THÈSE DE DOCTORAT
Présentée parKhadija KABIDI
Discipline : Physique
Spécialité : Energie et Environnement
Titre :
Expérimentation et modélisation du
comportement énergétique et thermique
d’un séchoir solaire sous le climat de la
région de Rabat
Soutenue le 10 Juillet 2014 Devant le jury :
Président :
Ahmed MZERD : Professeur à la Faculté des Sciences de Rabat. Directeur de thèse :
Mohammed Najib BARGACH : Professeur à la Faculté des Sciences de Rabat. Examinateurs :
Abdellah MECHAQRANE : Professeur à la Faculté des Sciences et Techniques de Fès-Saïs.
Najem HASSANAIN : Professeur à la Faculté des Sciences de Rabat. Rachid TADILI : Professeur à la Faculté des Sciences de Rabat.
Invité :
Abdellah MOKSSIT : Directeur de la Météorologie Nationale.
Rabat
Faculté des Sciences, 4 Avenue Ibn Batouta B.P. 1014 RP, Rabat – Maroc, Tél. +212 (0) 5 37 77 18 34/35/38, Fax: +212 (0) 5 37 77 42 61, http://www.fsr.ac.ma
ii REMERCIEMENTS
Ce travail de thèse a été réalisé au Laboratoire d’Energie Solaire et d’Environnement au département de physique à la Faculté des Sciences
Université Mohammed V – Agdal Rabat.
Je tiens tout d’abord à remercier ALLAH le tout puissant, qui m’a donné la force et la patience d’accomplir ce travail durant toutes ces années.
Je remercie vivement mon directeur de thèse le professeur Mohammed Najib BARGACH, pour la confiance, l’orientation, la patience qui ont constitué un apport considérable sans lequel cette thèse n’aurait pas pu être menée. Qu’il trouve dans ce travail un hommage vivant à sa haute personnalité.
Une pensée particulière au professeur Ahmed MZRED qui m’a fait l’honneur de présider le jury de cette thèse et de contribuer par ses remarques et suggestions à améliorer la qualité de ce mémoire.
Je tiens à exprimer mes sincères remerciements au professeur Rachid TADILI, pour ses explications, sa collaboration dans l’accomplissement de ce travail et d’avoir accepté d’être rapporteur de cette thèse.
J’adresse ma profonde reconnaissance au professeur Najem HASSANAIN en acceptant d’examiner ce travail, de contribuer par ses précieux conseils et de siéger parmi les membres de jury de thèse.
Je suis très honorée à remercier le professeur Abdellah MECHAQRANE pour sa participation à mon jury de thèse en qualité de rapporteur de mon travail et pour toutes ses remarques intéressantes qu’il m’a faites.
Je tiens aussi à témoigner ma gratitude à la Direction de la Météorologie Nationale, au nom de son Directeur Mr Abdellah MOKSSIT, qui m’a permis d’entreprendre ce travail des les meilleurs conditions qui soient et d’avoir accepté de faire parti du jury de cette thèse.
Mes vifs remerciements vont également à Mr Hamid SAMRANI pour sa contribution efficace, son aide et son temps qu’il a bien voulu me consacrer pour surpasser les difficultés rencontrées tout au long de cette thèse.
Merci à toute l’équipe du laboratoire pour son soutien et pour les années de coopération passées ensemble.
Je souhaite adresser mes remerciements les plus sincères à mes collègues de la Direction Régionale de la Météorologie du Nord, dont particulièrement Mr Mohamed ELKHARRIM et Mme Amal SAYOURI qui n’ont cessé de contribuer à ce travail.
Et bien sûr, atteindre ces objectifs n’aurait pas été possible sans le soutien et la patience des membres de ma famille : ma mère, mon époux Abderrahaman CHAROUIF ainsi que mes enfants Yassine, Imane, Aya et Asmae et sans lesquels ce travail ne sera pas mené à terme.
iii
NOMENCLATURE
Variable Désignation Unité
Clat Chaleur massique de vaporisation J.kg-1
Clati Chaleur latente de vaporisation d’eau à la température de l’air
intérieur J.Kg
-1
Clate Chaleur massique de vaporisation d’eau à la température de l’air
extérieur J.Kg
-1
Cva Chaleur massique de l’air humide J.kg-1.K-1
Cpa Chaleur massique de l’air sec J. kg-1.K-1
Cvai Chaleur massique d’air humide à l’intérieur du séchoir J.kg-1.K-1
Cvae Chaleur massique d’air humide à l’extérieur du séchoir J.kg-1.K-1
D Débit horaire d’évacuation d’air Volume/Heure
E Epaisseur de la couche m
Fi-j Facteur de forme entre l’élément i et l’élément j adimensionnel
Fcn Facteur de couverture nuageuse adimensionnel
Gr Nombre de Grashof adimensionnel
hcve Coefficient d’échange convectif entre les vitres et l’air extérieur W.m-2.K-1
hcsi Coefficient d’échange convectif entre le sol et l’air intérieur W.m-2.K-1
hcti Coefficient d’échange convectif entre la tôle et l’air intérieur W.m-2.K-1
hcit Coefficient d’échange convectif entre l’air intérieur et la tôle W.m-2.K-1
hcis Coefficient d’échange convectif entre l’air intérieur et le sol W.m-2.K-1
hcvai Coefficient d’échange convectif W.m-2.K-1
Hm Coefficient de transfert massique entre les vitres et l’air J.kg. m-2.K-1
Le Nombre de Lewis adimensionnel
Lv Longueur caractéristique des vitres m
Nu Nombre de Nusselt adimensionnel
Pr Nombre de Prandtl adimensionnel
QCvai Densité de flux convectif sensible entre les vitres et l’air intérieur W.m-2 QCve Densité de flux convectif sensible entre le vitrage et l’air extérieur W.m-2 QCsi Densité de flux convectif sensible entre le sol et l’air intérieur W.m-2 QCsti Densité de flux convectif sensible entre la tôle et l’air intérieur W.m-2 QCit Densité de flux convectif sensible entre l’air intérieur et la tôle W.m-2
QCis Densité de flux convectif sensible entre l’air intérieur et le sol W.m-2
QCie Densité de flux convectif latent entre l’air à l’intérieur et à
l’extérieur de séchoir
W.m-2 QLvi Densité de flux convectif latent entre le vitrage et l’air intérieur W.m-2
QLve Densité de flux convectif latent entre le vitrage et l’air extérieur W.m-2
QLsi Densité de flux convectif latent entre le sol et l’air intérieur W.m-2
QLis Densité de flux convectif latent entre l’air intérieur et le sol W.m-2
QLiv Densité de flux convectif latent entre l’air intérieur et le vitrage W.m-2
QLit Densité de flux convectif latent entre l’air intérieur et la tôle W.m-2
iv extérieur
QRse Densité de flux radiatif entre le sol et la voûte céleste W.m-2 QRtv Densité de flux radiatif entre la tôle et le vitrage W.m-2 QRtc Densité de flux radiatif entre la tôle et le ciel W.m-2 QRve Densité de flux radiatif entre le vitrage et l’air extérieur W.m-2 QRvse Densité de flux radiatif entre le vitrage et le sol environnant W.m-2 QRvc Densité de flux radiatif entre le vitrage et la voute céleste W.m-2
Rvs
Q Densité de flux radiatif échangé entre le vitrage et le sol apparent W.m-2
Rvt
Q Densité de flux radiatif entre le vitrage et la tôle W.m-2
QRsav Densité de flux radiatif entre le sol apparent et le vitrage W.m-2
sav
Q Densité de flux absorbé par les vitres du séchoir W.m-2
sas
Q Densité de flux solaire absorbée par le sol W.m-2
sat
Q Densité de flux solaire absorbée par la tôle W.m-2
Re Nombre de Reynolds Adimensionnel
Ro Masse volumique de l’air kg.m-3
Roi Masse volumique d’air intérieur Kg.m-3
Roe Masse volumique d’air extérieur Kg.m-3
S Surface d’échange entre le solide et l’ai intérieur m2
Ta Température ambiante K
Température apparente de la voute céleste K
Tsc Température d’un ciel clair K
Tsd Température d’un ciel couvert K
V Volume d’air à l’intérieur du séchoir m3
Wi Humidité absolue de l’air kg/ kg d’air sec
Wv Humidité saturante à la température du vitrage kg/kg
Conductivité thermique de l’air W.m-1.K-1
Constante de Stefan Boltzman W.m-2.K-4
v
Résumé
Ce présent travail se propose de fournir une meilleure compréhension du comportement énergétique et thermique d’un séchoir solaire conçu et installé au Laboratoire d’Energie Solaire et d’Environnement (LESE). L’approche suivie est composée de trois principales étapes : théorique, numérique et expérimentale. Dans la partie théorique on s’est intéressé à développer deux modèles mathématiques permettant de décrire les différentes interactions et échanges énergétiques et thermiques entre les différents éléments du séchoir et le milieu extérieur, sous les caractéristiques climatiques de la région de Rabat. Ce qui nous a permis de réaliser des simulations décrivant le comportement énergétique et thermique du séchoir. La partie expérimentale a été consacrée à la mise en place, au laboratoire, d’un séchoir solaire direct et d’un séchoir témoin répondant mieux aux hypothèses de séchage. Ceci nous permis de mener des compagnes de mesures pour d’abord évaluer la conduite du séchoir et ensuite valider les modèles développés. Une bonne partie de ce travail a été consacrée à l’étude de l’impact des facteurs géométriques et des caractéristiques climatiques sur les performances du séchoir. Cette étude a révélé que les dimensions du séchoir, son inclinaison, les facteurs de forme, l’épaisseur de la plaque absorbante, la ventilation et la nébulosité ont une influence considérable sur le comportement thermique et énergétique du séchoir. Afin de faciliter la procédure de simulation et d’analyse, le développement de deux applications informatiques intégrant un ensemble de fonctionnalités numériques, des interfaces interactives et graphiques permettant aux utilisateurs la possibilité de manipuler et d’effectuer plusieurs simulations d’une manière rapide et efficace.
Mots-clefs: Séchoir solaire, Rayonnement global sur plan incliné, Rayonnement global transmis et absorbé, Transferts de chaleur, Température, Humidité.
vi
Abstract
The present work is a contribution to a better understanding of the energetic and thermal behavior of a solar dryer, designed and installed on the terrace of the Laboratory for Solar Energy and Environment (LESE) for optimization of the drying process. The approach used is composed of three main steps: theoretical, numerical and experimental. In the theoretical part we are interested in developing mathematical models to describe the various interactions and thermal and energetic exchanges between the different elements of the dryer and the outside environment, which allowed us to perform theoretical simulations describing the energetic and thermal behavior of the dryer. The experimental part was dedicated to the setting up of a direct solar dryer and a second prototype dryer which better meet the assumptions of drying; this allowed us to make several measurements to assess the behavior of the dryer and then validate the developed numerical models. Much of this work has been dedicated to the geometric parameterization and climatic factors affecting the performance of the dryer, which reveal that the dimensions of the dryer, the inclination, the form factors, thickness of the absorber sheet, the ventilation and the cloud cover have a considerable influence on the thermal and energetic behavior of the solar dryer. Finally, to facilitate the process of simulation and analysis, we have developed two computer applications that incorporate a set of numerical and graphical capabilities allowing users to better use and perform multiple simulations quickly and efficiently.
Keys-words: Solar Dryer, Global Irradiation on titled surface, Global transmitted irradiation,
1
Table des matières
Remerciements ... ii
Nomenclature ... iii
Résumé général ... v
Abstract ... vi
Liste des tableaux ... 3
Liste des figures ... 4
Introduction générale ... 8
Chapitre 1 : Le Séchage Solaire ... 10
I. Introduction ... 10
II. Procédés de séchage ... 11
III. Modes de séchage ... 12
IV. Variables d’état pertinents influant le séchage solaire ... 24
V. Exemples des caractéristiques thermiques des séchoirs solaires ... 26
Chapitre 2 : Caractéristiques Climatiques de la Région de Rabat ... 29
I. Introduction ... 29
II. Caractere général du climat ... 29
III. Données de l’étude ... 30
IV. Classification du climat à la région de Rabat par l’indice de koppen ... 31
V. Caractérisation du climat de la région nord ouest du Maroc par des indices bioclimatique ... 35
VI. Analyse des paramétres météorologiques de Rabat ... 39
VII.conclusion ... 50
Chapitre 3 : Etude du bilan énergétique du séchoir solaire ... 51
Partie A : Modélisation numérique du bilan énergétique du séchoir ... 51
I. Introduction ... 51
II. Principe de fonctionnement du modèle « CESS v1.0» ... 52
III. Approximations et hypothèses adoptées pour la modélisation ... 52
IV. Modelisation des différentes composantes des densités des flux radiatifs solaires au niveau du séchoir ... 54
Partie B : Résultats numériques, expérimentaux et validation du modèle mathématique CESS ... 65
I. Introduction ... 65
II. Approche géometrique ... 66
III. Approche comparative ... 73
IV. Approche énérgetique ... 78
V. Interface numérique et graphique du logiciel développé ... 90
VI. Conclusion ... 93
Chapitre 4 : Description du séchoir solaire et de ses paramètres mesurées ... 94
I. Introduction ... 94
II. Le site de l’installation ... 95
III. Instruments et paramétres mesurés ... 98
Chapitre 5 : Résultats expérimentaux du séchoir ... 112
I. Introduction ... 112
Partie A : Température et Humidité ... 113
II. Températures des differents éléments du séchoir ... 113
III. Humidité a l’intérieur du séchoir solaire ... 119
IV. Parametres humidité et temperature a l’intérieur du séchoir ... 121
V. Performances du séchoir solaire ... 123
VI. Conclusion ... 123
Partie B : Ventilation ... 124
2
II. Effet de la ventilation ... 124
III. Caractéristique du ventilateur utilisé ... 126
IV. Expérimentation ... 126
V. Conclusion... 133
Chapitre 6 : Bilan thermique du séchoir solaire ... 135
I. Introduction ... 135
II. Bilan thermique ... 135
III. Transferts de chaleur par convection ... 137
IV. Transferts de chaleur par rayonnement ... 143
V. Transferts de chaleur par conduction ... 148
VI. Description du système physique ... 149
VII. Les densites de flux échanges entre les elements du sechoir solaire ... 150
VIII.bilan thermique du sechoir ... 166
Chapitre 7 : Modélisation numérique du comportement thermique du séchoir solaire ... 169
I. Introduction ... 169
II. Concepts de base du modele numerique solar dryer ... 169
III. Organigramme du programme numerique ... 170
IV. La résolution numerique du sytème d’equations avec la methode runge kutta d’ordre 4 ... 173
V. L’application « SOLAR DRYER » ... 175
Chapitre 8 : Validation du modèle numérique et son confrontation aux mesures expérimentales ... 185
I. Introduction ... 185
II. Les mesures ... 185
III. Influence des facteurs de forme ... 186
IV. Influence de l’epaisseur de la tôle ... 189
V. Influence de la ventilation ... 192
VI. Influence de l’apport de chaleur ... 195
VII.Influence de la nebulosite ... 198
VIII.conclusion ... 202
Conclusions et Perspectives ... 204
I. Conclusion ... 204
II. Perspectives de developpement ... 207
Références bibliographiques ... 208
Publications et communications dans le cadre de la thèse ... 213
Annexe n°1 ... 214
Annexe n°2 ... 219
3
Liste des tableaux
Tableau I.1 : Avantages et inconvénients du séchage solaire et du séchage à l’air libre (Séchage
Solaire - Séchage à l’air libre). ... 13
Tableau I.2 : Comparaison entre les deux modes de séchage. ... 14
Tableau I.3 : Caractéristiques techniques du séchoir Tunnel INNOTECH Ingenieurs gesellschaft ... 20
Tableau I.4 Performance du séchoir solaire de Lumley et Choong ... 22
Tableau I.5 : Humidité absolue en fonction de la température et de l’humidité relative (séchage solaire, pratical action). ... 27
Tableau I.6 : Temps de séchage dans les séchoirs et à l’air libre en fonction des essences. ... 28
Tableau II.1 : Classification selon le type du climat ... 32
Tableau II.2 : Classification selon le régime pluviométrique ... 33
Tableau II.3 : Classification selon la variation de la température ... 33
Tableau II.4 : Classes climatiques selon l’indice de De Martonne. ... 35
Tableau II.5 : Evolution de l’Indice de De Martonne selon trois périodes. ... 36
Tableau II.6 : Classification selon l’indice de d’Emberger. ... 37
Table III.1: Valeurs retenues des coefficients de réflexion
b(
)
, de transmission
b(
)
et d’absorption
b(
)
. ... 61Tableau III.2 : Surfaces de la couverture du séchoir solaire ... 64
Table III.3 : Energie quotidienne en fonction aux valeurs optimums de la largeur et de la hauteur du séchoir. ... 71
Tableau III.4 : Rayonnement transmis par la face sud inclinée du séchoir en fonction de l’orientation déduit pour la journée du 27 juillet 2013. ... 74
Tableau III.5 : Energie quotidienne en fonction de l’orientation ... 75
Tableau III.6 : énergie quotidienne transmis à l’intérieur du séchoir en fonction de l’inclinaison . ... 76
Tableau III.7 : Variation de l’énergie quotidienne transmise par la surface S1 (en Wh/m2) en fonction de l’inclinaison ... 77
Tableau III.8 : Proportion du rayonnement global transmis par les différentes façades du séchoir. ... 88
Tableau VI.1: Eléments du séchoir solaire ... 150
Tableau VI.2 : Dimensions du séchoir considérées pour le calcul des facteurs de forme ... 153
Tableau VI.3 : Facteurs de forme calculés relatifs à la surface sud inclinée v1. ... 153
Tableau VI.4 : Facteurs de forme calculés relatifs à la surface sud verticale v2. ... 154
Tableau VI.5 : Facteurs de forme calculés relatifs à la surface sud verticale v5. ... 154
4
Liste des figures
Figure I.1 : Les trois différents premiers modes des séchoirs solaires ... 16
Figure I.2 : Séchoir de Sharma avec mode ouvert (B) et fermé (A) ... 18
Figure I.3 Séchoir solaire de Prestemon ... 19
Figure I.4: Plan d’un séchoir solaire en tunnel. ... 20
Figure I.5 : Twaalf Ambachten séchoir ... 21
Figure I.6 : Modèle de séchoir Simpson et al. ... 22
Figure I.7 Séchoir solaire de Lumley et Choong ... 23
Figure I.8 : Modèle ICARO I.5, juillet 2012 ... 23
Figure II.1 : Normale annuelle pour la période 1981-2010 de la température moyenne de la région Nord ouest du Maroc en °C. ... 34
Figure II.2 : Normale annuelle pour la période 1981-2010 des précipitations à la région du Nord ouest du Maroc en mm. ... 34
Figure II.3 : Quotient d’Emberger durant les périodes 1961-2000, 1981-2000, 2001-2012. ... 37
Figure II.4 : Diagramme Ombrothermique de la région de Rabat pour les périodes a) :1961-1980, b) : 1981-2000, c) : 2001-2012 et d) : 1961-2012. ... 38
Figure II.5 : Normale mensuelle des précipitations et records battus en 24 heures. ... 40
Figure II.6 : Année excédentaire et déficitaire par rapport à la normale en pourcentage. ... 40
Figure II.7: Températures maximales et minimales moyennes et absolues mensuelles à Rabat. ... 41
Figure II.8 : a) Rose du vent annuelle, b) Rose du vent automne, c) Rose du vent hiver, d) Rose du vent printemps, e) Rose du vent été pour la période du 2009 à 2013. ... 43
Figure II.9 : Records absolus du vent, période de référence 1961-2012. ... 43
Figure II.10 : Nombre de jours avec vitesse du vent supérieur à 16 m/s, période de référence 1981-2010. ... 44
Figure II.11 : Moyenne mensuelle de l’insolation en heures. ... 44
Figure II.12 : Moyenne mensuelle de l’humidité maximale et minimale à la région de Rabat. .. 45
Figure II.13 : Moyenne mensuelle en nombre de jours des phénomènes météorologiques les plus importants pour la région du Rabat. ... 46
Figure II.14 : Moyenne annuelle en nombre de jours des phénomènes météorologiques à la région du Rabat. ... 46
Figure II.15 : PRCPTOT : Précipitation moyenne de Rabat cumulée pour la saison pluvieuse. ... 47
Figure II.16 : CWD : nombre maximal des jours consécutifs avec des précipitations RR>1mm. ... 48
Figure II.17 : CDD : Nombre maximal de jours consécutifs de sécheresse précipitations RR < 1mm. ... 48
Figure II.18 : SU35 : Nombre total annuel de jours très chaud, température maximale Tx>35°C. ... 49
Figure II.19 : WSDI : Nombre total annuel de jours avec au moins 6 jours consécutifs de Tx>percentile 90. ... 49
Figure II.20 : ID 15 : Nombre total annuel des jours frais : Tx<15°C. ... 50
5 Figure III.2 : Coefficient de transmission théorique (courbe en pointillés) et expérimental
(courbe en continu)
b(
)
en fonction de l’angle d’incidence . ... 59Figure III.3: Les coefficients de transmission, de réflexion et d’absorption ... 61
retenus pour le rayonnement solaire direct en fonction de l’angle d’incidence . ... 61
Figure III.4 : Variation des dimensions du séchoir selon les trois axes ox, oy et oz. ... 66
Figure III.5 : Rayonnement solaire global incident sur la forme standard (courbe en pointillée) et sur la forme modifiée suivant ox, oy et oz (courbe trait plein). ... 67
Figure III.6 : Variation de l’énergie quotidienne en fonction de la variation de la hauteur du séchoir. ... 67
Figure III.7 : Variation de l’énergie quotidienne selon les directions des x ... 68
Figure III.8 : Energie quotidienne maximale correspondante à la valeur optimale de la largeur du séchoir. ... 69
Figure III.9 : Energie quotidienne en fonction de la variation de la longueur et de largeur du séchoir. ... 69
Figure III.10 : Augmentation selon x à partir de la forme standard. ... 70
Figure III.12 : Variation du rayonnement transmis par la surface S1 (en W/m2) en fonction de l’orientation . ... 74
Figure III.13 : Variation du rayonnement transmis par la surface S1 (en W/m2) en fonction de l’inclinaison ... 76
Figure III.14 : Comportement de l’énergie quotidienne transmis par la face Sud inclinée en kW/m² en fonction de l’inclinaison du séchoir. ... 77
Figure III.15 : Composantes du rayonnement solaire sur plan horizontal ... 79
Figure III.16 : Composantes du rayonnement mesurées par le séchoir pour la journée du 26 juillet 2013 ... 80
Figure III.17 : Rayonnement global incident calculé et mesuré pour la vitre inclinée du séchoir pour la journée du 27 juillet 2013 ... 81
Figure III.18 : Rayonnement global transmis mesuré et calculé au niveau de la vitre inclinée du séchoir pour la journée du 27 juillet 2013. ... 82
Figure III.19 : Rayonnements solaires directs incidents reçus par les surfaces orientées Est et Ouest et par le plan horizontal, pour la journée du 27 juillet 2013. ... 83
Figure III.20 : Rayonnement solaire direct incident pour les deux surfaces inclinées et horizontales pour la journée du 27 Juillet 2013. ... 84
Figure III.21 : Rayonnement solaire direct incident sur plan horizontal et sur la surface verticale face au Sud, pour la journée du 27 juillet 2013 ... 85
Figure III.22: Rayonnement solaire direct incident sur plan horizontal et sur la surface verticale face au Nord, pour la journée du 27 juillet 2013. ... 86
Figure III.23: Rayonnement solaire global incident, transmis, réfléchi et absorbé par la couverture du séchoir pour la journée du 27 juillet 2013 ... 87
Figure III.24 : Variation du rayonnement transmis par les surfaces inclinées sud (a), surface vertical sud (b), surface est (c) et surface ouest (d), du rayonnement incident et transmis total de la couverture pour la journée du 27 Juillet 2013. ... 89
Figure III.25 : Page principale de l’interface CESS pour le calcul du rayonnement. ... 90
Figure III.26: Page de l’interface CESS pour l’introduction des données d’entrées. ... 91
Figure III.27: page pour le lancement du calcul ... 92
Figure III.26: page de l’interface permettant de visualiser les résultats graphiques du rayonnement pour une journée de données. ... 92
6 Figure III.28: page de l’interface permettant de visualiser les résultats numériques du
rayonnement. ... 93
Figure IV.1 : Vue en perspective du séchoir ... 95
Figure IV.3 : Séchoirs solaires prototypes ... 98
Figure IV.4 : le dispositif de la mesure de la température sonde + abri... 103
Figure IV.5 : Boite de jonction utilisée au niveau du laboratoire. ... 104
Figure IV.6: Validation de l’humidité relative pour la journée du 31 juillet 2013. ... 108
Figure IV.7 : Humidité relative calculée à l’intérieur du séchoir pour le 1 et le 2 août 2013. . 109
Figure IV.8 : Variation de l’humidité absolue à l’intérieur du séchoir. ... 111
Figure IV.9: Variation de la température et de l’humidité relative à l’intérieur du séchoir. .... 111
Figure V.1 : Températures de l’air intérieur dans les deux séchoirs solaires et température de l’air extérieur mesurées pour la période allant du 7 au 13 aout 2013. ... 114
Figure V.2 : Rayonnement solaire reçu par le séchoir du 7 au 13 aout 2013 ... 114
Figure V.3 : Températures du sol deux séchoirs solaires et température de l’air extérieur mesurées pour la période allant du 7 au 13 aout 2013. ... 115
Figure V.4 : Evolution de la température du vitrage des deux séchoirs solaires et température de l’air extérieur mesuré pour la période allant du 7 au 13 aout 2013 ... 116
Figure V.5 : Evolution de la température de la tôle des deux séchoirs solaires et température de l’air extérieur mesurées pour la période du 7 au 13 aout 2013 ... 117
Figure V.6 : Evolution de la température à l’intérieur des deux séchoirs solaires pour deux situations différentes ... 118
Figure V.7 : Evolution de la température de l’air intérieur des deux séchoirs solaires pour deux cas différents. ... 119
Figure V.8 : Evolution de l’humidité relative à l’intérieur des séchoirs pour différents scénarios. ... 121
Figure V.9 : Températures et humidités relatives à l’intérieur du séchoir. ... 122
Figure V.17 : Température du séchoir A (avec ventilation continue), température du séchoir B (sans ventilation) et température ambiante en °C durant la période 11-20 Janvier 2014. ... 127
Figure V.18 : Rayonnement global reçu sur plan horizontal en W/m² durant la deuxième décade du mois de janvier 2014. ... 128
Figure V.19 : écart de la température intérieure des séchoirs A et B relatif à la température ambiante en °C du 11 au 20 Janvier 2014. ... 129
Figure V.20 : Evolution de l’humidité relative des deux séchoirs ainsi que l’humidité relative extérieure du la semaine du 11 au 17 Janvier 2014. ... 130
Figure V.21 : Ecart d’humidités en % entre le séchoir A (avec ventilation) et le séchoir B (sans ventilation) pour la période du 11 au 17 janvier 2014. ... 131
Figure V.22 : Rayonnement solaire pour la période du 26 Janvier au 2 Février 2014 ... 131
Figure V.23 : Température ambiante, à l’intérieur du séchoir A (avec ventilation), et à l’intérieur du séchoir B 5sans ventilation) du 26 Janvier au 2 Février 2014 ... 132
Figure V.24 : Ecart entre les humidités relatives en % entre les séchoirs B (sans ventilation) et le séchoir A (avec ventilation la nuit). ... 133
Figure IV.1 : Le système S et les différents flux échangés ... 136
Figure VI.2 : Schéma décrivant les différents critères de transition utilisés ... 140
Figure VI.3 : Schéma représentant le séchoir solaire installé au laboratoire ... 149
Figure VI.4 : L’ensemble des flux entrants et sortant relatif au vitrage ... 167
Figure VII.1 Organigramme du modèle numérique sur le comportement thermique du séchoir solaire ... 171
7
Figure VII.2 : Processus de l’installation de « Solar Dryer Simulator v1.1 » ... 176
Figure VII.3 : fenêtre principale ... 177
Figure VII.4 : Barre d’outils ... 177
Figure VII.5 : manipulation des paramètres de la simulation ... 178
Figure VII.6 : Sauvegarde des paramètres de simulations ... 179
Figure VII.7 : lancement du calcul ... 180
Figure VII.8 : sauvegarde de la simulation ... 180
Figure VII.9 : Menu de visualisation des sorties ... 181
Figure VII.10 : Exemple de sorties graphiques ... 182
Figure VII.11 : exemples de comparaison de deux simulations ... 183
Figure VII.12 : superposition des deux cas de simulations avec les mesures ... 184
Figure VII.13 : Analyse statistique ... 184
Figure VIII.1 : Effet des facteurs de formes sur la température et l’humidité pour le mois de Juillet 2013 ... 188
Figure VIII.2 : Effet des facteurs de l’épaisseur de la tôle sur la température et l’humidité pour le mois de Juillet et aout 2013 ... 192
Figure VIII.3 : Effet de la ventilation sur le comportement thermique du séchoir. ... 195
Figure VIII.4 : effet de l’apport de chaleur sur le comportement du séchoir ... 198
Figure VIII.5 : Effet de la nébulosité sur le comportement du séchoir... 201
Figure 1 : Profil de température à l’air libre et à l’entrée de chaque cabine du séchoir solaire tunnel Hohenheim à vide. ... 214
Figure 2 : Profil d’humidité à l’air libre et dans le séchoir solaire Hohenheim à vide ... 215
Figure 3 : Variation du rayonnement incident et de la température ambiante et à l’intérieur du séchoir en fonction du temps. ... 216
Figure 4 : Variation de l’humidité relative à l’extérieur et à l’intérieur du séchoir en fonction du temps. ... 216
Figure 5: L’évolution de la température à l’intérieur du séchoir ... 217
Figure 6: Evolution de l'humidité absolue à l'intérieur du séchoir ... 217
Figure 7 : Schéma du séchoir solaire direct sous une convention naturelle dryer: (1) couverture transparante (2) plaque absorbante, (3) grille métalique, (4) entrée de l’air, (5) sortie de l’air, (6) coffret en bois, (7) isolation (8) plaque électrique. ... 218
8 INTRODUCTION GENERALE
L’utilisation de l’énergie a pris de l’ampleur, et l’exploitation de nouvelles formes d’énergie est devenue une nécessité pour assurer le niveau de vie actuel de l’humanité. Dans les pays en voie de développement, dont le degré d'ensoleillement est considéré très important tout au long de l'année, le séchage par le biais de l'énergie solaire est une alternative raisonnable. Cette énergie solaire est utilisée dans le passé et jusqu’à ce jour, cependant l’efficacité du séchage en plein air a montré sa faiblesse compte tenu de ses inconvénients (influence directe des conditions météorologiques, exposition des produits aux rayonnements UV, aux insectes et poussières, etc.).
Les pays industrialisés ont mis des séchoirs artificiels selon les règles scientifiques qui donnent satisfaction au point, mais en contre partie utilisent d’autres sources d’énergies autres que l’énergie renouvelable telle que les gaz de combustion du fuel. Ce type de séchoirs résout certes certains problèmes liés au séchage à l’air libre, mais en alternative, génère un coût non négligeable et nuise à l’environnement. Le défi est de pouvoir remédier à ces alias et garantir une production de qualité avec un temps minime et à moindre coût. Les séchoirs solaires représentent une solution intermédiaire qui satisfait le rapport qualité prix. Ils se montrent plus économiques en énergie tout en préservant une bonne qualité du produit, aussi ils sont mis en œuvre par des techniques relativement simple. Ce type de système intéresse les pays industrialisés ainsi que les pays en voie de développement.
Cette thèse s’inscrit dans une optique d’étude et d’optimisation du séchage solaire; elle a à la fois un caractère théorique, numérique et expérimental. La démarche suivie, c’est-à-dire le choix du séchoir solaire, le développement des modèles, l'évaluation expérimentale des paramètres, la simulation et la comparaison des résultats théoriques aux résultats expérimentaux constitue une approche rigoureuse et complète. Ce type d’approche permet d’évaluer la validité des modèles utilisés et la performance du séchoir solaire construit. Elle constitue une contribution originale visant à mieux comprendre le comportement énergétique et thermique du séchoir solaire et avoir un outil pour le développement du processus du séchoir solaire. Le processus de séchage est simple dans son principe mais très complexe dans la compréhension exacte de l’opération; cette complexité est due au fait que le processus physique est fortement non linéaire des échanges et des interactions compliquées, et des conditions de séchage sont liées à plusieurs facteurs et variables climatiques qui changent au cours du séchage.
9 La conception et la réalisation au niveau du Laboratoire d’Energie Solaire et d’Environnement (LESE) d’un prototype de séchoir de complexité aussi réduite que possible a fait l’objet préliminaire de cette étude. Le séchoir a été équipé par des instruments mesurant les paramètres les plus importants et les plus influençant (différentes composantes du rayonnement solaire, température du vitrage, température à l’intérieur du séchoir, température humide à l’intérieur du séchoir, température du sol du séchoir, température de la tôle utilisée comme absorbeur). La température ambiante, l’humidité relative à l’extérieur du séchoir, la vitesse du vent et le rayonnement global sur plan horizontal sont mesurés par la station automatique dont dispose le laboratoire.
Deux modèles mathématiques permettant de décrire et d’évaluer les transferts de rayonnement solaire au sein du séchoir solaire ainsi que les transferts de chaleur ont été développés et établis en Programme Fortran. Les deux modèles numériques ont permis d’élaborer des applications et des interfaces graphiques interactives. Ces interfaces ont joué un rôle majeur pour faciliter les différentes simulations numériques et voir, d’une manière précise et en détail l’influence que peut avoir chaque paramètre et chaque variable sur le comportement énergétique et thermique du séchoir solaire, et par conséquent, prédire le modèle réalisant les meilleures performances.
Une bonne partie de ce travail a été consacrée à mener des compagnes de mesures durant les saisons d’été et d’hiver. Ces compagnes de mesures vont permettre d’une part, de suivre et d’analyser le comportement du séchoir pendant plusieurs jours et aux différents moments de la journée, d’autre part de valider les modèles numériques développés.
Ainsi le plan de cette étude sera acheminé synthétiquement selon le canevas suivants :
Une description générale des différents types des séchoirs solaire; Une analyse approfondie sur le climat de la région de Rabat ;
Une représentation du dispositif expérimental et mesures utilisés dans l’étude ;
Une synthèse des résultats sur le bilan énergétique du séchoir ;
Une analyse de l’évolution des variables d’état à partir des résultats expérimentaux ;
Une étude théorique décrivant les différentes interactions et échanges thermiques entre les différents éléments du séchoir ;
Une description des modèles numériques développés ainsi que les interfaces graphiques mises en œuvre ;
Une évaluation de la performance thermique du modèle par la réalisation de plusieurs simulations théoriques et des compagnes de mesures ;
10
Chapitre 1 : Le Séchage Solaire
I. INTRODUCTION
Le séchage solaire est un moyen de transformation de certains produits. Il est utilisé à la fois dans le monde rural, dans le monde industriel à travers l’industrie, l’agroalimentaire, le textile, etc. Avec des outils et des matériaux localement disponibles, les séchoirs solaires sont faciles à construire, et peuvent fonctionner par convection naturelle ou forcée.
Evidemment, l’ensoleillement, l'humidité, le vent et la température affecteront les performances du séchoir. A nos jours, le séchage d’un ensemble de produits tels que le bois ou les produits agricoles comme les dattes, les tomates, la menthe, etc. de natures hygroscopiques, connaît une évolution importante. Un produit est dit hygroscopique lorsqu’il est susceptible de perdre ou de reprendre de l’humidité en fonction des caractéristiques de l’air. Ce caractère hygroscopique génère trois contraintes principales :
les attaques d’insectes ou de champignons ;
les défauts (retraits, fentes, déformations comme c’est le cas du bois) ; des difficultés de transformation et de perdre de la qualité nutritive pour
les produits agroalimentaires.
Le séchage permet de limiter ces phénomènes et confère aux produits une certaine durabilité et qualité.
Au-delà de ces enjeux techniques, le séchage doit aussi répondre à des enjeux économiques (possibilité de se démarquer et de répondre aux besoins du marché) et des enjeux réglementaires.
En effet, des contraintes techniques et réglementaires sont également mises en jeu, et permettent de répondre à des contraintes économiques, à savoir la possibilité de développer des produits plus élaborés et de très bonne qualité, de répondre aux attentes du consommateur et de valoriser des produits, etc. (Séchage du bois, 2007)
11 Ces techniques donnent lieu à des normes à l’échelle internationale comme par exemple les normes ou les Documents techniques Unifiés (DTU) établis par la Commission Générale de Normalisation du Bâtiment /DTU dès 1958 et intégrant le système normatif français, avec l’harmonisation technique européenne. Les normes indiquent des humidités limites pour les bois mis en œuvre (DTU, 2012) :
DTU 31.1 : charpente en bois (H% ≤ 22%)
DTU 31.2 : maisons à ossature en bois (H% ≤ 18%) EN 14 250 : charpente industrielle (H% ≤ 22%) NF D 61-010 : siège (H% ≤ 12%).
II. PROCEDES DE SECHAGE
Plusieurs procèdes sont mis en jeu, à savoir : II.1 Séchage par pompe à chaleur
Les séchoirs par pompe à chaleur ou séchoirs par déshumidification, n’exploitent qu’une seule source d’énergie : l’électricité. Ce type de séchoir est équipé d’un groupe frigorifique comprenant une batterie froide, un évaporateur, une batterie chaude et un condenseur.
La pompe à chaleur fournit plus d’énergie qu’elle n’en consomme. On trouve deux procédés pour les séchoirs par pompe à chaleur :
- à circuit fermé : il n’existe aucun échange d’air avec l’extérieur ;
- à circuit ouvert : un échange d’air est effectué avec l’extérieur pour faire baisser la température dans le séchoir.
Les niveaux de températures sont inférieurs à ceux des séchoirs à air chaud climatisé, et présentent des durées de séchage plus longues. Ces séchoirs sont mieux adaptés aux bois type feuillus.
II.2 Séchage à air chaud climatisé
C’est le procédé le plus couramment utilisé. Il permet notamment de travailler sur une large plage de température atteignant les 90 °C. L’évacuation de l’humidité du séchoir se fait par échanges d’air avec l’extérieur. L’apport calorifique peut se faire directement par un brûleur ou indirectement par des batteries de chauffe alimentées par de l’eau chaude, de la vapeur ou tout autre fluide thermique.
II.3 Séchage sous vide
Un séchoir sous vide est une enceinte hermétique dans laquelle on diminue la pression grâce à une pompe à vide. Ce sont les actions conjuguées de la
12 pression et de la température qui vont accélérer la circulation de l’eau dans les produits et intensifier l’évaporation.
La diminution de la pression favorise la circulation de l’eau du cœur vers la surface. Dans le cas du bois par exemple, l'eau circule cinq fois plus vite dans le matériau sous une basse pression de 60 mmHg, que sous une pression normale de 760 mmHg, (Bekkioui N., 2009).
C'est cette propriété que l'on utilise dans ce procédé de séchage sous vide : la principale caractéristique du séchage sous vide est sa rapidité (3 à 6 fois plus rapide que le séchage à air chaud climatisé). Ce type de séchage est plus adapté quand il s’agit des grandes quantités.
II.4 Pré-séchage
Le pré-séchage consiste en un début de séchage artificiel du produit jusqu’à une humidité finale. Selon les besoins de l’utilisateur, les produits pré-séchés pourront être dirigés vers des cellules de séchage pour atteindre le taux d’humidité finale désiré. Cette technique permet d’améliorer la qualité des produits, grâce à un séchage doux et contrôlé.
III. MODES DE SECHAGE III.1 Séchage à l’air libre
Le séchage à l’air libre ou séchage naturel (dit traditionnel) est la méthode la plus ancienne qui se réalise en stockant le produit à sécher, sous abris bien ventilés et suffisamment espacés afin de permettre une bonne circulation de l’air. Ce mode de séchage, qui ne nécessite aucune source de chaleur artificielle, reste relativement performant dans les zones arides et sèches. Il convient pour les petites productions destinées à l’auto consommation ou à la consommation locale. Son avantage est que son coût de matériel est très faible, alors que son inconvénient est que les produits restent exposés à l’air libre, ce qui les fait exposer à des poussières, des insectes et au développement des moisissures à cause de la reprise d’humidité au cours de la nuit. Aussi, puisque la vitesse du séchage dépend d’une manière directe des conditions météorologiques, un contrôle de la durée du séchage et de la qualité des produits à sécher devient difficile voire impossible.
Pour remédier à ces inconvénients, pendant la nuit ou lorsqu’il pleut, les produits peuvent être abrités sous un bâtiment ou être recouverts par des toiles imperméables. La vitesse d’évaporation peut être augmentée en remuant les produits régulièrement au cours du séchage avec des claies non surchargées de produits pour faciliter la circulation de l’air et garantir un séchage uniforme de tout le produit.
13 III.2 Séchage solaire
Le séchage solaire est un mode intermédiaire entre le séchage artificiel et le séchage naturel.
On peut atteindre avec ce mode de séchage une humidité finale plus basse que le séchage à l’air libre, mais relativement plus haute que le séchage artificiel. Les paramètres de séchage sont plus contrôlés que le séchage à l’air libre, mais restent moins précis que le séchage artificiel.
La source d’énergie est le soleil qui émet des rayons solaires dont les longueurs d’onde sont essentiellement comprises entre 0,25 µm et 2,5 µm. Ces rayons sont par la suite transformés en chaleur par l’absorbeur qui, à son tour, transmet des radiations dans le domaine de l’infrarouge (Bargach M.N., 2000). Le tableau ci-dessous décline les principaux avantages et inconvénients du séchage solaire et à l’air libre (Sanchez D.L., 2008).
Séchage solaire Séchage à l’air libre
Avantages Avantages
Maîtrise de la teneur en eau finale désirée.
Obtention de produit de qualité (moins de pertes).
Source d’énergie « gratuite ».
Permet la gestion de la conduite de séchage.
Pas de risque d’attaque par insectes ou champignons.
Coût faible à moyen.
Séchage doux, grâce à l’alternance jour/nuit.
Pas de personnel qualifié exigé.
Faible gradient d’humidité dans l’épaisseur.
Peu de changement de couleur.
Pas de dépenses d’énergie.
Source d’énergie « gratuite ».
Inconvénients Inconvénients
Investissement initial important.
Consommation électrique (si ventilateur).
Conduite du séchoir.
Séchage lent, (temps de réponse au marché pénalisant).
Pertes importantes dues aux défauts de séchage.
Surface occupée importante.
Risque d’attaque (insectes et champignons).
Difficulté d’atteindre la teneur en eau souhaitée.
Tableau I.1 : Avantages et inconvénients du séchage solaire et du séchage à l’air libre (Séchage Solaire - Séchage à l’air libre).
Une expérimentation concrète pour le cas du séchage solaire du bois de thuya, a donné des résultats satisfaisants en comparaison avec le séchage à l’air libre, que ça soit en terme d’humidité finale, vitesse de séchage, prix et ou qualité de séchage (Elkannafi A., 2002). Le séchage solaire du bois de thuya a permis
14 d’atteindre, pour la même durée de 22 jours, une humidité finale plus basse d’environ 7% que celle du séchage à l’air libre (tableau I.2) :
Séchage solaire Séchage naturel
Hi % Hf% Temps en jours Hi% Hf% Temps en jours Bois de Thuya Provenance Khémisset 33.3 13.55 22 34.33 20.11 22
Tableau I.2 : Comparaison entre les deux modes de séchage.
D'après leurs modes de chauffage et la manière dans laquelle l'énergie solaire est utilisée, les systèmes de séchage solaire sont généralement classés en deux groupes majeurs (Institut National des Sciences Appliquées de Lyon) :
Les systèmes de séchage d'énergie solaire actifs (souvent appelés les séchoirs solaires hybrides);
Les systèmes de séchage d'énergie solaire passifs (conventionnellement appelés les séchoirs solaires à circulation naturelle de l'air de séchage).
Selon le type du séchoir et le mode d’utilisation de l’énergie solaire, quatre sous classes distinctes peuvent être identifiées pour ces deux systèmes de séchage actifs et passifs : les séchoirs solaires directs, les séchoirs solaires indirects, et les séchoirs mixtes et hybrides.
III.2.1 Le séchoir solaire direct
Le séchage solaire direct, de conception simple, utilise les rayons directs du soleil pour sécher les produits. Il est simple à réaliser. Se sont en général des constructions simples et robustes d’un châssis vitré où le vitrage sert à augmenter l’effet de serre.
La circulation d'air se fait à travers le séchoir par tirage naturel dû au réchauffement (effet cheminée) ou par action du vent sur les ouvertures, ou à l'aide d'un ventilateur, du fait de la simplicité des modèles.
Ce type de séchage présente deux avantages :
les produits sont mieux protégés de l'attaque des mouches et autres insectes ;
ils sont soumis à un effet de serre au même titre qu'un absorbeur de capteur plan, d'où une amélioration du bilan radiatif et une élévation de la température du produit à sécher, ce qui permet de diminuer notablement les temps de séchage par rapport aux systèmes traditionnels.
15 III.2.2 Le séchoir solaire indirect
Les produits à sécher ne sont pas exposés directement au rayonnement solaire. Ils sont disposés sur des claies à l’intérieur d’une enceinte ou d’un local en rapport avec l’importance des quantités de produits à sécher.
L'air neuf est admis dans l'enceinte de séchage après passage dans des capteurs à air ou autre préchauffeur qui le réchauffent en fonction du débit utilisé.
Ce type de séchoir est souvent plus compliqué et plus coûteux à construire que le séchoir direct. Il peut être réalisé à des échelles diverses, et il est surtout employé pour des produits très sensibles au rayonnement solaire ou dont le niveau de température doit être contrôlé, tel que les produits à vocation agricole comme les fruits et les légumes dont l’aspect, la couleur et la qualité nutritive et gustative doivent être mieux préservés.
Comme principe de fonctionnement, ce type de séchoir se compose généralement de deux parties: un collecteur qui converti le rayonnement solaire en chaleur, et une chambre de séchage qui contient le produit à sécher. L’air pénètre dans le collecteur qui s’échauffe ; sa température augmente et, par effet de convection naturelle, l’air chauffé monte à la chambre de séchage pour sécher le produit. La durée du séchage reste très variable selon les conditions météorologiques et la ventilation du séchoir.
III.2.3 Les séchoirs mixtes
Dans ce type de séchoirs, la chaleur nécessaire au séchage est fournie par l'action combinée du rayonnement solaire touchant directement les produits et de l'air préchauffé dans des capteurs.
16 Figure I.1 : Les trois différents premiers modes des séchoirs solaires
III.2.4 Les séchoirs hybrides
Le séchage solaire montre ses limites et ses inconvénients malgré les améliorations apportées. Le processus du séchage reste difficilement contrôlable puisqu’il dépend en grande partie des conditions météorologiques et climatologiques. Aussi, l’apport en humidité la nuit mène à prolonger la durée du séchage et à faire exposer les produits à des attaques microbiennes. Les séchoirs hybrides sont élaborés pour les produits demandant de grandes capacités et pour palier à ces inconvénients en utilisant des énergies telles que le gaz, le bois ou le fuel : ces énergies sont utilisées pour maintenir une température constante à l’intérieur du séchoir quelque soit les conditions climatologiques, l’énergie solaire devient secondaire dans ce cas, l’augmentation de la circulation de l’air se fait à travers des ventilateurs électriques. Ce type de séchoir qui garantie une augmentation de la productivité, un meilleur contrôle, une continuité du séchage pendant la nuit et durant toute les saisons ; représente aussi certains inconvénients comme la nécessité d’un personnel qualifié pour la maintenance et son coût de production et d’investissement qui reste élevé (Swetman T., 2007).
III.3 Les modèles des séchoirs
Nous allons décrire dans cette partie, quelques exemples des séchoirs réalisés et testés à travers le monde :
Mode direct Mode
Mode indirect
17 III.3.1 Séchoirs à effet direct
III.3.1.a. Séchoir de Sharma (Sharma et al, 1972)
Ce séchoir d’une capacité de 7,1 m3 de bois a été testé en Inde, en 1972. Depuis, plus d’une vingtaine sont en fonctionnement à des latitudes variant de 17° à 30°N. A l’exception du mur nord qui est calorifugé, tous les autres murs et le toit sont construits d’un double vitrage d’épaisseur de 5,5 mm enfermant une lame d’air de 37 mm. Un absorbeur ondulé est placé horizontalement au dessus de la pile de bois. La circulation d’air est assurée par deux ventilateurs de 1 KW de puissance, placés du coté du mur nord. L’entrée et la sortie d’air s’effectuent par des ouvrants placés respectivement dans le mur sud et le mur nord. La durée de séchage enregistrée avec ce séchoir est de 4 fois moindre que celle à l’air libre.
La régulation du séchoir se fait manuellement et se limite à :
une valeur maximale de l’humidité relative de l’air au dessus de laquelle il y a ouverture des clapets (pour une humidité du bois supérieure à 40%, le séchoir fonctionne en mode ouvert lui permettant de s’alimenter en air sec, afin de favoriser l’évaporation de l’eau, pour une humidité inférieure à 40%, le séchoir fonctionne en mode fermé puisque le rythme du séchage dépend à ce stade plus de la température de l’air) ;
une valeur minimale de la température au dessous de laquelle il y a arrêt du séchage.
18 Figure I.2 : Séchoir de Sharma avec mode ouvert (B) et fermé (A)
III.3.1.b - Séchoir de Prestemon (Prestemon D. R., 1983)
Ce séchoir d’une capacité de 2,4 m3 a été construit en 1983 à Ames en USA (Latitude 42°N, longitude 94°W). A l’exception du toit, toutes les faces du séchoir sont réalisées, en allant de l’intérieur vers l’extérieur, d’une couche d’aggloméré, de fibres de verre et du bois de charpente ; toutes les surfaces internes sont peintes en noir. Le toit qui joue le rôle du capteur est constitué d’une couche de polyester et de fibres de verre. La circulation d’air à l’intérieur du séchoir est assurée par deux ventilateurs de 50 cm de diamètre placés prés du toit. L’échange d’air avec l’extérieur se fait par six ouvrants perforés dans le mur nord. La durée de séchage d’un bois feuillus de 25 mm était de 4 semaines en saison d’été avec une humidité finale de 7 à 8 %.
19 Figure I.3 Séchoir solaire de Prestemon
III.3.1.c - Séchoir solaire Tunnel "Hohenheim" (Ingenieurs gesellschaft mbH, 2007)
Ce modèle de séchoir dédié essentiellement pour la production agro-alimentaire est réalisé en collaboration avec l’Université Hohenheim et INNOTECH Engineering Ltd en Allemagne. Il est destiné principalement pour les régions tropicales et subtropicales et est en exploitation commerciale dans une soixantaine des pays partout dans le monde.
Le séchoir Tunnel utilise les cellules photovoltaïques pour alimenter les ventilateurs et ainsi pour faire circuler l'air dans la zone de séchage. Le ventilateur permet de réduire le temps de séchage d’une manière considérable. L'air circule à travers une zone généralement peinte en noir (zone du collecteur) pour absorber la chaleur du soleil et passe à travers les plateaux qui contiennent les produits destinés à être séchés. Certains séchoirs se complémentent par l’ajout d’une cheminée favorisant une meilleure circulation de l’air, ou par l’utilisation d’un système de chauffage externe tel que l’eau chaude pour garantir un séchage plus efficace durant la nuit, ou lorsque les conditions météorologiques ne sont pas favorables.
20
Figure I.4: Plan d’un séchoir solaire en tunnel.
Concernant les données techniques du séchoir Tunnel, elles sont résumées dans le tableau I.3:
Longueur 18 m Largeur 2 m Surface 16 m² Surface de séchage 20 m² Débit de l’air 400 à 1200 m3/h Température de l’air 30 à 80 °C Puissance requise 20 à 40 W
Fonctionnement du ventilateur Panneau solaire photovoltaïque
Tableau I.3 : Caractéristiques techniques du séchoir Tunnel INNOTECH Ingenieurs gesellschaft
III.3.1.d - Séchoirs de «Twaalf Ambachten » (Green Technique, Ambachten 2000)
Ce type de séchoirs (figure I.5) est conçu pour les produits alimentaires par une organisation basée en Hollande qui investie dans le développement et l’information de solutions alternatives techniques et écologiques.
Le montage du séchoir est adapté aux conditions climatiques de la région de l’Europe du nord avec la prise en considération d’un angle d’inclinaison de 58°, déterminé par la position moyenne du soleil au printemps, en été et début d’automne. Le séchoir solaire est réalisé de telle façon que les rayons ne puissent pas atteindre directement le contenu des produits. L’air est chauffé par convection et par chaleur radiante résultante des plaques aluminium peintes en noir, positionnées derrière le verre qui sert aussi de support pour les claies. Une ouverture de 10 cm en haut de la boîte permettant à l’air
Ventilateur Panneaux solaires photovoltaïques Collecteurs thermiques Entré air Sortie d’air Tunnel du séchage
21 chaud d’y pénétrer. Sur la paroi du fond opposée à la vitre se trouve une cloison avec une ouverture de 10 cm pour inspirer l’air humide et frais hors de la boîte à l’aide de la conduite de cheminée située en haut de la boîte. La conduite de cheminée est de un mètre de longueur approximativement. Le tube de Plexiglas est isolé du tube noir interne. La boîte est construite en concret-plex (multiplex en plastique) et est montée sur une table mobile. Le plus grand support situé en bas fait 100 cm x 110 cm, et le plus petit support situé en haut fait 55 cm x 110 cm.
Figure I.5 : Twaalf Ambachten séchoir
III.3.2 Séchoirs à effet indirect
Pour ce type de séchoirs, les produits sont placés dans une chambre isolée comme c’est le cas des séchoirs artificiels. Les capteurs solaires sont séparés de la chambre de séchage, ce qui permet d'optimiser la surface de captation sans être lié aux dimensions de la chambre de séchage. Le transfert de chaleur entre les capteurs et la chambre de séchage se fait par l’intermédiaire des conduits calorifugés. Cette catégorie de séchoirs permet une meilleure isolation de la chambre de séchage minimisant ainsi les pertes thermiques.
22 III.3.2.a - Séchoir de Simpson et al. (Simpson W. T., 1992)
Ce séchoir est construit en 1984 pour le séchage du bois aux Philippines (Latitude 14°N) avec une capacité de 9,4 m 3 de bois. L'ossature de la chambre de séchage est en bois, les murs et le plafond ont respectivement un coefficient de transmission de chaleur de 0,347 et 0,207 W.m-².K-1. Le capteur est orienté vers le sud et posé au niveau du sol, la partie transparente est en fibres de verre d’épaisseur 10 mm. L’absorbeur permet une bonne isolation thermique au niveau du sol. L’air chaud est introduit dans la chambre de séchage quand la température du capteur est supérieure à celle de la chambre.
Figure I.6 : Modèle de séchoir Simpson et al.
III.3.2.b - Séchoir de Lumley et Choong
Ce séchoir (Lumley G. T., 1979) a une capacité de 0,9 m3, il est construit en 1981 aux USA. Le capteur solaire est placé au-dessus de la chambre du séchage construite en aggloméré et isolée. La circulation d’air est assurée par un ventilateur de 0,6 m de diamètre. Le passage d’air chaud du capteur vers le séchoir est arrêté pendant la nuit.
Bois Épaisseur (mm) Humidité % Durée séchage en jours
Frêne 51 51-14 19
Chêne rouge 38 82-17 29
Cyprès 25 88-10 21
23 Figure I.7 Séchoir solaire de Lumley et Choong
III.3.2.c Séchoir de ICARO 1.5 (Bechis S. et al. 2013)
Cette catégorie des séchoirs, conçus en 2012, fait partie du groupe des séchoirs solaires à lumière indirecte et à ventilation forcée. Ces modèles se caractérisent par le fait que l’énergie de ventilation forcée est fournie par un panneau photovoltaïque et par conséquent l’unité est donc complètement autosuffisante en ce qui concerne l’énergie.
Le modèle Icaro 1.5 est construit d’une tôle de dimension 2,44 x 1,22 m. Les séchoirs type Icaro ont étés étudiés de façon à pouvoir être réalisés en Afrique par des artisans en tenant compte des matières d’œuvre disponibles localement, et même d’une technique de construction adaptée à des ateliers de menuiserie métallique moyennement équipés figure I.8.
Figure I.8 : Modèle ICARO I.5, juillet 2012
Les produits séchés par ce type de séchoir sont de nature agroalimentaire (viande, herbes médicinales, fruit et légumes).
24 Le séchoir Icaro satisfait un certains nombre de conditions pour garantir un séchage optimal :
Séchage à l’abri du soleil pour avoir une couleur du produit plus brillante et plus semblable à celle du produit frais et un contenu vitaminique important;
Ventilation forcée pour avoir de très bonnes chances de succès de séchage en ayant une importante capacité d’expulsion de l’humidité ; autosuffisance énergétique complète ;
Absence de verre à raison de son coût et de sa fragilité. Des surfaces réfléchissantes ont été adoptées pour atteindre les températures voulues et un séchage correct ;
Possibilité de déplacer l’unité vers les lieux de production et de les
utiliser sur place afin d’éviter aussi une perte de produit due à la chaleur lors du transport.
Simplicité de réalisation; Simplicité d’utilisation; Bonne capacité de séchage; Prix modéré
IV. VARIABLES D’ETAT PERTINENTS INFLUANT LE SECHAGE SOLAIRE Le séchage solaire obéit à des échanges énergétiques et thermiques entre le produit et le milieu extérieur. La prise en considération de ces paramètres permet de réaliser des modèles décrivant d’une manière précise le comportement des séchoirs solaires et l’évolution de l’eau dans le produit à sécher (Sanchez D.L., 2008). Ces variables sont :
IV.1 La température
Cette variable est représentée par trois grandeurs : la température sèche, la température humide et la température de rosée. La température sèche correspond, à la température de l’air. Lors du séchage du produit tel que le bois, l’évaporation de l’eau absorbe de la chaleur en provoquant un refroidissement de l’air. Nous trouvons alors le concept de la température humide correspondant à la température d’évaporation de l’eau en surface en première phase de séchage. Une autre grandeur importante lors de l’étude de l’air humide est la température de rosée. Elle correspond à la température pour laquelle, la vapeur d’eau contenue dans l’air se condense sur des surfaces plus froides.
La température de l’air de séchage est la température sèche. Elle suit une oscillation diurne, et son amplitude varie d’un lieu à un autre en fonction des
25 saisons : elle est plus grande pour les régions continentales que côtières, elle diminue avec la latitude et croît dans le cas d’un ciel très couvert.
La température de l’air influe considérablement la vitesse de séchage. Cette influence est due à l’apport de chaleur au produit qui croit avec la température de l'air. Elle est aussi due à la température du produit qui est d’autant plus importante que la température de l’air est élevée. Par conséquent, les vitesses de diffusion de l’eau dans le produit augmentent avec la température.
IV.2 L’humidité de l’air
Cette variable d’état représente le rapport entre la pression partielle Pv et la pression de vapeur saturante, Pv-sat. L’humidité relative de l’air a une valeur de 100 % lorsque l’air est saturé.
A la différence de l’humidité relative, l’humidité absolue correspond à la masse de vapeur d’eau contenue par 1 kg d’air sec, elle est exprimée alors en kg de vapeur d’eau par kg d’air sec.
Au cours du processus de séchage, il est fondamental de pouvoir quantifier l’humidité contenue dans l’air à l’intérieur du séchoir solaire, de suivre son évolution et de savoir réguler son niveau.
La teneur en eau de l’air joue un rôle important dans le comportement des cinétiques de séchage des produits à sécher. De même que pour la vitesse de l’air, cette influence est plus importante au début de séchage et diminue lorsque la température de l’air augmente.
En effet, des expériences montrent que l’humidité circule d’une région humide vers une région sèche perpendiculairement aux surfaces d’égal degré d’humidité.
Comme exemple du bois humide à sécher, le gradient de température s’oppose au gradient d’humidité. Au cœur du bois, l’humidité est plus élevée qu’à la surface, tandis que la température est plus élevée à la superficie qu’au niveau du cœur.
En partant de ces données, le séchage sera accéléré si le centre du bois est plus chaud et plus humide que la périphérie (Villiere A., 1966).
IV.3 La pression
Comme nous l’avons signalé, l’air humide est constitué d’un mélange d’air sec et de la vapeur d’eau. La pression du mélange de l’air humide n’est que la somme de la pression partielle de l’air sec Pa et de la pression partielle de vapeur d’eau Pv. Lorsque l’air contient une quantité maximale de vapeur d’eau à une température donnée, nous utilisons la pression de vapeur saturante, Pv-sat. La vapeur proche de la surface de séchage du produit est à la pression de vapeur saturante à la température de surface (en première phase de séchage).
26 La différence entre ces deux pressions est l’un des termes moteurs favorisant l’évaporation de l’eau du produit que l’on appelle pouvoir évaporatoire.
IV.4 La vitesse de l’air
La vitesse de l’air est caractérisée par le déplacement d’une masse d’air, déplacement qui est produit par la force du gradient de pression (hautes pressions vers les basses pressions).
Pour des valeurs constantes de la température et de l’humidité relative, le séchage est accéléré en augmentant la vitesse de l'air à la surface du produit à sécher. Une vitesse de l'air faible est la cause d’une évaporation faible. En effet, s'il n’y a pas de mouvement autour du produit, il se créera une couche d’air saturé qui arrêtera l'échange d'humidité du produit vers l'air (Bekkioui N.,
2009).
Généralement, au début de l’opération de séchage, la vitesse de l’air agit très positivement lorsqu'il s’agit d’éliminer l’eau libre, alors que durant la dernière phase de séchage la vitesse de l'air a une faible influence. D'où l'intérêt d'avoir dans certains cas des ventilateurs à vitesse variable, avec possibilité de vitesse élevée au début de séchage et une vitesse plus faible vers la fin de séchage, ce qui entraîne une économie d'énergie avec une efficacité du séchage.
V. EXEMPLES DES CARACTERISTIQUES THERMIQUES DES SECHOIRS SOLAIRES
Un séchoir solaire efficace est un séchoir qui permet un séchage rapide sans dégradation des produits à sécher. Ce genre de séchoirs, dépend des conditions météorologiques qui influent en conséquence, sur les variables à l’intérieur des séchoirs (températures et humidités) qui sont capables d’optimiser les critères d’appréciation du séchage. Le choix du produit à sécher doit en conséquence être adapté pour être séché dans les séchoirs représentant les meilleures conditions.
Un air contenant une certaine quantité d'eau, à basse température, aura, lorsqu'il sera chauffé, une plus grande capacité de rétention d’eau. Le tableau ci-dessous donne l'exemple d'un air à 29°C avec une humidité relative de 90 %. Cet air, lorsqu'il sera chauffé à 50°C, aura alors une humidité de seulement 15 %. Cela signifie qu'au lieu d'être capable d'absorber seulement 0,6 g d'eau supplémentaire par kilogramme (à 29°C), il est capable d'absorber 24 g par kilogramme à (50°C). Sa capacité d'absorption d'humidité a donc été augmentée, parce qu'il a été chauffé (tableau I.5).
