Optimisation des dimensions d’ailettes de l’absorbeur à ailettes d’un chauffe-eau solaire compact

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ECOLE DOCTORALE

« SCIENCES POUR L’INGENIEUR »

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DIPLÔME D’ETUDES APPROFONDIES SCIENCES POUR L’INGENIEUR

Rapport de stage

Spécialité : Energétique et Environnement

Présenté par : ADIHOU C. Wilfrid

Soutenu le Mardi 16 décembre 2014

Année académique : 2013-2015 Encadré par :

Dr Aristide C. HOUNGAN

Maître Assistant Sous la direction de : Pr Malahimi ANJORIN Maître de conférences

THEME :

Optimisation des dimensions d’ailettes de l’absorbeur à ailettes d’un chauffe-

eau solaire compact

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DEDICACES

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Wilfrid Coffi ADIHOU/DEA-SPI 2014 Page ii

A DIEU Le Tout Puissant pour Ses grâces infinies dans ma vie. Tout ceci constitue les œuvres de Tes mains.

A toi mon épouse :

Les mots me manquent pour t’exprimer ici toute ma gratitude, toute ma reconnaissance pour les nombreux sacrifices que tu as consentis pour la réussite de cette œuvre.

A toi ma fille Jecolia :

Tes mouvements à mes côtés me réconfortent.

Puisse Dieu nous prêter vie pour qu’ensemble nous puissions goûter le fruit de ce travail.

À vous mes beaux-parents :

Les mots me manquent pour vous dire merci. Que DIEU, Le Tout Puissant vous comble de Ses bénédictions.

À mes parents :

Je vous dis merci pour tout ce que vous m’avez fait depuis mon enfance. Vos conseils, vos soutiens ont porté leur fruit.

À tous mes frères et sœurs pour votre amour et votre soutien continuel.

Au Docteur Aristide C. HOUNGAN et son épouse :

Vos conseils, vos soutiens et vos orientations ont donné de fruits. Que DIEU vous bénisse !

Et à tous ceux qui se retrouveraient à travers ce travail, recevez mes meilleures reconnaissances

Que Dieu vous bénisse au nom de son Fils Jésus.

Amen !

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REMERCIEMENTS

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Je voudrais sincèrement remercier :

1. Mon encadreur Pr Malahimi ANJORIN qui a accepté, malgré ses multiples occupations, de conduire cette étude. Grâce à vos conseils, votre disponibilité même à des heures tardives, et surtout à vos franches critiques, ce travail a pu être fait ;

2. Dr HOUNGAN C. Aristide pour avoir suivi ce travail. vous êtes d’une assistance incommensurable ;

Votre sens aigu du travail et votre rigueur scientifique ont permis la réalisation de cette étude.

1. Monsieur Gérard DEGAN, Président du Comité Doctoral et Directeur du Laboratoire d’Energie et de Mécanique Appliquée (LEMA) ;

2. Tous les enseignants de l’Ecole doctorale « Sciences Pour l’Ingénieur » pour la qualité de vos enseignements, sincères reconnaissances et hommages respectueux.

3. A tous les enseignants du département de la Mécanique et Energétique de l’EPAC ;

4. A tous les doctorants au Laboratoire d’Energie et de Mécanique Appliquée (LEMA) ;

5. A tous mes collègues de promotion pour leur sens de partage ;

6. A tous ceux qui ont pris part à la réalisation de ce travail pour la pertinence de leurs remarques et leurs conseils.

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Wilfrid Coffi ADIHOU/DEA-SPI 2014 Page v

RESUME

Le travail présenté concerne l’optimisation des dimensions d’ailettes de l’absorbeur d’un capteur solaire thermique compact. Pour cette étude, nous avons travaillé sur cinq types de capteurs solaires thermiques compacts munis des absorbeurs à ailettes et des canaux d’écoulement du fluide à ailettes.

L’optimisation s’est basée sur deux critères : - Un critère partiel qui est le rendement ; - Un critère global qui est l’entropie générée.

Ces deux critères s’accompagnent de la condition de réalisation du corps noir au niveau de l’absorbeur.

Les différentes courbes expliquant l’évolution du rendement et de l’entropie générée nous ont permis d’optimiser le pas et la hauteur des ailettes de l’absorbeur.

Les différentes courbes expliquant l’évolution de l’influence du pas et de la hauteur des ailettes du canal d’écoulement sur l’entropie générée ont permis d’optimiser aussi le pas et la hauteur de ailettes.

Nous constatons que pour l’absorbeur, le pas optimal des ailettes est de 0,005 m et la hauteur optimale est de 0,05 m. A ces valeurs optimales, le rendement des capteurs n°3 et n°4 est de 85%, celui des capteurs n°1 et n°2 est de 82% et celui du capteur n°5 est de 78%.

Au niveau du canal d’écoulement du fluide caloporteur, le pas des ailettes doit être compris entre 0,05 m et 0,95 m. Pour toutes les valeurs comprises dans cet intervalle, l’entropie garde la même valeur minimale.

Mots et expressions clés : optimisation, chauffe-eau solaire compact, absorbeur, ailette, entropie générée, rendement, pas, hauteur.

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ABSTRACT

Work presented concern optimization of the dimension of fins of the absorber for a compact thermal solar collector. For this study, we worked on five types of compact thermal solar collectors provided with the fins absorbers and the fins canals for the flow of the fluid. Optimization is based on two criteria:

- A partial criterion which is the output;

- A total criterion which is the generated entropy.

These two criteria are accompanied by the condition of realization of the black body on the level of the absorber.

The various curves explaining the evolution of the output and the generated entropy enabled us to optimize the step and the height of the fins of the absorber.

The various curves explaining the evolution of the influence of the step and height of the fins of the flow canal on the generated entropy enabled also optimize the step and the height of fins.

We note that for the absorber, the optimal step of the fins is 0.005 m and the optimal height is 0.05 m. to these optimal values, the output of the collector n°3 and n°4 is 85%, that of the collector n°1 and n°2 is 82% and that of the collector n°5 is 78%.

On the level of the flow canal of the coolant, the step of the fins must include between 0.05 m and 0.95 m. for all the values included in this interval, the generated entropy keeps the same minimal value.

Key words and expressions: optimization, compact thermal solar collector, absorber, fins, generated entropy, output, step, height.

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TABLE DES MATIÈRES

DEDICACES ...i

REMERCIEMENTS ... iii

RESUME ... v

TABLE DES MATIÈRES ... vii

LISTE DES FIGURES ... xi

TABLEAU... xv

NOMENCLATURE ... xvi

LES INDICES ... xix

PROBLEMATIQUE ... xx

INTRODUCTION ...1

CHAPITRE 1 : GENERALITES...3

INTRODUCTION ...4

1.1.1. Constante solaire ...4

1.1.2. Repérage d’un site sur la surface terrestre ...4

1.1.3. Coordonnées du soleil ...5

1.1.3.1. La déclinaison ...5

1.1.3.2. L’heure civile du fuseau horaire TC ...5

1.1.3.3. L’équation de temps ET ...5

1.1.3.4. Temps légal ...5

1.1.3.5. Temps solaire (TS) ...6

1.1.3.5.1. Le temps solaire moyen (TSm)...6

1.1.3.5.2. Temps solaire vrai (TSv) ...6

1.1.3.6. Angle horaire (ω) ...7

1.1.3.7. Hauteur h du soleil ...7

1.1.3.8. Durée du jour...7

1.1.3.9. Azimut ...8

1.1.4. Irradiation solaire ...9

1.2. Notions de base ... 10

1.2.1. Corps noir ... 10

1.2.2. Effet de serre ... 11

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1.2.3. Capteurs solaires ... 11

1.2.3.1. Capteurs solaires à concentration ... 11

1.2.3.2. Capteurs solaires plans ... 12

1.2.3.2.1. Capteurs plans vitrés ... 13

1.2.3.2.2. Description du capteur solaire plan vitré ... 14

1.3. Paramètres de fonctionnement des capteurs solaires ... 17

1.3.1. Paramètres externes ... 17

1.3.2. Paramètres internes ... 17

1.3.3. Paramètres de fonctionnement ... 17

Conclusion partielle ... 18

CHAPITRE 2 : REVUE BIBLIOGRAPHIQUE ... 19

INTRODUCTION ... 20

2.1. Quelques travaux réalisés ... 20

CHAPITRE 3 : ETUDE THEORIQUE... 35

INTRODUCTION ... 36

3.1. Apport solaire à l’absorbeur ... 36

3.1.1. Disposition du capteur ... 36

3.1.1.1. Orientation du capteur ... 36

3.1.1.2. Angle d’inclinaison i du capteur ... 37

3.1.2. La couverture transparente ... 37

3.2. L’absorbeur ... 38

3.3. Détermination du coefficient global de perte h_p. ... 39

3.3.1. Perte thermique vers le haut ... 40

3.3.2. Perte thermique vers le bas ... 42

3.3.3. Perte thermique totale... 44

3.4. Critères de performance... 44

3.4.1. Critère partiel : Rendement thermique... 44

3.4.2. Critère global : Entropie générée ... 45

3.5. Les types d’absorbeur et les types du canal du fluide caloporteur étudiés ... 47

3.5.1. Absorbeur n°1 ... 48

3.5.1.1. Énergie incidente entre l’absorbeur et la vitre ... 48

3.5.1.2. Échange de chaleur entre absorbeur et vitre... 50

3.5.1.2.1. Échange radiatif entre absorbeur et vitre... 50

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3.5.1.2.2. Échange convectif entre l’absorbeur et la vitre ... 52

3.5.1.2.3. Coefficient global d’échange de chaleur entre l’absorbeur et la vitre………… ... 54

3.5.2. Absorbeur n°2 ... 54

3.5.2.1. Énergie incidente entre absorbeur et vitre ... 54

3.5.2.2. Échange de chaleur entre l’absorbeur et la vitre ... 54

3.5.2.2.1. Échange radiatif entre l’absorbeur et la vitre ... 55

3.5.3. Absorbeur n°3 ... 61

3.5.3.1. Énergie incidente entre absorbeur et vitre ... 61

3.5.3.2. Échange de chaleur entre l’absorbeur et la vitre ... 63

3.5.3.2.1. Échange radiatif entre absorbeur et vitre... 63

3.5.4. Canal du fluide caloporteur ... 67

3.5.4.1. Canal rectangulaire ... 67

3.5.4.1.1. Échange de chaleur par convection entre le fluide et l’absorbeur . 67 3.5.4.1.2. Étude de la perte de charge dans le canal ... 68

3.5.4.2. Canal triangulaire ... 72

3.6. Détermination des critères de performance pour chaque type de capteur... 72

3.6.1. Capteur n°1... 72

3.6.1.1. Rendement... 73

3.6.1.2. Entropie générée ... 73

3.6.2. Capteur n°2... 74

3.6.2.1. Rendement... 75

3.6.3. Capteur n°3... 76

3.6.3.1. Rendement... 76

3.6.4. Capteur n°4... 77

3.6.4.1. Rendement... 77

3.6.5. Capteur n°5... 78

3.6.5.1. Rendement... 78

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Wilfrid Coffi ADIHOU/DEA-SPI 2014 Page x

CHAPITRE 4 : RESULTATS ET INTERPRETATIONS ... 81

INTRODUCTION ... 82

4.1. Hypothèses sur les différentes variables ... 82

4.2. Comparaison entre les coefficients de convection et de rayonnement ... 83

4.3. Rendement des capteurs ... 86

4.4. Entropie générée... 89

4.4.1. Entropie générée en fonction du pas y des ailettes de l’absorbeur ... 89

4.4.1.1. Capteur n°1 ... 89

4.4.1.2. Capteur n°2 ... 93

4.4.1.3. Capteur n°3 ... 94

4.4.1.4. Capteur n°4 ... 97

4.4.1.5. Capteur n°5 ... 98

4.4.1.6. Les valeurs optimales des paramètres des ailettes de l’absorbeur .. 100

4.4.2. Influence des paramètres du canal d’écoulement du fluide caloporteur sur l’entropie générée. ... 100

4.4.2.1. Influence du pas du canal d’écoulement du fluide caloporteur ... 101

4.4.2.1.1. Capteur n°1 ... 101

4.4.2.1.2. Capteur n°2 ... 103

4.4.2.1.3. Capteur n°3 ... 104

4.4.2.1.4. Capteur n°4 ... 105

4.4.2.1.5. Capteur n°5 ... 106

4.4.2.2. Influence de la hauteur du canal d’écoulement du fluide caloporteur… ... 106

4.4.2.2.1. Capteur n°1 ... 107

4.4.2.2.2. Capteur n°2 ... 108

4.4.2.2.3. Capteur n°3 ... 109

4.4.2.2.4. Capteur n°4 ... 111

4.4.2.2.5. Capteur n°5 ... 112

CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES ... 113

Références bibliographie ... 116

ANNEXES ... 119

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LISTE DES FIGURES

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Page

Figure 1.1 : Repérage de la position du soleil………...8

Figure 1-2 : Évolution de la moyenne de l’éclairement solaire globale pour les mois les moins chauds sur une surface inclinée de 10° plein sud à Cotonou……….…9

Figure 1-3 : Évolution de la moyenne de l’éclairement solaire globale pour les mois les plus chauds sur une surface inclinée de 10° plein sud à Cotonou ………...10

Figure 1.4 : Capteur solaire à concentration………....12

Figure 1.5 : Capteur solaire plan………..13

Figure 2.1 : Canal à forme triangulaire……….20

Figure 2.2 : Échangeur à section rectangulaire………...21

Figure 2.3 : Échangeur de chaleur à ailettes (ailettes posées sur une surface verticale)………..22

Figure 2.4 : Absorbeur constitué de tubes cylindriques………23

Figure 2.5 : Capteur à air ondulé………..25

Figure 2.6 : Capteur à absorbeur ondulé……….26

Figure 2.7 : Capteurs à absorbeur muni d’ailettes……….26

Figure 2.8 : Capteurs à absorbeur plan………....27

Figure 2.9 : Capteurs à absorbeur plan muni de trous………28

Figure 2.10 : Schéma du dispositif expérimental………...29

Figure 2.11 : Schéma descriptif des chicanes………...29

Figure 2.12 : capteur plan muni d’un absorbeur à plaque plan………30

Figure 2.13 : Vue globale et en coupe du capteur étudié………..31

Figure 2.14 : Schéma du modèle étudié………...33

Figure 2.15 : Schématisation des différentes formes des obstacles étudiés……….33

Figure 2.16 : Les différentes configurations de capteurs étudiés………..33

Figure 3.1 : Couverture transparente en présence du rayonnement solaire………….37

Figure 3.2 : Echange de chaleur au niveau du capteur……….39

Figure 3-3 : Circuit des différents types d’échange entre l’absorbeur et l’extérieur...40

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Wilfrid Coffi ADIHOU/DEA-SPI 2014 Page xiii

Figure 3.4 : Absorbeur n°1………..47

Figure 3.7 : Canal d’écoulement du fluide n°1………48

Figure 3.8 : Canal d’écoulement du fluide n°2………48

Figure 3.9 : Parcourt des rayons solaires dans l’absorbeur………...50

Figure 3.10 : Élément représentatif de l’absorbeur n°1………...51

Figure 3.11 : Dessin de l’élément représentatif de l’absorbeur n°2 ………55

Figure 3-12 : Configuration de l’absorbeur en un cycle………61

Figure 3-13 : Rayonnement entre l’absorbeur et la vitre………62

Figure 3-14: Table de Kays et Landon pour la détermination de Ke et de Ks...71

Figure 3.15 : Coupe frontale du capteur n°1………72

Figure 4.1 : Variation du coefficient global de perte de chaleur en fonction du pas y et de la hauteur z des ailettes pour x=1m……….84

Figure 4.2 : Variation du coefficient de convection entre l’absorbeur et la vitre en fonction du pas (y), x étant fixé à 1m……….85

Figure 4.3 : Variation du coefficient de rayonnement entre l’absorbeur et la vitre en fonction du pas (y) pour différentes valeur de la hauteur z, x étant fixé à 1m…………85

Figure 4.4 : Rendement du capteur n°1 et n°2 en fonction du pas y des ailettes…….86

Figure 4.5 : Rendement du capteur n°3 et n°4 en fonction du pas y des ailettes…….87

Figure 4.6 : Rendement du capteur n°5 en fonction du pas y des ailettes………87

Figure 4.7 : Rendement de tous les capteurs en fonction du pas y………88

Figure 4.8 : Entropie générée en fonction de y pour la hauteur z* = 0.03 m (capteur n°1)……….……….89

Figure 4.9 : Entropie générée en fonction de y pour la hauteur z* = 0,1 m (capteur n°1)………..90

Figure 4.10 : Entropie générée en fonction de y pour la hauteur z* = 0.2 m (capteur n°1)………..90 Figure 4.11 : Entropie générée en fonction de y pour le pas y* = 0.03 m (capteur

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Wilfrid Coffi ADIHOU/DEA-SPI 2014 Page xiv

n°1)………..91 Figure 4.12 : Entropie générée en fonction de y pour le pas y* = 0.1 m (capteur n°1)………...91 Figure 4.13 :Entropie générée en fonction de y pour le pas y* = 0.2 m (capteur n°1……….92 Figure 4.14 : Entropie générée en fonction de y pour différentes valeurs de la hauteur y* du canal du fluide caloporteur (capteur n°2)….……….93 Figure 4.15: Entropie générée en fonction du pas y pour z’=0.03 m (capteur n°3)………..94 Figure 4.16 : Entropie générée en fonction du pas y pour z’=0.1 m (capteur n° 3)…….……….94 Figure 4.17 : Entropie générée en fonction du pas y pour z’=0.2 m (capteur n° 3)…..………95 Figure 4.18 : Entropie générée en fonction du pas y pour y’=0.03 m (capteur n°3)…….………..95 Figure 4.19 : Entropie générée en fonction du pas y pour y’=0.1 m (capteur n°3)…..………96 Figure 4.20 : Entropie générée en fonction du pas y pour y’=0.2 m (capteur n°3)….……….96 Figure 4.21 : Entropie générée en fonction du pas y pour différentes valeur du pas du canal du fluide caloporteur (capteur n°4).………...97 Figure 4.22 : Entropie générée en fonction du pas y pour différentes valeurs de z (capteur n°5)……….……98 Figure 4.23 : Entropie générée en fonction de la hauteur z pour différentes valeurs de y(capteur n°5)………..99 Figure 4.24 : Entropie générée pour y=0,02m (capteur n°1)………..101 Figure 4.25 : Entropie générée pour z’=0,03m (capteur n°1)..………..102 Figure 4.26 : Entropie générée en fonction de y’ pour différente valeur du pas des ailettes de l’absorbeur (capteur n°2)………103 Figure 4.27 : entropie générée pour y=0.02 m (capteur n°3)..………...104 Figure 4.28 : Entropie générée pour z’ =0.03 m (capteur n°3)………...105 Figure 4.29 : Entropie générée pour différentes valeurs du pas de l’absorbeur (capteur n°4)………..……….106 Figure 4.30 : Entropie générée pour y=0,02m (capteur n°1)………..107 Figure 4.31 : Entropie générée pour y’=0,03 m (capteur n°1)………108

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Wilfrid Coffi ADIHOU/DEA-SPI 2014 Page xv

Figure 4.32 : Entropie générée en fonction de la hauteur z’ (capteur n°2)……….109

Figure 4.33 : Entropie générée pour y=0.02 m (capteur n°3)……….110

Figure 4.34 : Entropie générée pour y’=0,03 m (capteur n°3)………110

Figure 4.35 : Entropie en fonction de la hauteur z’ (capteur n°4).………..111

Figure 4.36 : Entropie générée en fonction de la hauteur z(capteur n°5)………..112

TABLEAU

Tableau 1.1 : Caractéristiques des isolants les plus utilisés……….……….16

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Wilfrid Coffi ADIHOU/DEA-SPI 2014 Page xvi

NOMENCLATURE

grandeur Unité Signification A

a aca

C0

CS

cp

D d e ET G g Gr H h hc,p-b

hc,p-c

hp

hr,c-a

hr,p-b

hr,p-c

m² degré degré W/m² W/m²

kWh/kg°C m

degré m mn W/m² m.s^-2

m degré W/m²°C

W/m²°C

W/m²°C W/m²°C

W/m²°C

Section totale du canal Azimut du soleil

Azimut du capteur Constante solaire

Correction de la constante solaire en fonction du numéro du jour de l’année

Chaleur spécifique à pression constante Diamètre

Déclinaison Épaisseur

Équation du temps

éclairement solaire globale sur un plan quelconque Intensité de la pesanteur

Nombre de Grashof Hauteur

Hauteur du soleil

Coefficient de convection entre la paroi absorbante et le bas (fond) du capteur

Coefficient de convection entre la paroi absorbante et la couverture transparente du capteur

Coefficient global de pertes du capteur

Coefficient de rayonnement entre la couverture et le milieu extérieur

Coefficient de rayonnement entre la paroi absorbante et le bas (fond) du capteur

Coefficient de rayonnement entre la paroi absorbante

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Wilfrid Coffi ADIHOU/DEA-SPI 2014 Page xvii

hvent

j K L Lat Long m

ṁ Nu P Pr q r Ra Re S

̇

T TC TL TS TSm TSv TU Uvent v

W/m²°C

Jour

m degré degré Kg kg/s

Pa

W m

m² J/K

°C heure heure heure heure heure heure m/s m/s

et la couverture transparente

Coefficient de convection entre le capteur et le milieu extérieur

Numéro du jour de l’année

Le coefficient d’extinction / coefficient de perte de charge Longueur/ Longueur caractéristique

Latitude Longitude Masse

Débit massique Nombre de Nusselt Pression

Nombre de Prandtl Puissance

Rayon

Nombre de Rayleigh Nombre de Reynold Surface de captation Entropie générée Température

Temps civil

temps légal (heure des montres) du lieu considéré temps solaire

Temps solaire moyen Temps solaire vrai Temps universel Vitesse du vent Vitesse

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Wilfrid Coffi ADIHOU/DEA-SPI 2014 Page xviii

ω δ β ρ φ τ α

∆T ∆P λ εp

σ

η ρ µ

degré m K^-1

W

K ou °C Pa W/m°C

W/m²K⁴

kg/l Pa.S

Angle horaire

Distance absorbeur – vitre Coefficient de dilatation Coefficient de réflexion Flux

Coefficient de transmission Coefficient d’absorption Ecart de température Chute de pression

Conductivité thermique du matériau interne du ballon Émissivité de la paroi absorbante

Constante de STEFAN-BOLTZMAN/ Le rapport de la section libre d’écoulement à la section d’entrée ou de sortie

Rendement global du capteur

Masse volumique à basse température Viscosité dynamique

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Wilfrid Coffi ADIHOU/DEA-SPI 2014 Page xix

LES INDICES

Indice Significations a

abs b c ca cou ciel e eau f fe fi i lev m max p s t u vent v

Ambiance absorbeur

Fond du capteur Chaude

Capteur Coucher ciel Entrée Eau Fluide

Fluide externe Fluide interne Interne

Lever Moyen Maximal Perdu Sortie Total Utile Vent Vitre

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Wilfrid Coffi ADIHOU/DEA-SPI 2014 Page xx

PROBLEMATIQUE

Le développement et l’expansion industrielle, ainsi que l’augmentation rapide de la population ont entraîné un accroissement important de la demande énergétique. Pour la satisfaire, à long terme, l’utilisation des sources d’énergie d’origine fossile conduira d’une part à une surexploitation de ces ressources et à une dégradation de l’environnement, d’autre part. L’utilisation de source d’énergie non nuisible à l’environnement, comme l’énergie solaire est nécessaire et indispensable dans certains cas. Cette source d’énergie est utilisée de manières différentes, par exemple: dans les systèmes thermiques (chauffe-eau solaires) pour la production d’eau chaude, domaine où elle connaît un développement considérable particulièrement dans le secteur de l’habitat. L’efficacité des systèmes de chauffe-eau solaire dépend essentiellement de la performance du capteur solaire.

Les études de DonaldK. DEDO [4] ont montré que les rendements des capteurs solaires thermiques à absorbeur à plaque ou à plaque mini de trous ont un rendement moyen de 56,3% alors que ceux à absorbeur ondulé ou muni d’ailettes présentent un rendement moyen faible de 26,58%.

Dans le cadre de notre mémoire de fin de formation pour le diplôme de Master Énergies Renouvelables et Systèmes Énergétiques, nous avons travaillé sur la conception et le dimensionnement d’un système de chauffe-eau solaire pour la production d’eau chaude sanitaire au Centre National Hospitalier Universitaire (CNHU) de Cotonou. Dans ces travaux, le capteur solaire thermique est un capteur à absorbeur plan construit en acier inoxydable. Le rendement de ce capteur dimensionné est de 43,33%. Ce rendement peut être augmenté jusqu’à 62% si l’absorbeur était en surface sélective.

Les valeurs du rendement des capteurs à absorbeur ondulé ou muni d’ailettes montrent que près de ¾ de l’énergie solaire reçue par ces capteurs solaires est perdue. Ce phénomène, même s’il est non gênant pour les

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Wilfrid Coffi ADIHOU/DEA-SPI 2014 Page xxi

régions à fort ensoleillement, constitue un véritable problème pour les régions où l’ensoleillement est faible.

Dans le rapport du sommet mondial pour le développement durable tenu à Johannesburg (Afrique du Sud) du 26 août au 4 septembre 2002, en son point 20-c, il est question de « Mettre au point et diffuser des technologies de substitution pour le secteur énergétique en vue d’accroître la part des énergies renouvelables dans l’offre d’énergie, d’améliorer les rendements énergétiques et de faire davantage appel aux technologies énergétiques de pointe, y compris des technologies à combustibles fossiles moins polluantes ».

Il est alors important de mener des études approfondies sur les capteurs solaires plans afin d’améliorer leur performance. Le rendement des capteurs solaires plans est fonction des éléments comme :

 La qualité du corps noir formé par l’absorbeur et la couverture transparente. Ces éléments dépendent non seulement des matériaux utilisés pour l’absorbeur et la couverture transparente mais aussi de l’épaisseur de la lame d’air entre l’absorbeur et la couverture transparente;

 La qualité de l’échange entre l’absorbeur et le fluide chauffé. Celle-ci est fonction des dimensions de la zone d’échange.

Pour améliorer les performances des capteurs solaires à absorbeur ondulé ou muni d’ailettes, nos recherches porteront sur le thème « Optimisation des dimensions d’ailettes de l’absorbeur pour un chauffe-eau solaire compact ».

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INTRODUCTION

Le réchauffement climatique de la terre causé par l’émission des gaz à effet de serre et l’augmentation brutale du prix du pétrole ont conduit le monde à s’intéresser à des sources d’énergie renouvelable dont l’énergie solaire au premier plan.

L’énergie solaire est une énergie propre, silencieuse, disponible en abondance et gratuite. Elle permet une indépendance et une grande facilité d’utilisation, puisqu’il n’est plus nécessaire d’organiser une alimentation en carburant, la maintenance est réduite, la production est non-polluante et silencieuse. Elle est inépuisable à l’échelle humaine. Elle permet de respecter l’environnement et de préserver la santé car elle ne produit pas de déchets ni n’émet de gaz polluants, comparativement aux sources d’énergie fossile et fissile. Originalement conçue pour répondre aux besoins en énergie des capsules spatiales, l’énergie solaire est de plus en plus utilisée pour produire l’énergie de diverses applications terrestres comme l’éclairage, les télécommunications, la réfrigération, la climatisation, le pompage, le séchage des produits, le chauffage d’eau pour différents usages, etc. Des milliers de systèmes de chauffe-eau sont installés à travers le monde. Ces systèmes ne contenant aucune pièce mobile et fonctionnant sans apport extérieur de combustible, sont des ensembles qui nécessitent moins d’entretien.

L’eau chaude représente une part non négligeable de la facture énergétique des centres de santés, des hôtels, des centres sportifs et de certains bâtiments. En utilisant les capteurs solaires thermiques, ces factures énergétiques diminuent ; ce qui constitue une véritable source d’économie.

Utiliser l’énergie solaire pour chauffer l’eau est un atout non seulement énergétique et environnemental mais aussi économique pour ces établissements.

(24)

En constante amélioration depuis plus de 20 ans, les technologies du solaire thermique sont utilisées de plus en plus pour chauffer l’eau à usage individuel ou collectif. Ces systèmes sont mêmes très développés dans les régions ou pays comme la France où l’ensoleillement est non seulement faible mais aussi non permanent.

Le travail que nous présentons porte essentiellement sur l’optimisation des rendements et de l’entropie générée par des chauffe-eaux solaires compacts. Cette étude est menée à travers quatre chapitres :

 Le premier chapitre concerne les généralités sur le capteur solaire thermique. Dans cette partie, nous avons étudié les notions de base et le gisement solaire ;

 Le second chapitre est consacré essentiellement à l’étude bibliographique ;

 Le troisième chapitre porte sur l’étude des différents mécanismes de transfert de chaleur et de perte de charge régissant un dispositif de capteur solaire thermique et une mise en équation de ces mécanismes ;

 Le dernier chapitre présente les résultats et leur interprétation après la programmation des différents modèles mathématiques à l’aide du logiciel « MATLAB ».

(25)

CHAPITRE 1 : GENERALITES

(26)

INTRODUCTION

Grâce à la disponibilité de sa source et de son caractère non polluant, l’énergie solaire connaît aujourd’hui un essor. La permanence de cette source gratuite d’énergie en Afrique est un atout pour le développement du continent.

Au Bénin et particulièrement à Cotonou et ses environs, l’énergie solaire disponible au niveau du sol peut atteindre 6110 Wh/m²/Jour [1].On peut utiliser,grâce à un capteur solaire, cette énergie pour le chauffage de l’eau, la cuisson, la production d’électricité ainsi que d’autres applications.Ce chapitre traite du repérage du soleil dans son mouvement et des paramètres du bon fonctionnement d’un capteur solaire.

1.1. Gisement solaire

1.1.1. Constante solaire

La constante solaire notée C₀ est la valeur moyenne du flux de rayonnement solaire CS reçu par une surface perpendiculaire aux rayons solaires, placée à la limite supérieure de l’atmosphère terrestre (soit environ 80 km d’altitude). Sa valeur vaut C0 = 1353 W.m^-2. La valeur de CS varie au cours de l’année en fonction du numéro de jour de l’année et se calcule par la relation [2]

= [1 + 0,033cos (0,984 )]

Avec j le numéro du jour de l’année.

1.1.2. Repérage d’un site sur la surface terrestre

Pour repérer un site donné S sur la surface terrestre on définit deux grandeurs :

 La latitude Lat du lieu qui représente la distance angulaire du site S par apport au plan de l’équateur. Elle varie entre -90° et +90° tel que Lat>0 vers le Nord et Lat<0 vers le Sud.

 La longitude Long du lieu est l’angle que fait le méridien de Greenwich avec la projection du méridien du lieu sur le plan équatorial.

Pour Cotonou, Long =02°23’E et Lat = 06°21’N

(E1.1)

(27)

Wilfrid Coffi ADIHOU/DEA-SPI 2014 Page 5 1.1.3. Coordonnées du soleil

1.1.3.1. La déclinaison

La déclinaison notée d est l’angle formé par la direction du soleil avec le plan équatorial. Elle varie au cours de l’année entre -23,45° et +23,45°. Elle se calcule par la formule suivante [2]:

= 23,45° 360 + 284 365 Où j représente le numéro du jour de l’année

1.1.3.2. L’heure civile du fuseau horaire TC

C’est une échelle de mesure horaire commune fondée sur l'heure solaire moyenne qui fait débuter le jour à minuit [3].

Elle est égale au temps universel TU (temps solaire du méridien de Greenwich) augmenté de la valeur du décalage horaire par rapport au méridien de Greenwich [2].

Pour le cas du Bénin TC = TU

1.1.3.3. L’équation de temps ET

C’est un terme correctif introduit par la variation de la vitesse de la terre sur sa trajectoire autour du soleil [2]. Elle s’exprime par la relation :

= [0,0002−0,4797 cos( ) + 3,2265 cos(2 ) + 0,0903 cos(3 ) + 7,3509 sin( ) + 9,3912 sin(2 ) + 0,3361sin (3 )]

Avec j le numéro du jour de l’année ω’ = 0,984

ET est en minute.

1.1.3.4. Temps légal

Il est la mesure locale de la date et de l'heure entre deux fuseaux horaires.

(E1.2)

(E1.3)

(28)

La différence entre TL et TU est un nombre entier d’heures en fonction de la longitude (une heure pour 15° de longitude) [4].

Pour le Bénin, TL = TU + 1heure Pour le Togo, TL = TU

1.1.3.5. Temps solaire (TS)

On distingue le temps solaire moyen TSm et le temps solaire vrai TSv.

1.1.3.5.1. Le temps solaire moyen (TSm)

C’est une échelle de mesure horaire qui fait débuter le jour à midi, fondée sur l'heure solaire vraie ou apparente corrigée des irrégularités dues à la trajectoire ellipsoïdale de la Terre autour du Soleil [3].

Il est aussi le temps défini par les coordonnées angulaires d’un soleil fictif animé d’une vitesse constante sur l’écliptique [4]. Il se calcule par la formule suivante :

= + − _é

15 Avec long la longitude du lieu en degré,

long_réf la longitude du lieu servant de référence au temps légal (en général le centre du fuseau)

TU et TSm sont en heure

1.1.3.5.2. Temps solaire vrai (TSv)

C’est le temps défini par les coordonnées angulaires vraies du soleil [4].

Il est la mesure horaire de l'angle formé par le plan de la direction du Soleil avec celui du méridien d'un lieu donné [3].

Il se calcule par la formule suivante :

= +

Avec TSv, TSm et ET en heure.

(E1.5) (E1.4)

(29)

= + + − _é

15

1.1.3.6. Angle horaire (ω)

Il est défini par le temps solaire vrai local (TSv). Il correspond à l’heure indiquée par les cadrans solaires ou les héliographes [4]. Il est compté positivement à l’après-midi et s’exprime en degré à travers la relation suivante :

= 15°( −12)

= 15° + +

15 −12 ω varie entre -180° et +180°

Pour le Bénin,

= 15° + +

15 −12

= 15° + +

15 −13

1.1.3.7. Hauteur h du soleil

C’est l’angle que fait la direction du soleil avec sa projection sur un plan horizontal [2]. Il peut être déduit de la relation suivante :

(ℎ) = sin( ) sin( ) + cos( ) cos( ) cos ( ) h varie entre + 90°et -90°.

On prend

1.1.3.8. Durée du jour

Le module ω_cou de l’angle horaire au coucher du soleil s’obtient en posant sin(h) = 0 [2], ce qui conduit à :

( ) =−tan ( ) × tan ( ) h>0 le jour

h<0 la nuit

h = 0 au lever et au coucher du soleil

(E1.6)

(E1.7) (E1.8)

(E1.9) (E1.10)

(E1.11)

(E1.12)

(30)

L’heure solaire au coucher du soleil a donc pour valeur

= 12 + 15

L’angle horaire ω_lev au lever du soleil est l’opposé de l’angle horaire à son coucher, nous avons donc ω_lev = - ω_cou

L’heure solaire au coucher du soleil a donc pour valeur

= 12− 15 La durée d du jour vaut alors :

= ( − )

= 2 15 =−2 15

1.1.3.9. Azimut

C’est l’angle que fait la direction de la projection du soleil sur le plan horizontal avec la direction Sud [2]. Il est orienté positivement vers l’ouest et peut être déduite de la relation suivante :

sin( ) =cos( ) sin ( ) cos (ℎ) a varie entre -180° et +180°

La hauteur h et l’azimut a du soleil sont représentés sur la figure (1.1)

Figure 1.1 : Repérage de la position du soleil [2]

(E1.13)

(E1.14)

(31)

Wilfrid Coffi ADIHOU/DEA-SPI 2014 Page 9 1.1.4. Irradiation solaire

D’après le logiciel en ligne PVgis [5], la moyenne de l’irradiation solaire globale sur une surface inclinée d’un angle de 10° à Cotonou évolue selon les courbes suivantes pour les mois les plus chauds et les mois les moins chauds:

Figure 1-2 : Évolution de la moyenne de l’éclairement solaire globale pour les mois les moins chauds sur une surface inclinée de 10° plein sud à Cotonou [5]

La moyenne de ces valeurs est 544,44 W/m²

500 510 520 530 540 550 560 570 580

Rayonnement solaire en W/m2

Heure

(32)

Figure 1-3 : Évolution de la moyenne de l’éclairement solaire globale pour les mois les plus chauds sur une surface inclinée de 10° plein sud à Cotonou [5]

La moyenne de ces valeurs est 800,52 W/m²

Les documents de PVgis se trouvent en annexe 1-1 et le tableau des moyennes de ces données en annexe 1-2.

1.2. Notions de base

1.2.1. Corps noir

C’est un corps qui absorbe toutes les radiations qu’il reçoit indépendamment de son épaisseur, de sa température, de l’angle d’incidence et de la longueur d’onde du rayonnement incident [2]. Les corps noirs possèdent les propriétés suivantes :

- Ils rayonnent de la même manière

- Ils absorbent tous les rayonnements incidents qui arrivent sur eux, α = 1.

720 740 760 780 800 820 840 860

Rayonnement solaire en W/m2

Heure

(33)

- Ils rayonnent plus que les corps non noirs à la même température (corps gris).

1.2.2. Effet de serre

Les rayons solaires traversent la vitre et réchauffent l’absorbeur du capteur. Cette chaleur ne peut plus s’échapper à l’extérieur, et la température se met à monter entre l’absorbeur et la vitre.

1.2.3. Capteurs solaires

Le capteur solaire est un système thermique qui permet la conversion de l'énergie solaire en énergie calorifique. La chaleur reçue de cette conversion est utilisée soit directement (cas de chauffage), soit elle-même convertie en énergie mécanique par l'intermédiaire des cycles thermodynamiques. Ils peuvent être classés en deux grandes catégories :

- les capteurs solaires à concentration ; - les capteurs solaires plans

1.2.3.1. Capteurs solaires à concentration

Il s'agit de réflecteurs en demi-cercle qui renvoient et concentrent l'énergie solaire sur un ensemble de tubes ou échangeur où circule un fluide caloporteur. Cette concentration entraîne une augmentation de l'intensité, et les températures obtenues sur le récepteur (appelé cible) peuvent atteindre plusieurs centaines, voire plusieurs milliers de degrés Celsius. Pour être efficaces, les concentrateurs doivent se déplacer pour suivre la course apparente du Soleil. De telles installations sont notamment utilisées en Arabie Saoudite, pour la désalinisation de l'eau de mer.

(34)

Figure 1.4 : Capteur solaire à concentration

1.2.3.2. Capteurs solaires plans

C’est un dispositif qui capte sur une surface en générale plane et fixe le rayonnement direct et diffus qui est immédiatement absorbé et transformé en chaleur. Les capteurs plans sont surtout utilisés dans la production d'eau chaude sanitaire. Les capteurs fixes à usage domestique sont généralement installés sur le toit des habitations. Dans l'hémisphère Nord, ils sont orientés vers le sud, et dans l'hémisphère Sud, vers le nord. L'efficacité des capteurs dépend de l'angle qu'ils forment avec le plan horizontal. Leur inclinaison optimale varie selon la latitude de l'installation. Le fluide utilisé dans le système de chauffage solaire est l'air ou un liquide (eau ou mélange eau antigel).

(35)

Figure 1.5 : Capteur solaire plan Il existe trois types de capteur plans :

- Les capteurs plans vitrés ; - Les capteurs plans non vitrés ; - Les capteurs sous vide.

1.2.3.2.1. Capteurs plans vitrés

Leur principe de fonctionnement est basé sur l'effet de serre qui consiste à piéger le rayonnement solaire, où ce dernier arrive au niveau du couvert et le traverse pour atteindre une surface appelée absorbeur.

L'absorbeur va absorber une grande partie du rayonnement solaire entraînant une augmentation de sa température. Le rayonnement émis par l'absorbeur arrive sur la vitre et comme celle-ci est opaque aux rayonnements infrarouges moyen et lointain, le rayonnement est ainsi piégé.

(36)

Wilfrid Coffi ADIHOU/DEA-SPI 2014 Page 14 1.2.3.2.2. Description du capteur solaire plan vitré

Le capteur est constitué de:

- Une couverture transparente ;

- Une surface absorbante (ou absorbeur) absorbant l’énergie incidente qu’elle transmet par l’intermédiaire de surface d’échange à un fluide caloporteur (qui est de l’eau dans notre cas) ;

- Un circuit de fluide caloporteur situé sous l’absorbeur et destiné à évacuer les calories produites vers les lieux d’utilisation ou d’accumulation ;

- Une isolation thermique latérale et arrière ;

- Un coffre rigide ou boîtier constituant l’enveloppe arrière et latérale du capteur.

 La couverture transparente

La couverture a une fonction de protection mécanique de l’absorbeur mais elle joue un rôle important dans le bilan thermique en réduisant les pertes de chaleur. Elle peut être en verre ou en plastique.

Elle intervient au niveau des échanges tels que:

- Les échanges convectifs dont l’importance est fonction de l’épaisseur de la lame d’air ou du gaz situé entre l’espace couverture-absorbeur.

- les échanges radiatifs par la création de l’effet de serre, c'est-à-dire bonne transparence au rayonnement solaire et faible transmission du rayonnement infrarouge réémis par l’absorbeur. La couverture doit présenter une bonne résistance aux chocs, aux brusques variations de températures ainsi qu’aux températures élevées. Elle doit être facile à mettre en œuvre et présenter un faible coefficient de dilatation et de flexibilité.

(37)

 L’absorbeur

Dans tout capteur, l’absorbeur joue le rôle principal. Il est l’un des éléments très importants du capteur, parfois appelé organe central ou cœur du capteur plan. En effet, c’est lui qui capte le rayonnement solaire et le transforme en chaleur. Tout en étant un bon conducteur de chaleur, il doit avoir une bonne capacité d’absorption et être très peu émettrice. Un accent particulier est alors à mettre sur sa forme et la matière utilisée pour sa fabrication. Le choix du matériau et le mode de construction ont une grande influence sur le fonctionnement du capteur. Il peut être en cuivre, en aluminium ou en acier.

L’un des facteurs qui influence la performance du capteur est la quantité d’énergie absorbée par l’absorbeur. Cette quantité dépend des paramètres comme :

- Le coefficient de transmission de la vitre ; - Le coefficient d’absorption de l’absorbeur ; - Le coefficient de réflexion de l’absorbeur ; - Le coefficient de réflexion de la vitre ; - La configuration de l’absorbeur.

On distingue plusieurs modes de construction que nous allons détailler par la suite.

 Le circuit caloporteur

Ce circuit en contact avec les surfaces absorbantes, permet d’extraire la chaleur de ces surfaces absorbantes et l’amener au point d’utilisation ou de stockage.

 Isolation thermique

En plus de la couverture transparente réduisant les pertes thermiques par effet de serre, une isolation très soignée constituée de matières mauvaises conductrices de chaleur à l’arrière et sur les côtés s’avère

(38)

nécessaire. Les matériaux choisis pour l’isolation doivent avoir un coefficient de conductivité faible car plus ce coefficient est faible, plus le matériau est isolant. Les isolants utilisés et leurs caractéristiques sont consignés dans le tableau suivant :

Tableau 1.1 : Caractéristiques des isolants les plus utilisés [1]

Type d’isolant Conductivité λ en W/m°C

Masse volumique (Kg/m³)

Température maximale T_max (°C)

Mousse de

polyuréthane

0,03 32 110

Laine roche 0,038 55 150

Laine de verre 0,035 15 150

Liège expansée 0,044 120 110

polystyrène (mousse rigide)

0,041 30 85

Les isolants en face arrière généralement utilisés sont la laine de verre et les mousses de polyuréthanne. L’épaisseur varie de 4 à 10 cm. Il faut que les produits utilisés résistent aux températures de fonctionnement (maximum de 120°C). Le polystyrène dont la limite d’utilisation est 85°C est à proscrire.

Les laines de verre et laines de roche sont sensibles à l’humidité et il faut veiller à ce qu’elles restent toujours sèches.

 Le cadre

C’est l’enveloppe de l’appareil qui a pour rôle de maintenir l’ensemble vitre – absorbeur – isolant rigide. Elle doit résister sans dommage aux agressions des conditions extérieures, aux contraintes intérieures et aux chocs éventuels lors du transport et du montage. Elle doit donc être solide, tout en étant moins lourde.

Le cadre peut être fabriqué en :

(39)

- Bois, mais sa tenue dans le temps est discutable; Principe de fonctionnement et modèle du chauffe-eau à concevoir

- Plastique, fibre de verre et résine;

- Aluminium ou acier.

1.3. Paramètres de fonctionnement des capteurs solaires

1.3.1. Paramètres externes

Les paramètres externes sont :

- L'ensoleillement : éclairement énergétique dû au rayonnement global, à la position du soleil et à la durée d'insolation.

- la température extérieure sèche.

- la vitesse du vent sur le capteur.

1.3.2. Paramètres internes Il s’agit notamment :

- Des paramètres de position : l'inclinaison et l'orientation.

- Des dimensions du capteur : L'épaisseur, la longueur, la largeur, et la surface réceptrice.

- De la section de passage du fluide.

1.3.3. Paramètres de fonctionnement Ces paramètres sont :

- La température d'entrée du fluide dans le capteur.

- Les températures de l’absorbeur et de la vitre.

- le débit du fluide caloporteur.

(40)

Conclusion partielle

Nous avons présenté dans ce chapitre en premier lieu les différents paramètres qui entrent dans l’estimation du gisement solaire sur un site donné et en second lieu une description des capteurs solaires. Le gisement solaire varie au cours de l’année en fonction des paramètres du site. Dans le chapitre suivant, nous ferons la revue des différents travaux de recherche effectuées dans l’amélioration de l’efficacité des capteurs solaires thermiques.

(41)

CHAPITRE 2 : REVUE BIBLIOGRAPHIQUE

(42)

INTRODUCTION

L’utilisation des chauffe-eaux solaires devient de plus en plus fréquente dans le monde. La plupart des travaux réalisés sur des capteurs plans vitrés concernent ceux ayant des absorbeurs plans. Peu de travaux sont réalisés dans le domaine des absorbeurs à ailettes. Dans ce chapitre, nous présenterons les différents travaux de recherche effectués sur les capteurs plans visant à améliorer leur efficacité.

2.1. Quelques travaux réalisés

En 1970, C.D. Jones et L.F. Smith [6] avaient fait l’étude du phénomène de transfert de chaleur par convection naturelle dans un échangeur de chaleur à ailettes rectangulaires posées sur une surface plane horizontale. À la fin de leur étude, le modèle mathématique du nombre de Nusselt aété déterminé.

Treize ans plus tard, Bar-Cohen et Rohsenow [6] avaient proposé le nombre de Nusselt avec des ailettes posées sur une surface plane verticale toujours en convection naturelle.

En 1978, R.K. Shah et A.L. London [6] avaient proposé le nombre de Nusselt et le facteur de frottement dans une conduite de forme triangulaire en convection forcée et en régime laminaire. Le nombre de Nusselt Nu = 2,47 et le facteur de frottement f = 53,33/Re. La forme de ce canal d’écoulement du fluide est montrée dans la figure ci-dessous :

Figure 2.1 : Canal à forme triangulaire

En 1993, Malahimi ANJORIN [7] avait fait dans sa thèse l’étude de l’encrassement d’échangeurs de chaleurs dans laquelle de nouvelles

(43)

propositions sur les critères d’encrassement ont été faites. Dans ces travaux, il a étudié l’évolution de l’entropie générée en fonction de l’épaisseur réduite de l’encrassement. Il a également montré que :

- La perte de charge influence l’entropie surtout pour les cas où le débit est constant ;

- La vitesse d’écoulement et la température du fluide caloporteur sont des paramètres principaux influençant l’entropie ;

- L’entropie générée est très intense dans les couches limites En 1995, Manglik et Bergles [8] ont proposé des expressions pour le nombre de Colburn j et le facteur de frottement f dans le cas d’un écoulement forcé pour un échangeur de chaleur ondulée présenté sur la figure ci-dessous.

Figure 2.2 : Échangeur à section rectangulaire

Le nombre de Colburn j et le facteur de frottement f sont donnés par les expressions suivantes :

= 0,6522 ^,

ℎ′

, , ,

1

+ 5,269. 10 ^,

ℎ′

, , , ,

(44)

= 9,6243 ^,

ℎ′

, , ,

1

+ 7,669. 10 ^,

ℎ′

, , , ,

En 2002, Takahiro Furukawa et al [9], avaient utilisé la méthode de Minimisation de l’Entropie Générée (EGM) pour optimiser le pas d’un échangeur de chaleur à ailettes. Les ailettes sont posées sur une surface plane verticale et échangent de la chaleur avec l’air ambiant par convection naturelle. Le pas optimal trouvé est de 8,2 mm. La figure ci-dessous montre la configuration de cet absorbeur.

Figure 2.3 : Échangeur de chaleur à ailettes (ailettes posées sur une surface verticale)

En 2006, Ibra SECK [10] réalisa une étude sur les échanges thermiques à l’intérieur de la cavité Vitre-Absorbeur d’un capteur qu’il qualifie de « capteur à haut rendement ». Ce capteur solaire possède un absorbeur qui se confond avec les tubes en forme cylindrique, ce qui diffère des absorbeurs classiques.

(45)

Figure 2.4 : Absorbeur constitué de tubes cylindriques.

Ce type d’absorbeur a été conçu après avoir examiné les pertes de chaleur dans les capteurs et les moyens mis en œuvre pour les réduire. Parmi ces différents moyens, il y a les fondements de la sélectivité spectrale et les notions d’absorptance et de transmittance pratique. Au cours de ces travaux, il a déterminé l’expression du flux net absorbé par les tubes. Le rendement de ce capteur n’a pas pu être calculé.

En 2007, Sotehi OUALID [11] a fait l’étude et l’analyse de l’influence de l’écart de température entre l’absorbeur et la vitre sur l’efficacité d’un capteur solaire. Ce travail basé sur des modèles mathématiques a conduit aux résultats suivants :

- L’accroissement de la température de l’absorbeur augmente le rendement du capteur solaire ;

(46)

- L’augmentation de l’écart de température entre l’absorbeur et la vitre a pour effet de minimiser la génération d’entropie ;

- L’augmentation de l’écart de température entre l’absorbeur et la vitre augmente les pertes globales ;

- L’augmentation de la température de l’absorbeur a pour effet d’augmenter la puissance utile reçue par le fluide caloporteur ainsi que la température du fluide caloporteur ;

Dans le domaine du séchage, une étude paramétrique d’un capteur solaire plan à air destiné au séchage des produits agro-alimentaires a été présentée par S. Oudjedi, A. Boubghal, W. Braham Chaouch, T. Chergui et A.

Belhamri [12] en 2008 dans la revue des énergies renouvelables. Le capteur solaire étudié est un insolateur à air à simple passe entre l’absorbeur et la vitre.

Dans cet article, une analyse des facteurs de sensibilité du capteur est faite. Les résultats de cette analyse stipule que :

- La température de sortie du fluide caloporteur ne croît pas de manière significative avec l’augmentation de sa température d’entrée.

- le rendement thermique journalier de l’insolateur décroît, linéairement avec l’augmentation de la température d’entrée du fluide.

- La température de sortie du fluide caloporteur décroît, lorsque la vitesse de l’air humide augmente.

- le rendement thermique journalier du capteur solaire à air croît avec la vitesse de l’air.

- la température de sortie du fluide caloporteur, ainsi que le rendement thermique journalier du capteur, décroissent continuellement quand on augmente la hauteur du canal de l’écoulement du fluide.

(47)

Toujours dans le domaine du séchage, M. Ayadi, I. Zouari et A. Bellegi [13] simulent une association d’un capteur solaire à air et un stock pour une unité de séchage solaire en 2008 dans la revue des énergies renouvelables.

Le séchoir présenté est destiné au séchage des plantes aromatiques et médicinales. Ce capteur est montré par la figure ci-dessous.

Figure 2.5 : Capteur à air ondulé

Le capteur à air a un absorbeur ondulé ‘Λ’, simple vitre. L’air s’écoule entre la couverture transparente et l’absorbeur, alors que de l’air est confiné entre ce dernier et l’isolant. La distribution de l’air à travers les canaux du capteur est assurée par deux plaques perforées en amont et aval du capteur

Les résultats de cette étude révèle que :

- le rendement moyen du capteur est de 39 % pour un débit de 0.014 kg/s. Ce rendement est presque constant (39 %), ce qui signifie que les déperditions thermiques du capteur varient peu avec la variation de la température du capteur.

- la température de sortie de l’air du capteur peut dépasser 70 °C pour une irradiation globale de 900 W/m².

(48)

Les études de Donald K. DEDO [4] consistent à comparer les rendements de capteurs solaires plans. Les différents types de capteurs solaires soumis à son étude se distinguent par la configuration de leur absorbeur. Ainsi, il a regroupé les capteurs en trois grandes catégories :

- les capteurs à absorbeur ondulé ou muni d’ailettes

Figure 2.6 : Capteur à absorbeur ondulé

Figure 2.7 : Capteurs à absorbeur muni d’ailettes - les capteurs à absorbeur plan

(49)

(a)

(b)

Figure 2.8 : Capteurs à absorbeur plan

- les capteurs à absorbeur plan muni de trous non débouchants.

(a)

(50)

(b)

Figure 2.9 : Capteurs à absorbeur plan muni de trous

A l’issus de ses travaux, il a conclu que les capteurs à absorbeur ondulé ou muni d’ailettes ont un rendement faible de l’ordre de 26,58 % alors que les capteurs à absorbeur plan et ceux muni de trous présentent un rendement plus élevé de l’ordre de 56,3 %.

Dans le souci d’améliorer les performances thermiques des capteurs solaires, une étude expérimentale a été menée sur un capteur solaire plan à air de surface de captation 1,74 m² dans la région de Biskra par K. Aouès, N.

Moummi, M. Zellouf [14]. Ce capteur possède un absorbeur muni d’un ensemble de rangées d’obstacles minces soudés à cet absorbeur. Il est présenté sur la figure ci-dessous.