Conception et description des modèles proposés à l’étude

Introduction

Un modèle a pour rôle de décrire une réalité complexe de manière simple et compréhensible.

Cette partie présente l’étude et l’analyse et les modélisations thermiques des deux distillateurs solaires de type symétrique et asymétrique à effet de serre.

La démarche adoptée ici, consiste à découpler les phénomènes thermiques complexes interdépendants, existant au niveau de chaque composant, afin de simplifier leur analyse. A cet effet, nous avons adopté les étapes suivantes :

Dans un premier temps, une synthèse de cette démarche a abouti à la conception de chacun des deux modèles proposés à l’étude ainsi qu’une description de leurs caractéristiques physiques et optiques a été réalisée.

Dans une autre étape, une analyse détaillée de chacun des phénomènes thermiques des deux unités de distillation solaire a été faite, où dans ce cas, l’accent est mis sur les paramètres influant sur le fonctionnement des deux systèmes, à savoir les paramètres externes et internes. A partir de là, nous avons mis en évidence les bilans énergétiques pour chacun des composants et chacun des modèles.

Enfin, le principe de fonctionnement de chaque modèle de distillateurs est dicté selon des hypothèses explicites conduisant à élaborer des systèmes d’équations différentielles pour chacun des deux systèmes, en introduisant la méthode de résolution et le principe de la programmation.

III. 1. Conception et description des modèles proposés à l’étude III. 1. 1 Présentation des deux modèles proposés à l’étude

Les figures (III.1) et (III.2) représentent les deux distillateurs solaires proposés à l’étude: distillateur solaire symétrique à double pente et distillateur asymétrique à double effet. Ces deux distillateurs solaires sont mis en place dans les mêmes conditions climatiques. Une simulation numérique a été développée pour comparer l'effet des différentes orientations et des paramètres de conception sur la performance de ces distillateurs solaires. Les deux distillateurs sont implantés avec des orientations vers respectivement le sud-nord et l’est-ouest, en tenant compte des inclinaisons de la couverture, prises dans cette étude. Pour une latitude nord et pour des lieux ayant une plus grande latitude, la couverture du distillateur solaire ayant une pente est orientée vers le sud. Mais pour le distillateur solaire avec une

couverture à double pente, une seule face de la couverture recevra les rayons solaires venant du sud, tandis que l'autre face elle sera du côté de l'ombre des rayons solaires.

III. 1.2 Concept géométrique et principes de fonctionnement.

III. 1. 2.1 Distillateur solaire type symétrique à double pente (à deux faces).

Le premier modèle représenté par la figure (III.1) est un distillateur solaire de type conventionnel, doté d’un seul bassin, symétrique au milieu et recouvert d’une vitre à deux versants (deux faces) et ayant une épaisseur de 0.003 m. La hauteur des côtés (parois) verticaux du distillateur solaire est de 0,15 m pour des angles d’inclinaisons de la couverture de condensation : du plus petit à 10 °, au moyen à 30 ° et au plus grand à 45 °. Le fonctionnement de ce type de distillateur reste très simple. La couverture en verre transparent permet de transmettre le rayonnement solaire à l'eau de bassin qui s’échauffe, puis s’évapore ensuite se condense sur les deux faces intérieures de la vitre formant des gouttelettes, formant un film d’eau qui s’écoule pour enfin être recueilli et collectés au niveau des deux extrémités de la vitre.

Solar radiation Distillate outlet Wooden box Glass cover Polystyrene Brackish water Evaporation Condensation β Blackened surface inlet Distillate outlet

Figure III.1 : Schéma d’un distillateur solaire de type symétrique et à effet de serre.

III. 1.2.2 Distillateur solaire type asymétrique à double effet (une seule pente : une seule face).

Le second modèle est un distillateur solaire de type asymétrique figure (III. 2), avec une seule face et se compose de deux bassins étagés (à double effet), possédant une vitre (couverture intermédiaire) qui sert comme toit du bassin principal (1er effet) et en même temps comme base du deuxième bassin (second effet), la température de cette vitre est réduite par un film d'eau de refroidissement s'écoulant continuellement sur le verre. Cette disposition présente l'avantage d'augmenter la différence de température entre l’eau de bassin (premier effet) et la vitre et utilise la chaleur latente dans la vapeur d'eau de condensation sur la vitre du premier effet (bassin) afin de produire plus d'eau fraîche dans le second effet [55,140 ,141]. Cependant la couverture supérieure de ce type de distillateur solaire à double effet à la même épaisseur de 0.003 m, est en contact avec l’environnement et sert comme toit au deuxième bassin. La hauteur des côtés (parois) verticaux au plus bas de ce type de distillateur solaire est prise à 0,25 m pour les angles d'inclinaison (10 °, 30 ° et 45 °), tandis que les hauteurs des

côtés hauts sont prises de l’ordre de respectivement 0,43, 0,83, et 1,25 m. La profondeur du film d'eau longeant la couverture intermédiaire est de 0,005 m.

Solar radiation Polystyrene Wooden box Condensation Distillate outlet Blackened surface Brackish water Glass cover (g2) Glass cover (g1) Evaporation Water film inlet inlet Second effect First effect

Figure III. 2 : Schéma du distillateur solaire type asymétrique à double effet

III. 1.3 A la découverte des mêmes composants :

Dans notre étude, nous avons pris deux distillateurs solaires de conception différente : symétrique et asymétrique à effet de serre Figures (III.1) et (III.2), mais les matériaux de construction utilisés concernant les différents éléments sont de même nature, dontla structure

des deux types de distillateurs solaires est choisie est en aluminium, en raison de son coût relativement faible, de sa bonne résistance à la corrosion à des températures faibles et

moyennes et de son léger poids. Les bassins des distillateurs solaires sont enveloppés par une boîte en bois et isolés avec du polystyrène ayant une épaisseur de 100 mm, de manière à réduire, au niveau inférieur, les pertes de chaleur vers l'extérieur. En plus, les bases de ces distillateurs solaires sont peintes au niveau de leurs surfaces intérieures en noir, permettant ainsi d'absorber un maximum de rayonnement solaire. L’aire de surface prévue pour chaque unité de distillation solaire est de 1 m² (dimensions intérieures de la base de 1m x 1m). De plus, la plus grande partie du rayonnement solaire absorbée par les différents composants du distillateur solaire est utilisée pour augmenter leur température, entrainant ainsi une augmentation de leur production ; ces mêmes distillateurs solaires sont conçus de manière à récupérer, au fond du bassin, le maximum de rayonnement solaire permettant de produire plus d’énergie thermique. Enfin et afin de nous permettre de comprendre en détail ces concepts ainsi que les principaux paramètres intervenant dans cette présente étude, nous devons passer en revue les différentes caractéristiques des systèmes de distillation solaire.