................132.2. Chaleur latente.................................................................................................................132.3. Viscosité...........................................................................................................................13

3. Propriétés chimiques...............................................................................................................143.1.Comportement vis -à –vis des huiles de graissage............................................................143.2.Comportement vis-à-vis de l’humidité..............................................................................14

4. Choix de fluide de travail........................................................................................................145. Boucle thermodynamique.......................................................................................................166. Cycle thermodynamique (T-S)................................................................................................17

6.1.Cycle de Rankine..............................................................................................................176.2.Calcul des échangeurs thermiques [3]...............................................................................20

6.2.1. Calcul du condenseur.................................................................................................216.2.2. Calcul de l’évaporateur..............................................................................................246.2.3. Calcul du pré - chauffeur............................................................................................26

6.3. Simulation de la boucle thermodynamique....................................................................296.3.1. Présentation de EES..................................................................................................306.3.2. Influence des caractéristiques de la vapeur...............................................................326.3.3. Simulation de la boucle thermodynamique avec différents fluides..........................35

6.4 Simulation sur TRNSYS...................................................................................................367. Technologie.............................................................................................................................42

7.1. Turbines Scroll.................................................................................................................427.2. Organes de la turbine Scroll.............................................................................................437.3. Évaporateurs à tubes horizontaux [3]..............................................................................44

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7.4. Choix des pompes de circulation du fréon.......................................................................45

Chapitre 3: Capteur solaire Généralité & Analyse fonctionnelle

1.Généralités sur les capteurs solaires.........................................................................................461.1 Introduction......................................................................................................................461.2. Les principaux composants du capteur............................................................................47

1.2.1. Le coffre (caisse).......................................................................................................471.2.2. La Couverture Transparente.......................................................................................481.2.3. L’absorbeur.................................................................................................................491.2.4. L’isolant......................................................................................................................50

1. 3. Le rendement global du capteur......................................................................................511. 3.1. Rendement du capteur...............................................................................................511. 3.2. Rendement des différents capteurs usuels.................................................................52

2. Analyse fonctionnelle..............................................................................................................522.1. Introduction......................................................................................................................522.2. Modélisation de l’activité................................................................................................532. 3. Enoncé du besoin............................................................................................................532.4. Valider le besoin..............................................................................................................542.5. Séquence d’usage du capteur...........................................................................................54

2.5.1. Séquence  En utilisation.............................................................................................542.5.2. Séquence Hors utilisation...........................................................................................54

2. 6. Liste des éléments de l’environnement...........................................................................542.7. Diagrammes Pieuvres.......................................................................................................55

2. 7.1. Séquence « En utilisation ».......................................................................................552.7.2. Séquence « Hors utilisation ».....................................................................................55

2. 8. Fonctions de service........................................................................................................562.9. Validation des fonctions de service..................................................................................562.10. Caractérisation des fonctions de service........................................................................592.11. Hiérarchisation des fonctions de services......................................................................602.12. Histogramme des souhaits..............................................................................................61

Chapitre 4: Conception du capteur solaire

1. Description de logiciel « CoDePro »......................................................................................631.1. Fenêtre 1 : condition de test.............................................................................................641.2. Fenêtre 2 : dimensions du capteur....................................................................................641.3. Fenêtre 3: Vitre et Absorbeur...........................................................................................651.4. Fenêtre 4: Isolation arrière et latérale...............................................................................661.5. Fenêtre 5: Tube et Fluide.................................................................................................67

2. Simulation sur CoDePro.........................................................................................................682.1. Fenêtre 1 : test conditions................................................................................................682.2. Fenêtre 2: Dimensions du collecteur................................................................................682.3. Fenêtre 3: Vitre et Absorbeur...........................................................................................692.4. Fenêtre 4: Isolation arrière et latérale...............................................................................692.5. Fenêtre 5: Tube et Fluide.................................................................................................702.6. Courbe de rendement, η = f (ΔT).....................................................................................70

3. Conception mécanique et gamme de fabrication....................................................................723.1 Composantes du capteur solaire........................................................................................72

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Page 3: Rapport Pfe 2008

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3.2. Dossier technique.............................................................................................................733.2.1. Présentation................................................................................................................733.2.2. Fonctionnement..........................................................................................................733.2.3. Caractéristiques générales du capteur solaire............................................................743.2.4. Eléments constitutifs..................................................................................................75

3.3 Gamme de fabrication.......................................................................................................79

CONCLUSION..........................................................................................................................80

BIBLIOGRAPHIE....................................................................................................................81

ANNEXES

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Page 4: Rapport Pfe 2008

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Liste des tableaux

Tableau 1 : Valeurs des viscosités pour T [1] = 80 °C pour différents fluides.....................13

Tableau 2 : Caractéristiques du R134a.....................................................................................15

Tableau 3 : Etude de boucle thermodynamique avec différents fluides [1].............................36

Tableau 4 : Influence de la surface de champ de capteur sue Q util et Q cap..........................39

Tableau 5: Différents traitement de surface..............................................................................50

Tableau 6 : Liste des éléments de l’environnement..................................................................54

Tableau 7 : Classes et niveaux de flexibilité.............................................................................59

Tableau 8 : Caractérisation des fonctions de service................................................................60

Tableau 9: Barème d'évolution.................................................................................................60

Tableau 10 : Comparaison des fonctions de services...............................................................61

Tableau 11 : Caractéristiques générales de capteur solaire......................................................72

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Liste des figures

Figure 1: Centrale de désert de Mojave en Californie..................................................................3Figure 2: Capteur solaire parabolique..........................................................................................4Figure 3: Centrale à tour...............................................................................................................5Figure 4: Vue aérienne de SOLAR 2............................................................................................6Figure 5 : La cheminée de Manzanares.........................................................................................7Figure 6 : Groupe turbo alternateur.............................................................................................10Figure 7:Principe de la centrale électro- solaire de l’CRTEN………………………………….11Figure 8 : Diagramme thermodynamique (P- h).........................................................................16Figure 9 : Boucle thermodynamique...........................................................................................16Figure 10 : Cycle thermodynamique...........................................................................................17Figure 11 : Fenêtre d’unité de système.......................................................................................30Figure 12 : Fenêtre des fonctions de programmation..................................................................30Figure 13 : Fenêtre de compilation.............................................................................................31Figure 14 : Fenêtre de calcule.....................................................................................................31Figure 15 : Boucle thermodynamique.........................................................................................32Figure 16 : Influence de la pression P5........................................................................................33Figure 17 : Influence de P3 sur le rendement thermique du cycle et le travail de turbine..........34Figure 18 : Influence de la température de surchauffe T4...........................................................35Figure 19 : Variation de l’énergie pour une surface de champ de capteur de 50 m2..................37Figure 20 : Influence de la surface de champs de capteur sur Q util et Q cap............................39Figures 21 : Influence de la surface des capteurs sur les températures.......................................41Figure 22 : Mouvement orbital du scroll.....................................................................................43Figure 23 : Turbine Scroll...........................................................................................................43Figure 24 : Evaporateur à tube horizontal..................................................................................44Figure 25 : Capteur Solaire plan.................................................................................................47Figure 26 : Transmittivité d’une vitre en fonction de la longueur d’ondes................................48Figure 27: Schéma de différentes pertes.....................................................................................51Figure 28  : Courbe de rendement de différents capteurs solaires..............................................52Figure 29 : Diagramme Pieuvre "en utilisation"........................................................................55Figure 30 : Diagramme Pieuvre "hors utilisation"......................................................................55Figure 31: Histogramme des souhaits.........................................................................................62Figure 32: Condition de test........................................................................................................64Figure 33: Dimensions du capteur..............................................................................................65Figure 34: Vitre et Absorbeur.....................................................................................................66Figure 35: Isolation arrière et coté..............................................................................................67Figure 36: Tube et Fluide............................................................................................................67Figure 37: Caractéristiques générales du capteur solaire............................................................72Figure 38: Bilan énergétique d’un capteur solaire......................................................................73Figure 39 : Caisse du capteur solaire..........................................................................................75Figure 40 : Absorbeur du capteur solaire...................................................................................76Figure 41 : Isolation latérale et arrière du capteur solaire...........................................................77Figure 42 : Couverture transparente du capteur solaire..............................................................78

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Page 6: Rapport Pfe 2008

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Notation et Symboles

Symbole Unité Désignation

Di

Dex

ehf

hc

Q m R134a

Q m eau

KPrReNuSAvλρμ

CpT

ΔTmlPhsxPaWT

WP

ηméc

ФUη

mmmmmm

W/m2. °KW/m2. °K

Kg /sKg /s

W/m2. °K---------m2

m2

m/sW/m. °KKg /m3

Kg /m.sJ /kg. °K

°C°Cbar

Kj /kgkJ/kg.K

%w

kJ/kg.kJ/kg.

---w

W /m2K ---

Diamètre intérieur du tube.Diamètre extérieur du tube.Epaisseur du tube.Coefficient de convection coté fréon R134a.Coefficient de convection coté eau glycolée.Débit massique du fluide froid, fréon.Débit massique du fluide chaud, eau Coefficient. Coefficient global d’échange.Nombre de Prandt.Nombre de Reynolds.Nombre de Nusselt.Surface d’échange.Section de tube.Vitesse de fluide.Conductivité thermique.Masse volumique.Viscosité dynamique.Chaleur massique.Température.La moyenne logarithmique de température.Pression.Enthalpie.Entropie.Titre de vapeur.Puissance mécanique de la turbine.Travail de la turbine.Travail de la pompe.Rendement mécanique.Puissance (évaporateur, condenseur, Pré- chauffeur)Coefficient global des pertes du capteur.Rendement du capteur solaire.

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Introduction Générale

Ce projet s’intègre dans le cadre d’un large projet européen regroupant 8 équipes de

recherche ainsi que des équipes de l’industrie. Il a pour objectif de produire de l’électricité en

utilisant une boucle thermodynamique alimentée en chaleur par un système solaire. Pour cela,

trois options se présentent :

- Utilisation de capteurs plans (boucle basse température).

- Utilisation de capteurs CPC (boucle moyenne température).

- Utilisation d’un concentrateur cylindro-parabolique (haute température).

La société AES est chargée de contribuer à la conception et à la fabrication du capteur plan

qui sera utilisé dans une boucle solaire de production d’électricité à basse température.

Dans le cadre de ce PFE, on doit se baser sur des simulations pour proposer quelques

alternatives de conception pour cette boucle (type de capteur et performances, fluide

caloporteur …etc.).

On doit par la suite affiner le choix du capteur et sa conception (nature de l’isolant, épaisseur

de l’isolant, nombre de vitres et type de vitre, nature et conception de l’absorbeur …etc.) en

fonction du niveau de température requis par la boucle et enfin on propose une gamme de

fabrication de ce capteur.

La présente étude est développée en quatre chapitres :

- Dans le premier chapitre, nous faisons le point sur les différentes centrales qui utilisent

l’énergie solaire pour la production électrique et les cycles thermodynamique utilisés.

- Le deuxième chapitre sera consacré à l’étude de la boucle thermodynamique (cycle Rankine)

et définition des niveaux de température nécessaires.

- Le troisième chapitre s’intéresse à une généralité sur la physique des capteurs solaire plan et

une analyse fonctionnelle de capteur solaire plan.

- Le quatrième chapitre est consacré à la conception mécanique de capteur solaire plan et la

réalisation d’une gamme de fabrication du capteur.

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Chapitre :

Les systèmes solaires

Dans cette partie, nous allons présenter les technologies de production d’électricité utilisant

l’énergie solaire comme une source de chaleur.

1. L'électricité solaire thermodynamique

On désigne par « solaire thermodynamique » l'ensemble des techniques qui visent à

transformer l'énergie rayonnée par le soleil en chaleur, puis celle-ci en énergie mécanique (et

électrique) à travers un cycle thermodynamique. Il y a plusieurs façons de réaliser cette

transformation: par utilisation du moteur à pistons, du cycle de Rankine (y compris la turbine à

vapeur), ou de la turbine à gaz. L'avantage considérable de ces processus est lié à l'échelle

industrielle importante à laquelle se fait déjà la production des machines de conversion. Il reste

à résoudre le problème de la conversion du rayonnement solaire en chaleur jusqu'au moteur ou

turbine.

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Page 9: Rapport Pfe 2008

Projet de fin d’étude ENIT

Ces techniques sont encore, pour l’essentiel, dans un état expérimental. En effet, on

distingue deux types de technologies employées selon la température de fonctionnement:

Les générateurs conventionnels fonctionnant à températures faibles ou moyennes.

Les générateurs solaires de puissance fonctionnant à des températures élevées.

1.1. Les technologies des centrales solaires 

1.1.1. Les centrales à capteurs cylindro- paraboliques [6]

Le champ solaire d’une centrale cylindro- parabolique comporte plusieurs rangées de

capteurs d’une longueur comprise entre 20 et 150 mètres. Elles sont constituées de miroirs

incurvés en forme de parabole et permettent de concentrer la lumière solaire sur un tube

absorbeur se trouvant sur la ligne focale. Le rayonnement solaire concentré dans les tubes

absorbeurs réchauffe l’eau à des températures atteignant environ 400 °C grâce à un échangeur

de chaleur.

La plus important centrale de monde fonctionnant avec les capteurs cylindro- paraboliques a

été construite dans un désert de californie. Ses neuf unités thermiques couvrent une superficie

de 1.4 millions de m² et représentent une puissance électrique de 354 MWe. , dans cette région

ou une grande partie de l’énergie est utilisée pour la climatisation de maisons, des initiatives

privées on permis à la thermique solaire de surmonter les problèmes de développement.

Dés 1984, Arnold Goldman réussit à construire dans le désert de Mojave, à 180 km au

nord de Los Angeles, la première ferme solaire d’une puissance de 13.8 MW  appelée Segs 1

(Solar electric generating system). En 1986 suivit Segs 2, d’une puissance de 30 MW et en

1989 Segs 7, d’une puissance de 80 MW, chaque nouveau système a contribué à l’amélioration

du rendement.

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Page 10: Rapport Pfe 2008

Projet de fin d’étude ENIT

Figure 1: Centrale de désert de Mojave en Californie

1.1.2. Les centrales à capteurs paraboliques 

Dans le cas des centrales paraboliques, un réflecteur parabolique pivotant à deux axes reflète

le rayonnement solaire sur un récepteur de chaleur installé au cœur de la centrale. Ce type de

centrale enregistre des températures jusqu’à 1000 °C.

Figure 2: Capteur solaire parabolique

Pour les systèmes dits Dish- Stirling, un moteur Stirling, qui transforme directement

l’énergie thermique en travail mécanique ou en électricité, est monté en aval du récepteur de

chaleur. Il est ici possible d’atteindre des rendements dépassant 30 %. Il existe, par exemple,

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Page 11: Rapport Pfe 2008

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des installations prototypes sur la plateforme solaire d’Almería en Espagne. Ces installations

fonctionnent comme des systèmes autonomes. Elles offrent également la possibilité de relier

plusieurs installations dans un «parc» et de couvrir ainsi une demande comprise entre 10 kW et

plusieurs MW.

1.1.3. Les centrales à tour 3

Dans ce type de centrale, on utilise de nombreux miroirs qui concentrent le rayonnement

solaire sur une chaudière placée en haut d'une tour. Les miroirs ou "héliostats" sont conçus

pour tourner avec le soleil et ainsi, réfléchir les rayons du soleil sur le foyer de la chaudière. Le

rayonnement solaire doit être dirigé vers le foyer en haut de la tour avec une grande précision

afin de concentrer l'énergie thermique pour assurer des températures qui dépassent 600 °C.

Figure 3: Centrale à tour 

L'expérimentation a commencé aux États-Unis au laboratoire de SANDRIA à Albuquerque

en 1976. La centrale avec une tour de 63 mètres et 222 héliostats contrôlés par ordinateur a

permis de fournir une puissance thermique de 5 MW. Puis, en deuxième stade, les français et

les espagnols sont intéressés à faire des recherches dans ce type de centrale avec la

participation active des laboratoires allemands.

Exemples d’application :

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Page 12: Rapport Pfe 2008

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1) Le premier centrale (SOLAR 1) : construit à Barstow en Californie, était opérationnel de

1982 à 1988, c’est une centrale à eau- vapeur ,1.800 héliostats, 71500 m² de miroirs et une

puissance thermique de 10 MW. Vingt ans plus tard, après que « SOLAR 1 » ait été

transformée en centrale a sel fondu et ait fonctionné sous le nouveau nom de SOLAR 2 pendant

trois ans (1996-1999).

2) La centrale Thémis à 1650 m d'altitude: projet de recherche et développement a démarré

en 1975. La centrale a été livrée pour des essais d'exploitation en 1983 et abandonnée en

septembre 1986. Elle est remise en marche sous forme d’un nouveau projet depuis 2006 : la

moitié des héliostats ont reçu des cellules photovoltaïques.

Figure 4: Vue aérienne de SOLAR 2

1.1.4. Les centrales solaires à effet de cheminée

La surface de captage solaire est formée d'une couverture transparente tenue à une certaine

hauteur du sol, créant une serre ouverte à la périphérie mais attachée à une cheminée au centre.

L'air dans la serre est chauffé par le soleil, devient plus léger et monte vers la cheminée. Le

tirage thermique ou "effet de cheminée" induit une dépression et aspire l'air de l'extérieur à

travers la surface de captage.

La vitesse de l'air est fonction de la hauteur de la cheminée et de la différence de

température entre la partie basse et la partie haute de celle-ci. L'effet cheminé peut fonctionner

24 heures sur 24, à cause de la chaleur dans la serre due au rayonnement solaire pendant la

journée et due au rayonnement de la chaleur emmagasinée dans le sol, pendant la nuit.

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Page 13: Rapport Pfe 2008

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L'électricité est produite quand l'air montant passe à travers des turbines des générateurs à

l'entrée de la cheminée. 

Exemples d’application :

1) La cheminée solaire de Manzanares

Dimensions :

Puissance maximum = 50 kW

Hauteur de la cheminée en acier = 195 m

Diamètre de la cheminée = 5 m

Surface de la serre = 6.000 m2 de couverture en verre et 40.000 m2 de couverture

transparente en plastique.

Figure 5 : La cheminée de Manzanares

2) La centrale à tour d'EnviroMission 

L'entreprise EnviroMission Limited a une licence de construire cinq centrales à effet de

cheminée en Australie, La première devrait être construit à Mildura et mis en service en 2009

Dimensions :

Puissance maximale = 200 MW, la centrale doit fonctionner jour et nuit.

Hauteur de la cheminée en béton armé = 1000 m

Diamètre de la cheminée = 38 m

Surface de la serre = couverture d'un diamètre de 6 à 7 km, soit 3300 hectares.

3) La tour solaire de Ciudad Real

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Page 14: Rapport Pfe 2008

Projet de fin d’étude ENIT

Les travaux débuteront en 2008 pour construire une centrale solaire à effet de cheminée à

Fuente el Fresno, dans la province de Ciudad Real. La puissance générée par cette installation

devrait atteindre 40 MW et couvrir la demande en électricité de 120 000 personnes. Chaque

année, elle permettra une économie 250 000 barils de pétrole et évitera l’émission dans

l’atmosphère de 145 000 tonnes de dioxyde de carbone.

Dimensions :

Puissance maximale = 40 MW, la centrale doit fonctionner jour et nuit

Hauteur de la cheminée en béton armé = 750 m

Diamètre de la cheminée = 70 m

Surface de la serre = 650 hectares.

2. Les principes thermodynamique de la transformation thermoélectrique

Cette transformation se fait le plus souvent de manière tout à fait conventionnelle grâce à une

turbine à vapeur d’eau couplée à un alternateur

2.1. Le cycle à vapeur

Ce cycle qui est limitée en température haute à 565 °C (au-delà, des problèmes

d’incompatibilité chimique apparaissent entre la vapeur et les aciers), est néanmoins capable

d’excellents rendements. C’est certainement le transformateur thermomécanique le mieux

connu parce que le plus anciennement mis en oeuvre par l’industrie moderne.

2.2. Le cycle combiné

Le cycle combiné est constitué par une cascade des deux cycles suivants :

un cycle à gaz (cycle de Brayton) qui épuise les calories du caloporteur entre la

température maximum, supposée élevée, et une température intermédiaire compatible

avec les exigences du cycle suivant.

un cycle à vapeur apte à épuiser au mieux les calories restantes en même temps que de

recycler les pertes du cycle de tête.

Un tel cycle est capable d’atteindre des rendements dépassant les 50 % s’il dispose

d’une source de chaleur à plus de 700 °C.

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Page 15: Rapport Pfe 2008

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2.3. Le cycle Stirling 

Le principe de ce cycle est relativement simple. Le fluide principal qui produit un travail est

un gaz (air, hydrogène ou hélium) soumis à un cycle comprenant 4 phases : chauffage isochore

(à volume constant), détente isotherme (à température constante), refroidissement isochore puis

compression isotherme. On l'appelait au début moteur à air chaud. Ce cycle est le principe de

fonctionnement du Moteur Stirling : c’est un moteur à combustion externe.

La source chaude du moteur peut être alimentée par l’énergie solaire, dans ce cas on parle de

Dish stirling. Son rendement peut atteindre 40%.

2.4. Cycle de Rankine

Le fonctionnement d'une machine à vapeur peut être modélisé par un cycle de Rankine. C’est

le cycle le plus utilisé dans la plupart des stations de production électrique. En effet, Un fluide,

qui est l'eau, subit des transformations dont certaines consistent à réaliser des échanges

thermiques avec deux sources de chaleur, chaque source étant à température constante. Ces

échanges peuvent provoquer des transitions de phase liquide   vapeur.

3. Exemple de centrale électro - solaire de Borj - Cedria

Différents concepts de petites centrales de production d'électricité existent. Toutefois, pour

des raisons de durabilité, l'énergie solaire est de plus en plus considérée, spécialement dans les

pays de la ceinture solaire, ces centrales sont caractérisées par une boucle thermodynamique à

basse température basé sur le cycle de Rankine .Une boucle thermodynamique fonctionnant

suivant le cycle de Rankine utilise le fluide : R11, R113, R114, R134a, R141b, R125, NH3,

C2Cl4…comme fluide caloporteur.

Prenant l’exemple d’une boucle thermodynamique d’une centrale pilotée électro - solaire

du centre de recherche de Borj- Cedria représenté sur la figure 7, il est constituée par :

3.1. La boucle Chaude 

La boucle d’eau chaude de centrale de Borj- Cedria est composée de deux éléments

essentiels :

- Un champ des capteurs plans de 760 m2 (formé de deux boucles de captations

identiques débouchant sur une conduite principale de l’eau chauffée).

- Un réservoir de stockage d’eau de capacité de 45 m3.

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Page 16: Rapport Pfe 2008

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- Un concentrateur cylindro- parabolique.

3.2. Le réservoir de Stockage 

Le réservoir de stockage contient de l’eau chauffée à la température 96 °C par les capteurs

plans. Le groupe turbo- alternateur (GTA) utilise cette eau et la restitue à une température de

85,5 °C. Le réservoir, isolé thermiquement, a une hauteur de 8,00 m et un diamètre de 2,62

m , sa géométrie présente l’avantage de pressurer légèrement les capteurs et d’ amener la

température d’ébullition aux alentours de 115 °C. Les déperditions du réservoir sont

inférieures à 30 w/°C pour une température moyenne de l’eau de l’ordre de 95 °C.

3.3. Le groupe turbo- alternateur 

Les principaux éléments du GTA sont :

- Un évaporateur.

- Une turbine.

- Un condenseur.

- Un alternateur.

Principe de fonctionnement de la centrale de Borj- Cedria  

L’eau chaude du haut du réservoir de stockage portée à une température de 96 °C circule

jusqu’à l’évaporateur où elle fait évaporer le fluide organique (tétrachloroéthylène : C2Cl4) qui

va actionner la turbine, et retourne à une température de l’ordre de 85,5 °C dans le bas du

réservoir. La turbine a une vitesse de 9000 tr/mn liée à un générateur qui va produire presque

10 KW (figure 6).

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Page 17: Rapport Pfe 2008

Projet de fin d’étude ENIT

Figure 6 : Groupe turbo alternateur

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Fig

ure

7: P

rinc

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CR

TE

N

Page 18: Rapport Pfe 2008

Projet de fin d’étude ENIT

Chapitre :

Etude de la Boucle Thermodynamique

1. Introduction

On se contente dans ce chapitre de suivre une démarche permettant de choisir le fluide

caloporteur pour le bon fonctionnement de notre cycle thermodynamique. En effet certaines

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Page 19: Rapport Pfe 2008

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conditions doivent être respectées par ce dernier combinant des caractéristiques d’ordre

technique et des problèmes économiques de coût, de frais d’exploitation et d’entretien.

En effet pour qu’une substance puisse servir comme agent caloporteur elle doit avoir une

enthalpie massique importante et ne doit pas attaquer les matériaux constitutifs de l’installation.

En outre, il est souhaitable que sa pression d’évaporation ne soit pas très élevée afin qu’elle

soit facilement maîtrisable.

Bien d’autre considérations subsistent pour guider un choix touchant des aspects d’intérêt

général telles que l’inflammabilité, et la toxicité qui conditionnent la sécurité pour l’exploitant.

Dans ce qui suit nous présentons les principales propriétés et caractéristiques des fluides

caloporteurs ensuite nous précisons les critères déterminants pour le chois judicieux du fluide

caloporteur pour le fonctionnement de la centrale éléctro-solaire.

2. Propriétés physiques

2.1. Propriétés thermodynamiques

Les contraintes thermodynamiques pour le choix des fluides frigorigènes proviennent

essentiellement des niveaux de température d’évaporation et de condensation associés à une

application particulière. Les zones d’efficacité maximales peuvent être légèrement différentes

d’un fluide à l’autre, mais le respect de ces contraintes permet de trouver les fluides les mieux

adaptés à une application donnée. Il reste cependant plusieurs degrés de liberté ou (plusieurs

contraintes supplémentaires) selon les composants constituant un équipement. Des équipements

identiques quant à leur usage peuvent donc être développés avec des fluides différents. La

pression et la température critiques d'un fluide vont déterminer son domaine d'application,

même si ces critères ne sont pas suffisants.

2.2. Chaleur latente

On cherche des fluides qui auront une bonne efficacité, d’où des fluides qui ont une chaleur

de vaporisation élevée .Une chaleur latente de vaporisation élevée réduit le débit massique ce

qui conduit à des réductions d’encombrement et surtout à des pompes de plus faibles

puissances et des conduites de plus petits diamètres.

2.3. Viscosité

Une forte viscosité ne présente que des inconvénients tels que des pertes de charges élevées

et une transmission de chaleur moins favorable. En effet les dimensions des canalisations et

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Page 20: Rapport Pfe 2008

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l’importance des pertes de charge dépendront de la densité des vapeurs et des liquides

concurremment avec la viscosité du fluide dans ses phases soit gazeuse, soit liquide.

Des fluides des faibles viscosités sont donc désirables pour obtenir un minimum des pertes

de charge ou de faible dimensions des tubes.

Le tableau 2 donne quelques valeurs de viscosité pour certains fluides :

Tableau 1 : Valeurs des viscosités pour T [1] = 80 °C pour différents fluides.Fluide R134a R11 R113 R141b Méthanol Propane NH3

Viscosité

[kg/m.s] .10-5

14,08 29,95 34,83 28,96 30,25 10,68 12,33

3. Propriétés chimiques

Le fluide doit être stable étant soumis à des changements d’état répétés et à des

températures relativement élevées, il ne doit pas être corrosif afin de ne pas provoquer l’attaque

des matériaux constituant le système tels que les échangeurs, la turbine, la pompe.

3.1. Comportement vis -à –vis des huiles de graissage

Le comportement des fluides vis -à –vis des huiles de graissages mérite une attention

particulière. Deux situations différentes peuvent se présenter selon qu’il y ait ou pas miscibilité.

Un défaut complet de miscibilité n’existe pratiquement pas. Cependant le fréon R134a est très

miscibles aux huiles et en conséquence ne modifie pratiquement pas leurs propriétés

fondamentales.

3.2. Comportement vis-à-vis de l’humidité

L’humidité est l’impureté principale qui est directement ou indirectement responsable des

troubles de fonctionnement dépendant. Cette humidité peut pénétrer dans le circuit avec l’huile

et le fluide insuffisamment secs, elle peut aussi être introduite avec l’air humide après

démontage.

4. Choix de fluide de travail 

De nombreuses expériences de laboratoire ont confirmé des constatation faites en 1972-

1974 sur la diminution de l’épaisseur de la couche d’ozone protégeant la terre des rayonnement

ultraviolets, dangereux pour notre environnement et qui implique les CFC

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Page 21: Rapport Pfe 2008

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(chlorofluorocarbone). Ces derniers sont des fluides totalement halogènes, c’est- à dire que tous

les atomes d’hydrogène sont remplacés par des atomes de chlores de fluor et de brome.

Ces mêmes expériences de laboratoire ont également montré que si la molécule de ces

composés chlorés et fluorés contenait des atomes d’hydrogène (HCFC1) elle serait plus

facilement hydrolysable donc beaucoup moins nocive pour la couche d’ozone.

Les HCFC sont des fluides contenant au moins un atome d’hydrogène et un atome de

chlore. Ils sont moins agressifs que le CFC et leur utilisation est encore tolérée pour encore

quelques années.

C’est pourquoi des tableaux de ces fluides ont été adjoints à ceux des fluides halogènes

actuellement utilisés précisant leurs domaines d’utilisation. Parmi ces fluides on note les HFC

qui ne contiennent plus aucun atome de chlore et par conséquent n’ont aucune influence sur la

couche d’ozone. Dans l’avenir les nouveaux fluides doivent appartenir à cette catégorie.

En se basant sur ce qui précède, notre choix s’est fixé sur des fluides caloporteurs

appartenant au catégorie HFC, HCFC. Pour notre application ou on a limité la température de

l’eau chaude à 90 °C pour chauffer le fréon qui servira à la fonctionnement de la turbine. Pour

la condensation nous sommes limités par la température de source froide constituée par un puit.

Les conditions qui sont déterminées par le cahier de charges de notre projet nous amènent a

travailler avec un fluide caloporteur qui peut atteindre une température de 82 °C après

vaporisation et une pression inférieur a 25bars.

Les caractéristiques suivantes nous amènent à choisir un fluide qui permet de vérifier les

contraintes de température et de pression pour le bon fonctionnement de notre boucle

thermodynamique et surtout le fonctionnement de la TURBINE SCROLL de faible puissance

[4 kW].

Donc le fluide caloporteur choisi est le R134a qui est un fluide HFC. (Voir annexe courbe

R134a)

Tableau 2 : Caractéristiques du R134aNom chimique Tétrafluoroéthane

Formule chimique CF3CFH2

Température critique 101,1 °C

Pression critique 40,65 bars

Température d’ébullition (1bar) -25 °C

Viscosité (à 25 °C) 12,15.10-6 kg/m.s

Chaleur la tente de vaporisation (1bar) 215,5 kJ/kg

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Le diagramme thermodynamique de R134a représenté sur la figure suivante est caractérisé par :

Température critique.

Pression critique.

Zone liquide, zone vapeur, zone liquide vapeur.

Figure 7 : Diagramme thermodynamique (P- h)

5. Boucle thermodynamique

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Pré

-ch

au

ffeu

r

Turbine

Condenseur

Pompe de circulation de fréon

Evaporateur

12

3

4

Cycle Rankine (ENIT 2007/2008)

G

P5= 6,6 [bar]5

su

rch

au

ffe

ur

Pompe de circulation d'eau

Pompe de circulation d'eau

P3= 23 [bar]

T3= 75 [C]

PompeT5

T1T2

T4

T3

Te_eau

Ts_ eau

Tr_ eau

T6

T7

Eau chaude Fréon R134a

Boucle 2

Boucle 1

Pompe d’eau froide pour condensation

P5=5

4

1

Page 23: Rapport Pfe 2008

Projet de fin d’étude ENIT

Figure 8 : Boucle thermodynamique

6. Cycle thermodynamique (T-S)

Les données de notre cycle sont :P3 = 23 bars, P5 = 5 bars, température de surchauffe T4 = 82 °C.

Figure 9 : Cycle thermodynamique

Notre système de production d’électricité est modélisé par deux boucles, la première boucle

est celle de l’eau chaude qui est constitué par le champ de capteurs plans, le réservoir, les

pompes de circulation d’eau. La deuxième boucle est basée sur la transformation de deuxième

fluide (R134a) pour faire fonctionner la turbine et il elle est composée par : un évaporateur, un

pré- chauffeur, un condenseur, une turbine et une pompe de circulation pour le fréon.

6.1. Cycle de Rankine 

Le fonctionnement d'une machine à vapeur peut être modélisé par un cycle de Rankine. Le

fréon subit des transformations dont certaines consiste à réaliser des échanges thermiques avec

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deux sources de chaleur, chaque source étant à température constante. Ces échanges peuvent

provoquer des transitions de phase liquide - vapeur.

Le cycle thermodynamique (figure 10) est défini par :

1 – 2 : pompage adiabatique et réversible dans la pompe, à partir d’un état de liquide saturé 1

2 – 3 : préchauffage du fluide à une pression constante.

3 - 4 : évaporation et surchauffe du fréon (isobare).

4 – 5 : détente adiabatique et réversible dans la turbine (ou dans une machine volumétrique à

vapeur).

5 – 1 : échange de chaleur isobare dans le condenseur

On définit les caractéristiques suivantes pour le calcul de rendement thermique :

La quantité de chaleur rajouté par (évaporateur + pré- chauffeur) : qc = h4 - h2

La travail de la turbine : WT = h4 - h5s

La quantité de chaleur dégagé par le condenseur : qf = h5 - h1

La travail de la pompe : WP = h2 - h1 = vf.ΔP

Le rendement thermique de l’installation est défini par la formule suivante  :

ηth =

On pose que la détente et le pompage sont isentropiques, alors pour calculer la valeur de

l’enthalpie h5 à la sortie de la turbine.

On a : s4 = s5 et WP = vf.ΔP.

Alors le rendement thermique de cycle Rankine :

Pour déterminer le rendement du cycle de Rankine oŭ la vapeur surchauffé de R134a a

quitté l’évaporateur à l’état vapeur surchauffé à (23 bars), elle est condensée à (5 bars) après la

détente dans la turbine.

Donc d’après le diagramme et le tableau des caractéristiques du R134a à l’état saturé on a :

L’entropie après surchauffe : s4 = 1.6873 kJ/kg.K à T4 = 82 °C et P4 = 23 bars.

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L’enthalpie après surchauffe : h4 = 448 kJ/kg à T4 = 82 °C et P4 = 23 bars.

L’enthalpie après condensation : h1 = 234 kJ/kg à T1 = 25 °C et P1 = 5 bars.

Titre de vapeur : x5 = 90%, h5s = hf + x5 × hfg

h5s = 234 + 0.90 × 170 = 387 kJ/kg.

Travail de la turbine: WT = h4 - h5s = 448 – 387 = 61 kJ/kg.

Travail de la pompe : WP = h2 - h1 = vf.ΔP = 0.0008 × (23 - 5) = 0.0135 kJ/kg.

Donc : h2 = h1+ WP = 234 + 0.0135 = 234,0135 kJ/kg.

La quantité de chaleur rajouté : qc = h4 - h3 = 448 - 234 = 214 kJ/kg.

Le rendement thermique : ηth = 25 %

Calcul de débit   massique Q mR134a  :

L’expression de la puissance mécanique : Pa = QmR134a × Δh × ηméc

On a la puissance mécanique Pa = 4 kw = 4000w

Posant un rendement mécanique : ηméc = 0.95

Δh : la différence d’enthalpie Δh = h4 – h5

D’après le tableau des caractéristiques du R134a on a les valeurs suivantes :

Point 4 à la sortie de l’évaporateur : h (T=82°C) = 448 Kj/Kg

Point 5 à la sortie de la turbine : h (T=25°C) = 410 Kj/Kg

Donc le débit :

AN: Kg/h

Le débit massique de fréon R134a nécessaire pour le fonctionnement de la turbine = 0.145 Kg/s

Le bilan enthalpique de l’évaporateur  :

Le bilan enthalpique de l’évaporateur est défini par cette équation qui permet de calculer la

température de sortie de l’évaporateur T s-eau.

T e-eau : température d’entré d’eau chaude dans l’évaporateur: T e-eau  = 90 °C. Débit de l’eau glycolée : Q meau = 0.5 kg/s.

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AN   :

T s-eau = 79.39 °C

Le bilan enthalpique du pré- chauffeur  :

Le bilan enthalpique du pré- chauffeur est défini par cette équation qui permet de calculer la

température de sortie du pré- chauffeur T r-eau.

T s_eau : température d’entré d’eau chaude dans le pré- chauffeur: T s_eau  = 79.39 °C. Débit de l’eau glycolée : Q meau = 0.5 kg/s.

AN:

T r-eau = 73.25 °C

6.2. Calcul des échangeurs thermiques [3]

Dans ce chapitre on s’intéresse aux calculs des échangeurs de chaleurs (évaporateur,

condenseur et pré- chauffeur). Le premier assure la transmission de la quantité de chaleur

extraite de l’eau chaude au fluide caloporteur (évaporation + surchauffe). Le deuxième assure

la condensation du fréon à une pression et température constante. Finalement le pré- chauffeur

assure l’augmentation de l’enthalpie du fréon à une pression constante.

Les hypothèses de calcul

Pour le calcul des échangeurs thermiques, on adopte les hypothèses suivantes :

Le régime de fonctionnement est permanent.

Les caractéristiques physiques des fluides et des matériaux sont constantes tout au long

de l’échangeur.

Les sections de passages sont constantes.

Les vitesses d’écoulement sont faibles et les liquides sont supposés incompressibles.

Les pertes thermiques sont nulles.

La vitesse de chaque fluide est constante.

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Les coefficients d’échanges locaux sont constants donc aussi les coefficients

d’échanges globaux.

6.2.1. Calcul du condenseur

Généralité  

Un condensateur est un échangeur de chaleur dans lequel deux fluides sont mis en contact

direct ou indirect à dans le but de liquéfier l’un d’eux (vapeur) en lui retirant sa chaleur de

vaporisation qu’absorberait l’autre fluide en se réchauffant.

La charge de l’échangeur et proportionnelle à la surface d’échange, au coefficient de

transfert global et à la moyenne du potentiel de transfert (différence de température entre le

fluide chaud et le fluide froid).

Dans la pratique, les échangeurs industriels seront calculés par une approche similaire. La

moyenne logarithmique de la différence de température sera corrigée pour tenir compte de

l’altération à du nombre de passes et de l’écoulement imparfait sur l’hypothèse de l’échangeur

de chaleur contre-courant.

La résistance au transfert correspond à la somme de quatre résistances au transfert de

chaleur :

1. la résistance dans le film du fluide chaud qui sera calculé par le coefficient de transfert

hc.

2. la résistance due à la conduction de chaleur à travers la paroi. Cette résistances est

calculé par , (e : l’épaisseur de la paroi, λ : la conductivité du matériaux).

3. la résistance au transfert du coté fluide froid qui sera représentée par le coefficient de

transfert hf.

4. la résistance due à l’encrassement.

Le flux de chaleurs transféré entre le fluide chaud et le fluide froid est donné par :

Ф = K× S × ΔTml

Ф : le flux [w].

K : Coefficient global d'échanges thermiques [kW/m2 · °C] S : Surface d’échange [m2].

ΔTml : Moyenne logarithmique [°C].

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Le moyenne logarithmique est donnée par ΔTml  =

Le bilan enthalpique de condenseur  

Le bilan enthalpique de condenseur est défini par cette équation qui permet de calculer la

température de sortie T7.

o T6 : température d’entrée de l’eau dans le condenseur, on fixe : T6 = 16 °C

o T7 : température de sortie de l’eau.

D’après le technique de l’ingénieur la vitesse d’eau dans les tubes 1,5 m/s ≤ v ≤ 2,5 m/s

v = 2 m/s

Le diamètre intérieur des tubes Di = 19,89 mm. (Annexe [4]).

Le débit d’eau de refroidissement de condenseur : Q meau = v × ρ × A

AN: Q meau = 2 × 1000 × π × = 0.65 kg/s

Donc la température de sortie de condenseur :

AN   :

T 7= 24 °C

Calcul de la puissance du condenseur

La puissance de condenseur : Φ = Q m eau × Cp × ΔT

AN   : Φ = 0.65 × 4.18 × (24-16) = 21.74 kW.

Dans la pratique, on a coutume de calculer les condenseurs suivant les formules simples

données par le Heat Exchange Institute (HEI). Ces formules donnent le coefficient de

transmission thermique globale K (kW/ (m2 · °C)).

K = K0. Cm .Ct. Cs. Avec :

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Cm : coefficient de correction fonction de l’épaisseur et de la matière des tubes

(Annexe: [4]).

Cs : coefficient de salissure, variable et dépendant principalement de la nature de l’eau

de réfrigération, Cs peut aller de 0,5 à 1 (pas de salissure dans le cas d’un nettoyage

continu).

Ct : coefficient de correction de température d’entrée d’eau Te-eau (Annexe: [4]).

K0 : coefficient de base fonction du diamètre extérieur des tubes . (Annexe: [4]).

v (m/s) : vitesse de l’eau dans les tubes.

On a d’après le technique de l’ingénieur des valeurs standard de dimensions de condenseur.

Le diamètre extérieur et l’épaisseur des tubes : Di = 19,89 mm, e = 2mm

La nature de matériau des tubes : cuivre

la vitesse de l’eau dans les tubes : v = 2 m/s.

Donc on a :

K0 = 2360 [kcal/h.m2· °C].

Cm = 1,015.

Ct = 0,98.

Cs = 1 (dans le cas de nettoyage continu).

K = 3319.85 [kcal/h.m2· °C].

K = 3, 86 kW/m2 · °C

Calcul de la Moyenne logarithmique ΔTml  

La moyenne logarithmique : ΔTml =

Avec :

La température de saturation est celle la température de fréon après détente : T sat = 25 °C

AN   :

ΔTml = ΔTml = 3,64 °C

Calcul de la surface d’échange

La puissance de condenseur : Ф = K × S × ΔTml

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Donc la surface d’échange de condenseur : S =

AN : S = = 2 m2.

6.2.2. Calcul de l’évaporateur

La puissance de l’évaporateur : Ф = QmR134a × Δh

Avec : Δh = h4 - h3 = 141 kj/kg,

Le débit de fréon R134a : QmR134a = 0.145 kg/s Alors la puissance de l’évaporateur : Φ = 20.45 KW

Calcul de coefficient d’échange global

Le coefficient d’échange global : rec + ref

Avec : hc : convection coté eau.

hf : convection coté fluide R134a.

e : épaisseur, e = 2 mm

λ : conductivité thermique des tubes en cuivres, λ = 380 W.m-1.k-1.

Résistance thermique d’encrassement pour l’eau : rec = 2 ×10-4 m2.K.W-1.

Résistance thermique d’encrassement de fluide frigorigène : ref = 2 ×10-4 m2.K.W-1.

Les caractéristiques du fréon R134a seront prises à la température moyenne :

T moy =   ; T moy =  = 78.5 °C

Calcul de coefficient d’échange interne dans les tubes  

hf =

Avec :

Nombre de Reynolds : Re =

Nombre de Prandtl : Pr =

On a d’ après EES les valeurs suivantes de fréon R134a pour une température

T moy = 78.5 °C et une pression P = 23 bars. (Annexe [2])

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Projet de fin d’étude ENIT

La densité de fréon : ρ  = 127,1 [kg/m3]

La viscosité de fréon : μ = 155,8.10-7 [kg/m.s]

La chaleur massique : Cp = 1632 [J/kg. K]

La conductivité de fréon : λ = 0,02058 [W/m. K]

On calcul la vitesse d’écoulement : v = v = 3,63 m/s

Pr = Pr = 1,23

Re = Re = 593.103

L’écoulement est turbulent puisque le nombre de Reynolds : Re = 593.103 >> 5000

Alors : Nu = 0.023 × Re0.8 × Pr1/3

Donc :

hf = hf = 1052.6 W/(m2.K)

Calcul du coefficient d’échange externe aux tubes

Les caractéristiques du l’eau glycolée seront prises à la température moyenne :

T moy =   T moy =  = 84.7 °C

Avec : On a d’ après EES les valeurs suivantes de l’eau pour une température T moy = 84.7 °C.

La densité d’eau glycolée : ρ = 1040 [kg/m3]

La viscosité d’eau glycolée : μ = 33,48.10-5 [kg/m.s]

La chaleur massique d’eau glycolée : Cp = 4200 [J/kg. K]

La conductivité d’eau glycolée : λ = 67,28.10-2 [W/m. K]

D ex = 24 mm

Calculons la vitesse d’écoulement : v = v = 2 m/s

Nombre de Prandtl : Pr = Pr = 2.09

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Page 32: Rapport Pfe 2008

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Nombre de Reynolds : Re = Re = 136,7.103

L’écoulement de l’eau qui est perpendiculaire aux tubes donc :

Nu = 0.33 × Re0.66 × Pr1/3 Nu = 1032

hc = hc = 31560 W/(m2.K)

Le coefficient d’échange global : rec + ref

AN   : K = 722 W/ (m2.K)

Calcul de la moyenne logarithmique ΔTml  

La moyenne logarithmique :

AN   :

Calcul de la surface d’échange  

La surface d’échange de l’évaporateur : S =

AN   : S = = 4.6 m2

6.2.3. Calcul du pré - chauffeur

La puissance du pré- chauffeur : Ф = QmR134a × Δh

Avec : Δh = h3 - h2 = 141 kj/kg,

Le débit de fréon R134a :QmR134a = 0.145 kg/s Alors la puissance du pré- chauffeur: Φ = 11.31 KW

Calcul de coefficient d’échange global

rec + ref

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Page 33: Rapport Pfe 2008

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Avec : hc : convection coté eau.

hf : convection coté fluide R134a.

épaisseur e = 2 mm ; Di = 20 mm ; Dex = 24 mm.

λ : conductivité thermique des tubes en cuivres, λ = 380 W.m-1.k-1.

Résistance thermique d’encrassement pour l’eau : r ec = 2 × 10-4 m2.K.W-1.

Résistance thermique d’encrassement de fluide frigorigène : r ef = 2 × 10-4 m2.K.W-1

Les caractéristiques du fréon R134a seront prises à la température moyenne :

T moy =   ; T moy =  = 50 °C

Calcul de coefficient d’échange interne dans les tubes  

hf =

Avec :

Nombre de Reynolds : Re =

Nombre de Prandtl : Pr =

On a d’ après EES les valeurs suivantes de fréon R134a pour une température T moy = 50 °C

Et une pression P =23 bars. (Annexe [2])

La densité de fréon R134a : ρ = 1103 [kg/m3]

La viscosité de fréon R134a : μ = 185,2.10-6 [kg/m.s]

La chaleur massique : Cp = 1512 [J/kg. K]

La conductivité de fréon : λ = 0,0766 [W/m. K]

Calculons la vitesse d’écoulement : v = = 1,32 m/s

Donc le coefficient d’échange interne aux tubes est :

Nombre de Prandtl : Pr = Pr = 3,66

Nombre de Reynolds : Re = Re ≈ 157400

On a un écoulement turbulent : Re = 157400 >> 5000

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Page 34: Rapport Pfe 2008

Projet de fin d’étude ENIT

Dou alors le nombre de Nusselt : Nu = 0.023 × Re0.8 × Pr1/3

Donc le coefficient de convection coté fréon hf :

hf = hf = 1943 W/(m2.K)

Calcul du coefficient d’échange externe aux tubes

T moy =  = 76.3 °C

D’ après EES les valeurs suivantes de l’eau glycolée pour une température T moy = 76.3 °C.

La densité de l’eau glycolée : ρ = 1040 [kg/m3]

La viscosité de l’eau glycolée : μ = 37.16.10-5 [kg/m.s]

La chaleur massique de l’eau glycolée : Cp = 4194 [J/kg. K]

La conductivité de l’eau glycolée  λ = 66,78.10-2 [W/m. °K]

La vitesse d’écoulement : v = = 1,53 m/s

Nombre de Prandtl : Pr = Pr = 2,33

Nombre de Reynolds : Re = Re = 94205

L’écoulement de l’eau qui est perpendiculaire aux tubes donc :

Nu = 0.33 × Re0.66 × Pr1/3 Nu = 837

hc = hc = 25407 W/ (m2.K)

Le coefficient d’échange global : rec + ref

AN   : 2 × 10-4 +2 ×10-4 K = 570 W/ (m2.K)

Calcul de la moyenne logarithmique ΔTml  

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Page 35: Rapport Pfe 2008

Projet de fin d’étude ENIT

AN: 18.25 °C

Calcul de la surface d’échange  

La surface d’échange nécessaire pour le pré- chauffeur : S =

AN   : S = = 3,33 m2

6.3. Simulation de la boucle thermodynamique

Le but de cette partie est d’étudier l’influence des caractéristiques d’entrées de notre cycle sur

le rendement thermique et d’interpréter les résultats de la simulation.

Le cycle thermodynamique est constitué par :

Un évaporateur

Un pré- chauffeur

Un condenseur

Une turbine

Une pompe de circulations de fréon.

La simulation que nous allons entreprendre a pour but d’effectuer une étude paramétrique

sur les données suivantes et d’étudier leur incidence sur le rendement de la boucle

thermodynamique.

La pression P3 (P3 = P2 = P4).

La température d’entrée a la turbine T4.

La pression de condensation P5.

Les rendements de la turbine et de la pompe.

La simulation sera effectuée sous l’environnement de programmation EES qui a

l’avantage de vérifier l’influence de certaines données sur notre rendement thermique.

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Page 36: Rapport Pfe 2008

Projet de fin d’étude ENIT

6.3.1. Présentation de EES

La programmation de notre cycle est faite sur le logiciel de simulation EES.

La première étape consiste à choisir les unités de notre système (voir figure 11).

Figure 10 : Fenêtre d’unité de système

A l’aide de EES on peut faire la simulation de notre boucle, mais il faut en premier lieu

faire la programmation en faisant intervenir les équations nécessaires et les relations qui

caractérisent chaque grandeur thermodynamique (Ti, Pi, hi, si…) (voir figure 5).

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Page 37: Rapport Pfe 2008

Projet de fin d’étude ENIT

Figure 11 : Fenêtre des fonctions de programmation

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Page 38: Rapport Pfe 2008

Projet de fin d’étude ENIT

Il faut vérifier que notre programme admet une solution et qu’il n’y a pas des erreurs de

syntaxes voir (figure 13).

Figure 12 : Fenêtre de compilation

Après la vérification qu’il ni y a pas des erreurs de syntaxe et que le nombres d’équations

et le nombres d’inconnus sont égaux, il faut simuler notre programme (Annexe [3]).

Figure 13 : Fenêtre de calcule

Sur le schéma de notre boucle thermodynamique figure 15, notre étude consiste à étudier

l’influence des paramètres d’entrées et de sorties sue de rendement thermique.

En choisie le rendement de la turbine et de la pompe.

η Turbine = 0,92 (turbine Scroll). η Pompe = 0,85.

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Page 39: Rapport Pfe 2008

Projet de fin d’étude ENIT

Turbine

Condenseur

Pompe de circulation de fréon

Evaporateur

12

3

4

Rendement thermique de cycle :

Cycle Rankine (ENIT 2007/2008)

G

p= 0,85

P5= 5 [bar]

t= 0,92

5p

réc

ha

uff

eu

r

Pompe de circulation d'eau

Pompe de circulation d'eau

T3= 75 [C]

Ts5= 25 [C]

T4= 82 [C]

P3= 23 [bar]

thèrmique=0,2511

h4=451,7 [kJ/kg]

Figure 14 : Boucle thermodynamique

6.3.2. Influence des caractéristiques de la vapeur 

On considère séparément l’influence de la pression au condenseur P5, de la température de

surchauffe T4 et de la pression P3. Ces paramètres sont indépendants, on étudie l’influence de

chaque paramètre, les deux autres étant constants.

Influence de la pression de condensation P5 :

Si on diminue la pression de condensation alors le rendement de cycle s’améliore. En effet,

la chute d’enthalpie ou travail de la turbine augmente et la chaleur fournie par l’évaporateur

augmente également (voir figure 16).

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Circulation du fréon

Page 40: Rapport Pfe 2008

5 bars

Projet de fin d’étude ENIT

Figure 15 : Influence de la pression P5

La pression P5 est limitée par la température de l’eau de refroidissement du condenseur qui

doit rester supérieure à la température de condensation T5, généralement la pression de P5 est

limitée à 5 bars (P5 = 5 bars la température de fréon R134a T5 = 25 °C).

Le deuxième paramètre qui entre en jeux c’est la pression P3 à la sortie de l’évaporateur

qui a une grande influence sur les paramètres du cycle donc en doit étudier l’effet de cette

pression P3.

Influence de la pression P3 :

On fixe la température de surchauffe T4 ainsi la pression P5 et on augmente la pression initiale

P3. La chaleur totale fournie par l’évaporateur diminue d’une façon continue pour des

pressions de vapeurs initiales croissantes (voir figure 17).

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5 bars

Page 41: Rapport Pfe 2008

Projet de fin d’étude ENIT

Figure 16 : Influence de P3 sur le rendement thermique du cycle et le travail de turbine

La valeur de la pression P3 est limité par la pression critique de fréon, pour le R134a la

pression critique P critique = 40 ,65 bars.

Il est très important de mettre en évidence les caractéristiques de notre turbine Scroll

surtout la pression d’entrée maximale.

Donc la pression P3 est limitée par la pression maximale de la turbine : P3 ≤ 25 bars.

De même une grande pression P3 nous ramenons à l’utilisation des pompes de circulation

de fréon très puissantes et une installation (échangeurs, conduites…) très coûteux.

Influence de la température de surchauffe T4 :

En utilisant le diagramme enthalpique de R134a, et si on fait varier la température de

surchauffe T4 en gardant P3 et P5 constant, on constate que pour des températures croissantes,

la travail de la turbine et le rendement du cycle augmente (voir figure 18).

Exemple : La température de surchauffe varie de [76 °C à 90 °C].

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P3 = 25bars

Zon

e in

terd

ite

Page 42: Rapport Pfe 2008

Projet de fin d’étude ENIT

Figure 17 : Influence de la température de surchauffe T4

La température de surchauffe ne doit pas dépasser la température critique de fréon 134a

T critique = 101 °C, pour notre cas la température de surchauffe ne dépasse pas la température

de la source chaud T e_eau = 90 °C.

La turbine utilisée est d’après le constructeur a un intervalle de température d’entrées

bien déterminer entre (80 °C à 250 °C) donc il faut tient compte de cette température.

L’existence d’une zone interdite pour une température T4 ≤ 80 °C à une grande influence

sur la fonctionnement de notre boucle durant la période ou le rayonnement solaire est faible

c'est-à-dire une température d’eau chaud T e_eau est très inférieur.

6.3.3. Simulation de la boucle thermodynamique avec différents fluides 

Pour cette partie, la boucle thermodynamique est la même sauf les variables d’entrées et de

sorties qui changent d’un fluide à un autre :

La pression de l’évaporation P3.

La pression de condensation P5.

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Zon

e in

terd

ite

Page 43: Rapport Pfe 2008

Projet de fin d’étude ENIT

Tableau 3 : Etude de boucle thermodynamique avec différents fluides [1]

Fluide caloporteur R11 R141b R123

T4 (°C) 82 82 82

P3 (bars) 5 4 4,5

P5 (bars)1

(24 °C)1

(25 °C)1

(28 °C)

η th 0,22 0,25 0,23

Après une simulation de notre boucle thermodynamique on constate que le rendement

thermique de ce type de centrale est faible.

Finalement, la conclusion tirée de cette simulation c’est que il faut être optimum pour le

choix des paramètres d’entrées et de sorties et surtout la pression P3 et la pression P5, de

même il faut avoir une température d’entrée de l’eau glycolée dans l’évaporateur stable et

très importante T e-eau ≥ 90 °C, c'est-à-dire un capteur solaire plan a une conception bien

déterminer pour avoir le bon fonctionnement de notre boucle thermodynamique.

6.4 Simulation sur TRANSYS

Notre configuration représenté sur la figure suivante et constituer par :

- Un champ de capteur

- Des régulateurs

- Un échangeur.

- Une turbine

- Un stockeur son rôle est de stocker l’énergie nécessaire pour fonctionner la turbine pendant

les heures obscures.

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Page 44: Rapport Pfe 2008

Projet de fin d’étude ENIT

Pour une surface de champ du capteur S =50 m2, on prélève les deux courbes suivantes qui

représentent la variation de l’énergie pendant 1an.

Avec : QUTIL : c’est la quantité de la chaleur que doit l’échangeur transférer Q cap : c’est la quantité de la chaleur du capteur.

Figure 18 : Variation de l’énergie pour une surface de champ de capteur de 50 m2

A partir de ce graphe, nous vérifions bien l’importance des saisons chaudes. En

effet, les énergies sont maximales dans ces mois, on constate en plus que les pics de

différentes énergies se trouvent dans le mois de Juillet.

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0

100000

200000

300000

400000

500000

600000

0 2 4 6 8 10 12 14Temps (mois)

Q( kj)

Qcap=f(Temps)

QUTIL= f(temps)

Tur

bine

Sto

ckeu

r

Page 45: Rapport Pfe 2008

Projet de fin d’étude ENIT

QUTIL= f (temps)

-100000

0

100000

200000

300000

400000

500000

600000

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000

temps (hr)

QUTIL (KJ)

QUTIL= f (temps)

Figure 19 : Variation de QUTIL en fonction temps (hr)Qcap=f(temps)

-100000

0

100000

200000

300000

400000

500000

600000

700000

800000

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000

temps (hr)

Qcap(kj)

Figure 20 : Variation de Q cap en fonction temps (hr)

L’énergie QUTIL et Q cap atteint des valeurs maximales pendant les mois les plus chauds

(juin, juillet, août).

Effet de variation de la surface du capteur 

Pour voir l’effet de variation de la surface du capteur sur les différentes grandeurs

thermiques, nous avons varié la surface ainsi que le débit associé de 20 m² à 220 m².

Dans le tableau suivant, nous présenterons les résultats des simulations :

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Page 46: Rapport Pfe 2008

Projet de fin d’étude ENIT

Tableau 4 : Influence de la surface de champs de capteur sur Q util et Q cap

SURFACE m2 Q cap Q util

20 29078076,2 19832111,8

40 52928862,3 41536141,5

50 63432468 46498230

70 83009285,1 51906807,8

90 100962434 54679500,7

100 110875478 55324892,5

120 125075060 56826101,6

140 139434233 57684586,3

160 152544622 58302519,7

180 165458020 58884380,6

200 172100000 59277894

220 177900000 60356487

Figure 21 : Influence de la surface de champs de capteur sur Q util et Q cap

D’autre part, on remarque que la variation de l’énergie utile en fonction du temps

présente trois phases:Département Génie Mécanique 2007/2008

influence de la surface de champs de capteur

0

20000000

40000000

60000000

80000000

100000000

120000000

140000000

160000000

180000000

200000000

0 50 100 150 200 250Surface (m²)

Q( KJ)

Qcap=f(surface)

Qutil=f(surface)

Page 47: Rapport Pfe 2008

Projet de fin d’étude ENIT

Phase de croissance exponentielle: pour des surfaces inférieures 90 m².

Phase de croissance légère : entre 90 m² et 160 m²

Phase de stabilité : au delà de 160 m², la croissance de l’énergie utile devient très lente, et elle converge vers une valeur constante.

On présente dans les figure ci-dessous, une portion de la courbe de variation des

températures dans le système : T sortie du capteur, T ambiante, les températures du réservoir

pour une surface de champ de capteur de 20 m2 à 220 m2.

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40 m2

90 m2

Page 48: Rapport Pfe 2008

Projet de fin d’étude ENIT

Figures 22 : Influence de la surface des capteurs sur les températures

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220 m2

Page 49: Rapport Pfe 2008

Projet de fin d’étude ENIT

En effet, l’augmentation de la surface entraîne une augmentation de température de

capteur Tcap. Pour une surface de S = 50m2 T cap = 115 °C c’est une température idéale pour

le fonctionnement de notre boucle.

Pour une surface S = 220m2 la température T cap dépasse 200 °C à une conséquence sur

notre boucle thermodynamique et surtout sur le champ du capteur au niveau de température

de stagnation de capteur solaire (T stagnation ≈ 200 °C).

7. Technologie

La technologie ENEFCOGEN [²] consiste en l'utilisation des turbines volumétriques à

spirales «Turbine Scroll» au sein d'un mini système ORC «Organic Rankine Cycle»,

pouvant fonctionner à partir de sources thermiques à basse température (entre 80°C et 250°C).

Très répandus sur le marché, les unités compresseurs Scroll sont reconnus pour leur

rendement et leur robustesse, et ceci pour des applications diverses telles que la ventilation

ou la réfrigération. Eneftech développe l'approche et l'expertise permettant l’utilisation de ces

compresseurs Scrolls en turbines pour la génération d'électricité.

Conditions d'utilisation:

Température d'entrée maximale: 250 °C.

Pression d'entrée maximale : 25 bars.

Pression d'entrée minimal : 5 bars.

Vitesse de rotation : 300 - 6000 t/min.

Puissance électrique maximale : 5000 W.

7.1. Turbines Scroll

Les turbines Scroll de Eneftech [²] sont des unités converties à partir de compresseurs en

spirale (ou type scroll) bien connues sur le marché de par leur efficacité et robustesse.

Les unités compresseurs Scroll sont très répandues et de nombreuses entreprises les

fabriquent. Leur constitution est simple avec peu d'éléments, ce qui garantit un coût faible et

une grande qualité. De plus, la machine Scroll produit de très faibles vibrations mécaniques

(bruits faibles) et possède un processus de détente quasi-continu avec un excellent rendement

volumétrique.

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Page 50: Rapport Pfe 2008

Projet de fin d’étude ENIT

7.2. Organes de la turbine Scroll

La figure (25) montre les éléments constituant l'unité hermétique de la turbine scroll. Soit

une chambre d'expansion volumétrique délimitée par deux volutes d’un scroll fixe supérieur

et d’un scroll mobile inférieur, l’ensemble est positionné avec un déphasage de 180º de

manière à former une série successive de sous chambres d’expansion séparées. Le scroll

mobile est monté sur un arbre moteur comportant un système de paliers excentriques et un

accouplement particulier (bague de Oldham) permettant de réaliser un mouvement orbital par

rapport au scroll fixe, et ceci par un simple mouvement de rotation de l'arbre.

Le mouvement orbital du scroll mobile entraîne une augmentation du volume de ces

chambres qui se déplacent du centre vers la périphérie. Ainsi durant l'expansion, du gaz

réfrigérant haute pression est introduit au centre de l'unité en formant une poche centrale de

gaz (figure (24), position 1).

Ce gaz, évoluant progressivement vers la périphérie (position 1 à 8), atteint sa pression de

décharge et s'échappe au niveau des flancs périphériques (figure (24).

Un alternateur électrique de type asynchrone est couplé à l'arbre moteur et l'ensemble est isolé

de l'atmosphère par une enveloppe formant ainsi l'unité hermétique.

Figure 23 : Mouvement orbital du scroll

Figure 24 : Turbine Scroll

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Page 51: Rapport Pfe 2008

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7.3. Évaporateurs à tubes horizontaux [3]

Ces appareils sont généralement utilisés comme refroidisseurs de liquide (eau, eau

glycolée, etc.). Le liquide à évaporer qui circule dans les tubes est un fluide frigorigène (R22,

R134a, NH3, etc.), alors que le fluide à refroidir circule à l’extérieur des tubes.

L’évaporateurs multi passes à tubes et calandre : contrairement à ceux à tubes verticaux, il

présente généralement plusieurs passes sur le fluide frigorigène. Ces passes (2 à 6 suivant la

conception retenue) présentent souvent des tailles inégales. Ainsi les passes admettent souvent

un nombre croissant de tubes au fur et à mesure que le titre de vapeur augmente. Pour éviter

les hétérogénéités de distribution de l’écoulement diphasique du fluide frigorigène entre

tubes, les évaporateurs sont équipés de dispositifs distributeurs dans la boîte d’entrée et

parfois dans les boîtes intermédiaires. Pour obtenir une conception plus compacte des

échangeurs, on les équipe de tubes spéciaux qui améliorent le coefficient d’échange côté

fluide frigorigène et éventuellement côté externe (voir figure 26).

Figure 25 : Evaporateur à tube horizontal

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7.4. Choix des pompes de circulation du fréon

Pour les pompes de circulations, ils sont des pompes spéciales non pas des pompes

centrifuges, c’est sont des pompes à membranes (Annexe [6]).

Les pompes à membranes s’adaptent facilement à notre application car elles sont

dotées d’un amorçage automatique et fonctionnent à des débits variables contrôlés par la

pression d’air ou par la pression de refoulement du fluide. Elles supportent des matériaux

abrasifs. Elles peuvent également fonctionner à sec sans endommager la pompe.

Les pompes à membranes offrent :

Une bonne étanchéité.

Permet de garantir un rendement énergétique optimal tout en évitant les fuites.

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Page 53: Rapport Pfe 2008

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Chapitre :

Capteur solaire Généralités & Analyse fonctionnelle

Dans ce chapitre, nous allons faire une définition des caractéristiques du capteur solaire

et ses composantes, aussi nous allons effectuer une analyse fonctionnelle du besoin qui est

une démarche qui consiste à analyser le capteur solaire.

1. Généralités sur les capteurs solaires

1.1 Introduction

Le capteur solaire est un type très spécial d’échangeurs de chaleur qui utilise le

rayonnement solaire pour chauffer le fluide caloporteur qui le traverse.

La différence que présente le capteur avec l’échangeur classique est que ce dernier assure

le transfert de chaleur d’un fluide à un autre, alors que le capteur solaire transmet l’énergie du

rayonnement solaire à un fluide.

Les capteurs solaires sont utilisés dans plusieurs applications tel que le chauffage de l’eau

domestique, le chauffage des locaux, le séchage des produits agro-alimentaires et même la

réfrigération. Selon l’application va dépendre la configuration, les matériaux de construction Département Génie Mécanique 2007/2008

Page 54: Rapport Pfe 2008

Projet de fin d’étude ENIT

et les dimensions du capteur. Les capteurs plans à effet de serre sont généralement montés

dans une position fixe, avec une inclinaison bien déterminer de façon à optimiser le

fonctionnement pour le lieu considéré.

Figure 26 : Capteur Solaire plan

1.2. Les principaux composants du capteur

1.2.1. Le coffre (caisse) 

Le coffre d’un capteur solaire a deux rôles essentiels: la protection de l’isolant et de

l’absorbeur vis-à-vis des agents extérieurs et la tenue mécanique qui confère à l’ensemble la

rigidité. Il doit aussi permettre un bon positionnement de la vitre et du joint d’étanchéité et

faciliter le montage des différents éléments du capteur.

On peut utiliser, pour réaliser un coffre de capteur solaire, plusieurs types de matériaux

tels que les métaux, les matériaux plastiques et éventuellement le bois.

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Page 55: Rapport Pfe 2008

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Les métaux sont exposés à la corrosion atmosphérique, ils pourront être attaqués de

diverses façons: corrosion, corrosion par piqûres, etc... L’acier seul ne peut pas convenir pour

un coffre de capteur sauf s’il subit un processus de protection adéquate, à savoir:

- Couche primaire contre la corrosion,

- Couche intermédiaire de renforcement contenant des pigments anti-corrosion

- Une ou deux couches finales.

1.2.2. La Couverture Transparente

La couverture a une fonction de protection de l’absorbeur, mais elle joue aussi un rôle

important dans le bilan thermique en réduisant les pertes de chaleur. Habituellement, on

utilise le verre comme couverture transparente.

La propriété physique intéressante du verre est qu’il permet de laisser passer le

rayonnement solaire et d’arrêter le rayonnement infrarouge d’un émetteur tel que celui de

l’absorbeur. La chaleur est donc bloquée entre l’absorbeur et la couverture : c’est l’effet de

serre.

Figure 27 : Transmittivité d’une vitre en fonction de la longueur d’ondes

La couverture doit présenter une bonne résistance aux chocs, aux brusques variations de

température ainsi qu’aux températures élevées.

Une appellation « verre solaire » existe et fait l’objet d’exigences toutes particulières :

- Le verre doit être trempé pour résister sans risques aux charges thermiques et

mécaniques.

- Il doit présenter un haut degré de transmission solaire caractérisé par une faible teneur

en fer.

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Page 56: Rapport Pfe 2008

Projet de fin d’étude ENIT

- Il doit être d’une surface structurée permettant de réduire les reflets directs.

La qualité du verre est caractérisée par son rendement optique ou taux de transmission τ

qui dépend de la nature et de l’épaisseur du vitrage ainsi que de l’angle d’incidence i et de la

nature du rayonnement.

1.2.3. L’absorbeur 

Deux fonctions incombent à l’absorbeur :

1. Absorber la plus grande partie du rayonnement solaire possible.

2. Transmettre la chaleur produite vers le fluide caloporteur avec un minimum de pertes.

De plus, il doit être le plus léger que possible afin de limiter l’inertie de mise en régime et le

matériau qui le constitue doit avoir une conductivité thermique très élevée.

1.2.3.1. La sélectivité : le traitement de surface

Le rôle de l’absorbeur est de capter au maximum le rayonnement et d’en réémettre le moins

possible. Ces types de surfaces absorbant au maximum et réémettant au minimum ont été

nommées surfaces « sélectives ».

La sélectivité de l’absorbeur est très importante ; elle est améliorée au moyen de traitements

de surface qui ajoutent au support des caractéristiques telles que le rayonnement solaire est

très bien absorbé et que le rayonnement infrarouge émis est limité.

Deux coefficients déterminent les caractéristiques de ces absorbeurs :

- α : coefficient d’absorption (0 à 1, idéal : 1)

- ε : coefficient d’émission (0 à 1, idéal : 0)

Un tel traitement de surface peut être obtenu par procédés électrochimiques ou

électrophysiques. De nombreux progrès ont été réalisés dans ce domaine. Les plus importants,

classés par ordre d’apparition, seront présentés et comparés par rapport à la peinture noire.

Les différents revêtements possibles :

a. La peinture noire :

La peinture noire mate du commerce

permet d’obtenir un coefficient

d’absorption α compris entre 0.9 et 0.95.

Mais le degré d’émission ε  est très élevé (0.85).

b. Oxyde de chrome :

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Projet de fin d’étude ENIT

Le revêtement en « black chrome «  (couleur noire)

est composé d’oxyde de chrome déposé sur une

sous couche de nickel , le tout forme une

couche extrêmement fine sur un support

métallique. Son coefficient d’absorption α est

de 0.95 et son coefficient d’émission ε est compris entre  de 0.12 et 0.18.

c. Traitement sous vide :

Ce revêtement sélectif est facilement

reconnaissable de par sa couleur bleu marine.

Ce procédé consiste à déposer différents métaux (titane,…)

sur la surface absorbante en présence du vide.

Le coefficient d’absorption α obtenu est

supérieur à 0.95 et le coefficient d’émission ε

inférieur à 0.05.

Résumé des différents traitements de surface :

Tableau 5: Différent traitement de surface

Revêtement Absorption : α Emission : εPeinture noire 0,9 à 0,95 >0,85Black chrome 0,95 0,12 à 0,18

Traitement sous vide > 0,95 < 0,05

Actuellement le procédé de revêtement sous vide TINOX ou EPSILON a pris une grande

place sur le marché grâce :

- A ses performances.

- A sa faible consommation en énergie lors de la fabrication.

- A son respect au niveau écologique (pas de dégagement de gaz ou solides, pas de

pollution de l’eau.

1.2.4. L’isolant 

Nombreux sont les produits isolants qui peuvent convenir pour l’isolation des capteurs,

mais il faut veiller à la tenue de la température, car une coupure de circulation du fluide

caloporteur peut faire monter la température intérieure du capteur à plus de 150 °C.

L’épaisseur de l’isolant varie de 4 à 8cm. La figure 29 présente de manière schématique

les différentes pertes générées par les constituants du capteur solaire plan.

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Page 58: Rapport Pfe 2008

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On remarque aisément que sur une base de 100% à la surface du vitrage du capteur,

seulement 60 % du rayonnement arrivent directement à l’absorbeur. Quant aux 40 %

restants ils ne sont pas complètement perdus mais ils vont jouer un rôle par l’intermédiaire

de l’effet de serre.

Figure 28: Schéma de différentes pertes

1. 3. Le rendement global du capteur

Le rendement d’un capteur solaire dont le symbole est η est le rapport de la chaleur

emmagasinée par le fluide caloporteur sur la puissance du rayonnement incident reçue. Le

rendement d’un capteur varie au cours de la journée car ses pertes sont fonction de la

différence de température entre l’air ambiant et l’absorbeur. Plus cette différence de

température augmente, plus le rendement du capteur baisse.

1. 3.1. Rendement du capteur

Cette équation du rendement tient compte de l’influence des caractéristiques de

l’absorbeur et du débit de fluide caloporteur.

L’équation de rendement du capteur se présente sous la forme : [7]

 : Rendement optique du capteur solaire. F’ : Efficacité de l’absorbeur.

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Page 59: Rapport Pfe 2008

Projet de fin d’étude ENIT

U : coefficient global des pertes du capteur (W/m2K).

Ta : température de l’air ambiant.

Tf : température moyenne de l’absorbeur.

G : rayonnement solaire global (W/m2).

1. 3.2. Rendement des différents capteurs usuels

Sur la figure ci-dessous sont présentés les rendements en régime établi des grandes

catégories de capteurs rencontrés :

Figure 29  : Courbe de rendement de différents capteurs solaires

2. Analyse fonctionnelle

2.1. Introduction

L’analyse fonctionnelle est utilisée dans les premières phases d’un projet pour créer ou

améliorer un produit. Il se présente sous forme de graphe ou diagramme d’analyse. Son

objectif est de :

· Recenser : C’est déterminer et identifier les fonctions du produit.

· Caractériser : C’est énoncer les critères d’appréciation, les niveaux et la flexibilité de ces

fonctions.

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Page 60: Rapport Pfe 2008

Projet de fin d’étude ENIT

· Ordonner : C’est classifier les fonctions en fonctions de services.

· Hiérarchiser : C’est évaluer l’ordre d’importance des fonctions retenues.

· Valoriser : C’est attribuer à chaque fonction un poids ou une valeur liée à son importance

2.2. Modélisation de l’activité

2. 3. Enoncé du besoin

Il s’agit d’exprimer avec précision les buts et les limites de l’étude du système en se posant

les trois questions suivantes :

1. A qui rend-t-elle ce service (A quoi ?)

2. Sur qui (sur quoi) agit-elle ?

3. Dans quel but

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Energies solaires

Capteur solaire Plan

Chauffer l’eau glycolé

Eau glycolé chaude Eau glycolé froide

Pertes

Chauffer l’eau glycolé à une température bien déterminée

Consommateur d’énergie

Fluide caloporteur «  l’eau glycolé »

Capteur solaire plan

Sur qui agit-il ?A qui rend-il le service ?

Dans quel but ?

Page 61: Rapport Pfe 2008

Projet de fin d’étude ENIT

2.4. Valider le besoin

Une fois le besoin est défini, il est nécessaire de vérifier sa durabilité dans le temps :

a) Pour quoi ce besoin existe-t-il ?

Pour chauffer le fluide (économiser l’énergie).

b) Qu’est ce que pourrait faire disparaître ce besoin?

L’évolution technologique adoptée dans la plateforme.

c) Pensez vous que les risques de vouloir faire disparaître ou évoluer ce besoin

sont réels dans le proche avenir?

Oui Validation du produit à moyen terme.

2.5. Séquence d’usage du capteur

2.5.1. Séquence  En utilisation 

1. Chauffer l’eau a une température bien déterminée.

2. Permettre à l’énergie captée d’atteindre le fluide (bonne conductivité,

surface d’échange, surface d’absorbeur, bonne vitrage).

3. Bonne circulation de fluide dans le capteur

2.5.2. Séquence Hors utilisation 

1. Manutention et installation du capteur solaire plan.

2. 6. Liste des éléments de l’environnement

Tableau 6 : Liste des éléments de l’environnement

« En utilisation » « Hors utilisation »

-Energie solaire.

-Fluide caloporteur (eau glycolé).

-Température de fluide.

-Pluie (bonne étanchéité).

-Rayonnement U.V. (bonne résistance)

- Agents agressifs (Résister à la corrosion)

-Elévation des températures.

- Résistance mécanique

- Résistance au choc

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Tableau 1 : Eléments de l'environnement

Page 62: Rapport Pfe 2008

Projet de fin d’étude ENIT

2.7. Diagrammes Pieuvres

2. 7.1. Séquence « En utilisation » 

Figure 30 : Diagramme Pieuvre "en utilisation"

2.7.2. Séquence « Hors utilisation » 

Figure 31 : Diagramme Pieuvre "hors utilisation"

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FP2

Étanchéité

Absorbeur

Energie solaire

Corrosion

Isolant

Rayonnement

U.V.

Capteur solaire plan

FC1

FC4 FC5

FC3

FC2

FC6

FP1

Fluide caloporteur

FC7

Installation du capteur

Opérateur

Résister aux chocs

Capteur solaire plan

FC8

FP3

Page 63: Rapport Pfe 2008

Projet de fin d’étude ENIT

2. 8. Fonctions de service

FP1 : Absorber le rayonnement solaire (bonne absorption).

FP2 : Permettre au fluide caloporteur d’atteindre la température requise.

FP3 : Manutention et installation bonne et facile.

FC1 : Permettre une bonne circulation de fluide dans l’absorbeur.

FC2 : Transmettre l’énergie de rayonnement solaire au fluide caloporteur.

FC3 : Avoir une bonne étanchéité.

FC4 : Transférer la chaleur vers le fluide.

FC5 : Avoir une bonne isolation.

FC6 : Résister au rayon U.V.

FC7 : Résister à la corrosion.

FC8 : Résister aux chocs.

2.9. Validation des fonctions de service

La validation de chaque fonction de service doit se faire après avoir répondu aux questions

suivantes :

Q1 : Dans quel but la fonction existe-t-elle ?

Q2 : Pour quelles raisons la fonction existe-t-elle ?

Q3 : Qu’est ce qui pourrait la faire disparaître ou la faire évoluer ?

Q4 : Quelle est la probabilité de disparition ou d’évolution ?

FP1   : Absorber le rayonnement solaire (bonne absorption).

R1 :  Bonne absorption.

R2 :  Pour chauffer le fluide.

R3 :  Mauvaise qualité de l’absorbeur.

R4 :  Faible.

FP1 validée (impérative)

FP2   : Permettre au fluide caloporteur d’atteindre la température requise.

R1 :  Chauffer le fluide a une température bien déterminée.

R2 :  Bonne température a la sortie du capteur.

R3 :  Une valeur de température insuffisante.

R4 :  Faible.

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Page 64: Rapport Pfe 2008

Projet de fin d’étude ENIT

FP2 validée (impérative)

FP3   : Manutention et installation bonne et facile.

R1 :  Facilite les taches de l’installation du capteur.

R2 :  Pour assurer une bonne résistance mécanique.

R3 :  Mauvaise construction de système de fixation.

R4 :  Nulle.

FP3 validée (impérative)

FC1   : Permettre une bonne circulation de fluide dans l’absorbeur.

R1 :  Pour avoir une bonne circulation continue du fluide.

R2 :  Bon fonctionnement du capteur.

R3 :  Mauvaise régulation de débit de fluide.

R4 :  faible.

FC1 validée (impérative)

FC2   : Transmettre l’énergie de rayonnement solaire au fluide caloporteur.

R1 :  Capter le maximum des rayonnements solaires.

R2 :  Chauffer le fluide caloporteur.

R3 : Mauvaise conception

R4 : Faible.

FC2 validée (impérative)

FC3   : Avoir une bonne étanchéité.

R1 :  Pour assurer un bon rendement du capteur.

R2 :  Puisque ils représentent une importance dans la conception du capteur.

R3 :  Mauvaise étanchéité (nature de joint …)

R4 :  Faible.

FC3 validée (impérative)

FC4   : Transférer la chaleur vers le fluide

R1 :  Pour avoir une bonne température.

R2 :  Atteindre la température requise.

R3 :  Mauvaise conception de l’absorbeur (matériaux, types de capteurs…)

R4 :  Faible.

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Page 65: Rapport Pfe 2008

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FC4 validée (peu négociable)

FC5   : Avoir une bonne isolation.

R1 : Minimiser les pertes thermiques

R2 :  Atteindre la température requise.

R3 :  Mauvaise qualité de l’isolant.

R4 :  Faible.

FC5 validée (impérative)

FC6   : Résister au rayon U.V.

R1 :  Pour assurer une grande durée de vie pour notre capteur.

R2 :  Pas des déformations.

R3 : Mauvaise qualité de matériaux utiliser pour la conception.

R4 :  Faible.

FC6 validée (impérative)

FC7   : Résister à la corrosion.

R1 :  Pour avoir une durée de vie très importantes.

R2 :  Pour avoir le bon rendement.

R3 : L’utilisation des matériaux corrosifs.

R4 : Faible.

FC7 validée (négociable)

FC8 : Résister aux chocs.

R1 :  Assurer une bonne durée de vie de capteur.

R2 :  Bonne conditions d’utilisation.

R3 :  Mauvaise choix des matériaux du capteur.

R4 :  Faible.

FC8 validée (impérative)

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Page 66: Rapport Pfe 2008

Projet de fin d’étude ENIT

2.10. Caractérisation des fonctions de service

Pour chaque fonction de service, on définit les critères permettant d’apprécier la manière

dont la fonction sera remplie. Ces critères d’appréciation doivent eux-mêmes être assortis

d’un niveau et d’une flexibilité.

Un niveau est défini par des variables qui permettent de quantifier le critère.

La flexibilité est un ensemble d’indications exprimées sur les possibilités de moduler le

niveau recherché pour un critère d’appréciation. Elle est exprimée par une classe de

flexibilité.

Les classes de flexibilité : Selon la norme NFX50-151, l’indication littérale de la forme

Fi, placée auprès du niveau d’appréciation, permet de préciser son degré de négociabilité ou

d’impérativité ; on distingue 4 classes de flexibilité :

La classe F0 : Flexibilité nulle, niveau impératif

La classe F1 : Flexibilité faible, niveau peu négociable

La classe F2 : Flexibilité bonne, niveau négociable

La classe F3 : Flexibilité forte, niveau très négociable

Tableau 7 : Classes et niveaux de flexibilité

Flexibilité Classe de flexibilité Niveau de flexibilité

Nulle F0 Impératif

Très faible F1 Non négociable

Fiable F2 Peu négociable

Bonne F3 Négociable

Forte F4 Très négociable

Limite d’acceptation Fonction non validée Le besoin est jugé non satisfait

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Page 67: Rapport Pfe 2008

Projet de fin d’étude ENIT

2.11. Caractérisation des fonctions de service

Tableau 8 : Caractérisation des fonctions de service

Fonctions Critères Niveau Flexibilité

FP1 Matériau de l’absorbeur

Couche sélective(EPSILON ou TINOX)

cuivre

α > 95 %  , ε < 5 %

F0

F0

FP2 Température ≈ 100 °C F0

FP3 Manutention et installation Facile F0

FC1 Fluide caloporteur (eau glycolé)

pourcentage de glycol

40 %

F0

FC2 Rayonnement solaire Meilleur inclinaison 45°

F0

FC3 Nature des joints

d’étanchéité EPDM, Silicone

F0

FC4 Conductivité des matériaux Cuivre : Bonne conductivité

F1

FC5

Nature de l’isolant Laine de roche F0

FC6 Nature du Verre Verre trempé ép. :4mm F0

FC7 Nature de matériau Aluminium F2

FC8 Bonne assemblage F0

2.12. Hiérarchisation des fonctions de services

Barème d’évolution Tableau 9: Barème d'évolution

Note Degré d’importance

0 Equivalence

1 Légèrement supérieur

2 Moyennement supérieur

3 Nettement supérieur

Comparaison des fonctions de service

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Page 68: Rapport Pfe 2008

FP1FP2FP3FC1FC2FC3FC4FC5FC6FC7FC8PONTS %FP11FP12FP11FP11FP11FP11FP12FP12FP12FP1

21517,44FP21FP21FP21FP22FP20FP21FP22FP22FP2

21213,95FC10FP31FP31FC42FC51FP32FP31FP3

166,97FC11FC11FC42FC11FC11FC12FC1

289,30FC21FC41FC21FC22FC22FC2

289,30FC41FC30FC33FC32FC3

278,13FC41FC43FC43FC4

31011,62FC53FC53FC5

3910,46FC61FC6

122,32FC7222,3278,13TOTAL 86% 100

FP1

FP2

FP3

FC1

FC2

FC3

FC4

FC5

FC6

FC7

FC8

Projet de fin d’étude ENIT

On va comparer les différentes fonctions de service par la méthode de tri croisé à fin de

dégager les fonctions les plus importantes

Tableau 10 : Comparaison des fonctions de services

2.13. Histogramme des souhaits

Le résultat de la hiérarchisation des fonctions de services est synthétisé sous la forme d’un

histogramme des souhaits.

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Page 69: Rapport Pfe 2008

Projet de fin d’étude ENIT

FP1

FP2

FP3

FC1 FC2FC3

FC4FC5

FC6 FC7

FC8

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

%

FP1 FP2 FP3 FC1 FC2 FC3 FC4 FC5 FC6 FC7 FC8Fonctions de service

Figure 32: Histogramme des souhaits

Interprétation des résultats   :

On remarque que la fonction de service FP1 «Absorber le rayonnement solaire (bonne

absorption » présente le pourcentage le plus important .En effet, ceci est vrai puisque la

fonction traduit bien la finalité du capteur.

On peut voir que les deux fonctions de service FC6 et FC7, «Résister au rayon U.V.» et

«Résister à la corrosion.» présentent le taux le plus faible mais cela n’empêche pas

d’affirmer son importance au niveau de rendement du capteur.

On constate aussi que les fonctions de service FP2 et FC4 ont une pourcentage assez

intéressant puisque ces deux fonctions ont une grande importance au niveau de choix de

matériaux de bonne conductivité.

Lors de l’élaboration du capteur, il faut donner une très grande importance à la fonction de

service présentant un pourcentage assez important mais sans négliger, toute fois, les autres qui

s’avèrent moins consistantes.

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Page 70: Rapport Pfe 2008

Projet de fin d’étude ENIT

Chapitre :

Conception du capteur solaire

Dans ce chapitre nous allons concevoir le capteur solaire ; nous allons faire une étude de

dimensionnement et choisir les constituants et les caractéristiques du capteur solaire

« longueur, largeur, épaisseur, nature de l’isolant, nature des vitres, qualité de l’absorbeur… »

En même temps nous allons comparer notre choix par rapport a ce qui existe dans

l’industrie.

1. Description de logiciel « CoDePro » 

Le programme (CoDePro) est un programme de conception des capteurs solaires plans à

eau. Le programme a été développé avec la version professionnelle d'EES et a été testé dès sa

phase de développement par des ingénieurs spécialistes en énergie solaires. CoDePro calcule

analytiquement le rendement instantané et les températures de stagnation du capteur. Pour

cela il se base sur les propriétés thermophysiques et optiques des matériaux utilisés pour la

construction du capteur.

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Page 71: Rapport Pfe 2008

Projet de fin d’étude ENIT

Pour cela, nous allons effectuer une étude analytique mettant en application toutes les

équations d’échanges thermiques entre les différents composants. Notre objectif étant

d’obtenir un capteur permettant d’avoir « un absorbeur sélective, une meilleurs isolation et

étanchéité, une température a la sortie de capteur de l’ordre 100 °C ».

Pour faciliter notre tache, nous allons utiliser le logiciel d’analyse analytique CoDePro

1.1. Fenêtre 1 : condition de test

Dans cette fenêtre (représentée dans la figure 35) se fait la saisie des conditions de test

nécessaires pour le calcul des performances thermiques du capteur. Les variables d’entrée

pour les conditions de test sont :

- L’intensité de l’éclairement solaire incident

- La proportion de l’éclairement diffus

- L’angle d’incidence de l’éclairement direct

- L’angle d’inclinaison du capteur

- L’humidité relative (pour le calcul de la température équivalente du ciel)

- La vitesse du vent

Figure 33: Condition de test

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Page 72: Rapport Pfe 2008

Projet de fin d’étude ENIT

1.2. Fenêtre 2 : dimensions du capteur

La figure 36 montre la fenêtre où on choisit les dimensions du capteur et de l’absorbeur.

Les variables d’entrées sont :

- Dimensions globales : longueur, largeur et épaisseur

- Dimensions de l’absorbeur : longueur, largeur

Figure 34: Dimensions du capteur

1.3. Fenêtre 3: Vitre et Absorbeur

La fenêtre (Vitre et Absorbeur) montrée dans la figure 37 permet de saisir les valeurs des

propriétés optiques et thermiques des vitres et de la plaque de l’absorbeur.

Le capteur peut avoir zéro, un ou deux vitres. S’il a une seule vitre les propriétés sont

saisies dans la section cover1.

L’utilisateur peut sélectionner le matériau ou saisir les propriétés de son matériau en

sélectionnant ‘user defined’ dans la liste de choix.

Les variables d’entrées dans cette fenêtre sont :

+ Vitres :

- Nombre de vitres : 0, 1,2

- Matériau des vitres

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Page 73: Rapport Pfe 2008

Projet de fin d’étude ENIT

- L’indice de réfraction et le coefficient de transmission (spectre solaire)

- Le coefficient d’absorption et de transmission

- Distance entre la vitre et la plaque

- Distance vitre1-vitre2

+ Plaque de l’absorbeur :

- Matériau (conductivité)

- Epaisseur

- Coefficient d’absorption

- Coefficient d’émission

Figure 35: Vitre et Absorbeur

1.4. Fenêtre 4: Isolation arrière et latérale

La fenêtre 4 montrée dans la figure 38 permet de saisir les données relatives à l’isolation

latérale et arrière du capteur.

Les variables d’entrées dans cette fenêtre sont :

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Page 74: Rapport Pfe 2008

Projet de fin d’étude ENIT

- L’épaisseur et la conductivité de l’isolant de la face arrière

- L’épaisseur et la conductivité de l’isolant des faces latérales

Figure 36: Isolation arrière et coté

1.5. Fenêtre 5: Tube et Fluide

La fenêtre  « tube et fluide » montrée dans la figure 39 permet de saisir les valeurs des

proprités de tube collecteur et absorbeur ainsi que les caractéristiques de fluide caloporteur.

Caractéristiques des tubes : nombre de tube, diamètre, espace entre les tubes.

Caractéristiques du fluide caloporteur : débit, pression, pourcentage de glycol.

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Page 75: Rapport Pfe 2008

Projet de fin d’étude ENIT

Figure 37: Tube et Fluide

2. Simulation sur CoDePro

Le but de cette simulation est d’effectuer une étude analytique mettant en application

toutes les variables d’entrés dans chaque fenêtre (dimensions du capteur, vitre et

absorbeur, isolation …etc.) et d’étudier leur influence sur la courbe de rendement du

capteur. Notre objectif étant d’obtenir un capteur permettant d’avoir une meilleure

isolation et étanchéité, une température a la sortie de capteur de l’ordre 100 °C.

2.1. Fenêtre 1 : test conditions

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Page 76: Rapport Pfe 2008

Projet de fin d’étude ENIT

2.2. Fenêtre 2: Dimensions du collecteur

2.3. Fenêtre 3: Vitre et Absorbeur

2.4. Fenêtre 4: Isolation arrière et latérale

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Page 77: Rapport Pfe 2008

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2.5. Fenêtre 5: Tube et Fluide

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Page 78: Rapport Pfe 2008

Projet de fin d’étude ENIT

2.6. Courbe de rendement, η = f (ΔT) 

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Page 79: Rapport Pfe 2008

Projet de fin d’étude ENIT

D’après la fenêtre de courbe η = f (ΔT) :On a l’équation suivante:

Avec : , Tambiante = 25°C G ≈ 700 W/m2

Alors:

T sortie capteur ≈ 100 °C

3. Conception mécanique et gamme de fabrication

3.1 Composantes du capteur solaire

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Page 80: Rapport Pfe 2008

Projet de fin d’étude ENIT

Figure 38: Caractéristiques générales du capteur solaire

Tableau 11 : Caractéristiques générales du capteur solaire

1 Absorbeur Feuille de cuivre, sélective ép.: 0,2 mm2 Tube de l’absorbeur Cuivre ø8mm3 Tube de collecteur Cuivre ø18mm4 Couvercle Verre trempé 5 Isolation Laine de roche 6 Cadre Aluminium peint7 Etanchéité Joint EPDM8 Fond de caisse Aluminium épaisseur 1mm9 Fixation de tube sur l’absorbeur Soudure a l’ultrason

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1

2

3

4

5

6

7

8

9

Page 81: Rapport Pfe 2008

Projet de fin d’étude ENIT

3.2. Dossier technique 

3.2.1. Présentation 

Le capteur solaire thermique est destiné à chauffer un fluide caloporteur dans un circuit

fermé. Les capteurs solaires sont présentés pour être implantés de manière dite "indépendante

sur supports" sur toitures inclinées (métallique, …), sur toiture-terrasse, au sol ou sur façade.

3.2.2. Fonctionnement 

L’irradiation solaire E0 traverse la plaque de verre. Une petite fraction de l’énergie E1 est

déjà réfléchie avant même son entrée dans le capteur. La surface noircie à revêtement sélectif

de l’absorbeur transforme le rayonnement solaire incident en chaleur. Une autre fraction de

l’énergie, certes très minime E2 est réfléchie. Une troisième petite fraction de chaleur E3

parvient à s’échapper à travers l’isolation par l’arrière et par les cotés du capteur. Il y a enfin

la perte de chaleur E4 que l’absorbeur émet et qui quitte le capteur par convection à travers le

vitrage.

La plaque de verre joue un grand rôle dans la production de chaleur. Elle est tout d’abord

transparente, mais elle protège aussi du refroidissement du capteur du aux intempéries.

Les spécialistes du solaire sont cependant unanimes que la technique d’une seule plaque de

verre en rapport avec un revêtement sélectif de la surface de l’absorbeur est la meilleure

solution. L’énergie utilisable E5 s’obtient par la soustraction des pertes d’énergie de E1 à E4

de l’énergie solaire incidente E0.

Figure 39: Bilan énergétique d’un capteur solaire

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Page 82: Rapport Pfe 2008

Projet de fin d’étude ENIT

E0 : Rayonnement solaire incident sur la surface du capteur E1 : Rayonnement solaire réfléchi au niveau de vitrage E2 : Réflexion au niveau de l’absorbeur E3 : Pertes de chaleur à la partie arrière du capteur et à ses cotés E4 : Pertes de chaleur émise par l’absorbeur à travers le vitrage E5 : Energie solaire utilisable

3.2.3. Caractéristiques générales du capteur solaire 

Les caractéristiques générales de ce capteur sont données par la figure 40, Ce capteur est

constitué de :

• Absorbeur :

Il est constitué des tubes en cuivre « grille » et des plaques mince en cuivre, les plaques

sont soudées par ultrason sur les tubes, elles sont revêtues d’un revêtement

sélectif. Traitement sous vide « TINOX ou EPSILON… »

- Coefficient d’absorption : 95 %

- Coefficient d’émission : 5 %

• Verre de couverture :

Le couvercle transparent est constitué d'une vitre de sécurité de 4 mm d'épaisseur afin

d'avoir une résistance importante aux chocs et sollicitations diverses et de protéger le système

aux chutes de grêle, au poids de la neige et à l’agressivité de l’air marin. Le verre trempé  est

à faible teneur ferreux, ce qui augmente  la transmittivité  aux rayons solaires.

• Caisse :

La caisse est constituée des profiles en aluminium.

• Isolation :

L’isolation arrière et latéral est composé des plaques en laine de roche, recouverte d’un côté

par de l’aluminium.

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Page 83: Rapport Pfe 2008

Projet de fin d’étude ENIT

3.2.4. Eléments constitutifs

3.2.4.1. Caisse

La caisse est en alliage d’aluminium. Un profile d’aluminium a section en I, coupé à 45°

est assemblé par des équerres en aluminium pour former un cadre rigide. L’aluminium est un

matériau qui est léger, résiste bien à la corrosion, présente un meilleur esthétique, facilite la

fixation de capteur. L’aluminium est facile à usiner (découpage pour former le cadre).

La caisse est composée des éléments suivants :

- Un cadre rectangulaire découpé à partir d’un profilé en aluminium, l’avantage de ce profilé ,

c’est qu’il permet une isolation latérale et qu’il facilite le montage de la vitre et du joint par un

simple positionnement.

- Une tôle arrière en aluminium d’épaisseur 1 mm fixée contre le cadre par rivetage.

Détail A

Figure 40 : Caisse du capteur solaire

Détail A

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Profile en Aluminium

Tôle en Aluminium

Equerre pour fixation

Page 84: Rapport Pfe 2008

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3.2.4.2. Absorbeur

C’est l’élément principal de chaque capteur, l’absorbeur se compose d’une plaque en métal

conducteur (cuivre) avec une couche sélective et des tubes en cuivre intégré à la plaque par

une soudure spéciale à l’ultrason.

L’absorbeur est constitué de feuillards en cuivre de 0,2 mm d’épaisseur, recouverts d’un

revêtement sélectif (Traitement sous vide : TINOX ou EPSILON).

Détail B Figure 41 : Absorbeur du capteur solaire

Détail B

Le principe de soudage à ultrason : (Annexe [9])

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Soudure à ultrason

Tube absorbeur

Feuilles en cuivre

Tubes collecteurs

Page 85: Rapport Pfe 2008

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3.2.4.3. Isolant arrière et latérale

La fonction des matériaux d’isolation utilisée dans les capteurs solaires est de limiter les

pertes thermiques. L’isolant situé dans le capteur est destiné à limiter les pertes arrière et

latérales.

Dans le choix du matériau de l’isolant, il faut tenir compte des performances thermiques, de

la technique de l’installer dans le capteur afin de permettre une isolation arrière et latérale.

L’isolant laine de roche présente non seulement de bonnes propriétés thermiques à savoir sa

conductivité thermique par rapport à celles des autres isolants.

Caractéristique de l'isolant (laine de roche) (Annexe [7]) :

- Classe : RA.3

- Masse volumique : 35 ≤ ρ ≤80 kg/m3

- Coefficient de conductivité thermique : 0,038 W/mK.

- Résistance a la température : ≤ 600 °C.

Figure 42 : Isolation latérale et arrière du capteur solaire

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Isolant arrière et latérale

Page 86: Rapport Pfe 2008

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3.2.4.4. Couverture transparente

La couverture transparente a pour objet :

- D’assurer l’isolation thermique de l’absorbeur en face avant.

- De permettre à la plus grande partie du rayonnement solaire d’atteindre le capteur.

- De créer un effet de serre.

- De protéger l’absorbeur des intempéries.

La couverture transparente est constituée d’une vitre épaisseur 4 mm, cette vitre est collée

sur un cadre en aluminium constitué de cornières en aluminium coupées à 45° et assemblées

par rivetage.

L’étanchéité entre vitre et cadre aluminium ainsi que dans les angles est réalisée par joints

EPDM, silicone.

Figure 43 : Couverture transparente du capteur solaire

Détail C

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Cornières en aluminium Rivets

Verre trempé

Détail C

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Projet de fin d’étude ENIT

3.3 Gamme de fabrication 

Département Génie Mécanique 2007/2008

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Projet de fin d’étude ENIT

CONCLUSION

Conformément au cahier de charge, nous avons réalisé une étude sur les boucles

thermodynamiques à basses pressions et à basses températures pour arriver finalement à la

conception d’un capteur solaire plan spécial pour notre application.

Ce projet nous a offert l’occasion d’approfondir nos connaissances dans le domaine

thermique et surtout dans l’utilisation des boucles thermodynamiques pour la production

d’énergie électrique utilisant l’énergie solaire comme une solution vitale pour les problèmes

d’énergies.

Dans notre projet de fin d’études nous avons procédé tout d’abord à présenter les

critères de choix du fluide caloporteur pour notre application en mettant en considération les

caractéristiques de fluide (la pression critique, la température critique…) et les

caractéristiques de la turbine.

Ensuite nous avons étudiées notre boucle thermodynamique, et nous avons présentées

un calcul méthodologique pour les échangeurs thermiques suivi d’une simulation de la

boucle sur le logiciel EES et TRANSYS pour étudier les paramètres d’entrées et de sorties.

En arrivant finalement à la conception de notre capteur solaire plan  ; pour cette

application, nous avons procédé tout d’abord à dimensionner le capteur en utilisant le logiciel

CoDePro pour avoir la température nécessaire pour arriver finalement à la conception

mécanique et à la gamme de fabrication du capteur solaire plan.

Département Génie Mécanique 2007/2008

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Projet de fin d’étude ENIT

BIBLIOGRAPHIE

[1] : Mr. Abdelmajid Ghannouchi. « Cours de Production d’énergie et environnement » ENIT 2008.

[2] : Mr. Bessrour Jamel. « Cours de Machine Thermique » ENIT 2008.

[3] : Technique de l’ingénieurCondenseurs par surface dans les centrales thermiques volume B1540.Echangeurs de chaleur, volume B2340, B2341, B2343, B2342.

[4]: Robert J.Copeland, Jane Ullman: Comparative Ranking of Thermal Storage Systems, volume I, November 1983.

[5]: POWERSOL-T710-SC-01, Mechanical Power Generation Based on SolarThermodynamic Engines “POWERSOL”: Deliverable 1: Internal reports related to update the relevant information for the progress of the project, August 20th, 2007.

[6] : Ahmed Khedim. «L’énergie solaire et son utilisation sous sa forme thermique et

photovoltaïque : Une étude sur les énergies renouvelables »

[7] : Nadia GHRAB- MORCOS. « Cours d’énergie solaire » ENIT 1984.

Projets de fin d’études :

[9] : B. SALAH.K et EDDOUSS.I «Banc d’essai d’un capteur solaire a fréon R11 » ENIT 1984.

[10] : GANNOUNI Adel. «Fabrication et Teste d’un Prototype d’un Capteur Solaire » ENIT 1997.

Sites Web:1 http://www.psa.es/projects/powersol.

2 http://www.eneftech.com/technologie.

3 http://www.outilssolaires.com.

Département Génie Mécanique 2007/2008