Les insolateurs à bas potentiel

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Submitted on 1 Jan 1956

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Les insolateurs à bas potentiel

H. Masson

To cite this version:

LES INSOLATEURS A BAS POTENTIEL

Par H.

_MASSON,

Laboratoire de _{Physique Climatique,} Institut des Hautes

Études,

Dakar.

Sommaire. 2014 L’utilisation de la chaleur solaire _peut se _{faire par concentration des rayons.} Les

dispositifs sont en _général coûteux.

Les insolateurs à bas _potentiel

_permettent

de recueillir la chaleur solaire par des procédés peu onéreux. Les lignes qui suivent ont pour but de montrer les

_{possibilités}

des différents _types

d’appareils mais aussi leurs _limites.

Il est

_possible

ainsi _{de déterminer par} avance les conditions de leur

_emploi.

LE JOURNAL DE _PHYSIQUE ET LE RADIUM SUPPLÉMENT AU NO 6

PHYSIQUE APPLIQUÉE TOME _17, JUIN _1956,

La concentration des rayons solaires au _moyen de miroirs

_permet

d’obtenir des

_{températures}

élevées. Mais le

_prix

du

_dispositif

en limite

l’emploi.

Quand

il n’est _pas nécessaire

_d’opérer

à haute

température,

on a

_avantage

à utiliser des

collec-teurs

_plans

souvent

_appelés

insolateurs à bas

poten-tiel. Un fluide F

_{(l’eau par exemple)}

est recouvert

d’un élément

_protecteur

E

_(solide

ou

_liquide)

dont

le rôle est double : transmettre au fluide la

radia-tion

_qu’il

a

_captée

et

_s’opposer

à

_{l’évaporation}

du

fluide. On définira alors le coefficient de transmis-sion

_calorifique

a de l’élément

_protecteur

E : la

quantité

de _{chaleur que E} cède à _{F par centimètre}

carré durant une seconde

quand

il existe entre la

couche

_{superficielle}

de F

_exposée

à la radiation solaire et le

_fluide,

une différence de

_température

de 1° C.

E entre dans

_l’appareil

à une

_température

_t;.

, Il en sort à une

température t après

avoir parcouru

la distance x avec la vitesse v. Sa

_température

s’est élevée de At = t -

t",.

L’épaisseur

h de la

couche d’eau à échauffer sera

_{toujours prise petite}

par

rapport

à x et à la

_{largeur 1}

de

_{l’appareil.}

On

aura évidemment S

_{(surf ace insolée)}

= lx et le

débit de l’eau D = hlv.

L’étude

_{mathématique}

_rigoureuse

de la

_question

est très

_compliquée.

Aussi on a

_été

amené à faire

quelques

approximations

qui

se sont

révélées

compatibles

avec

_{l’expérience}

_{pour les faibles} débits

_envisagés.

En

_particulier

au lieu de

_partir

de la valeur

_Qo

de la radiation solaire

_globale,

on, a

_pris

comme

point

de

_départ

la

_{température tm}

de la surface

de l’élément

_protecteur

E

_exposée

à la radiation solaire. tm est évidemment fonction de

_Qo

mais il

_{présente l’avantage}

d’être directement acces-sible à

_{l’expérience.}

En réalité tm

correspond

à une

moyenne calculée d’après des

mesures

faites

_grâce

à des

_couples

_{thermoélectriques placés}

en diffé-rents

_points

de la surface.

Un élément de surface fluide 1 dx à la

tempéra-ture instantanée t

_reçoit

durant le

_temps

d6 une

quantité

de chaleur

_À(tm

-

t)l

dx dO

_qui

élève de dt la

_température

d’un volume d’eau hlv d8. D’où en

_appelant

_{p et} c

_{respectivement}

la masse

spéci-fique

et la chaleur

_spécifique

de l’eau :

p et c dans le cas de l’eau

_peuvent

être

_pris

_égaux

à 1. Ils ne

_{figureront plus}

dans les calculs ultérieurs.

En

_intégrant

et en tenant

_compte

de la

tempé-rature

_{initiale t;}

de

_l’eau,

il vient :

et si L est la

_longueur

totale du

_dipositif

on a :

Il est

_plus

commode de faire intervenir les débits. On a alors :

ou S infinie et At = 0 pour D = _oo.

On aurait de _{même pour les quantités} de chaleur

Cette

_quantité

de chaleur admet aussi des limites.

L’étude

_{expérimentale}

a été faite avec diffé-rents

_types

_{d’appareils.}

Dans

_tous,

le fluide utilisé

a été l’eau. Dans une

première

série de mesures l’élément

_protecteur

a été d’abord l’huile de

vase-line

_puis

le mazout. Puis on a utilisé un élément

protecteur

solide. Dans l’insolateur

_type

_S,

l’eau

est recouverte d’une tôle de 1 mm

_{d’épaisseur.}

Différentes

_expériences

ont ensuite conduit à

dimi-nuer

_{l’épaisseur}

h de l’eau insolée. En

conséquence

on a réalisé trois

_types

d’insolateurs.

109 A

Type

A : l’eau circule dans des tubes de cuivre.

Type

B : l’eau chemine entre deux tôles

_planes.

Type

T : deux tôles ondulées ont été soudées

l’une contre l’autre en

_présentant

un certain

déca-lage.

L’eau _passe alors dans

_l’espace

laissé libre

entre les tôles.

Enfin dans une dernière série

d’expériences,

l’eau chauffée n’est pas utilisée directement mais

circule _par

_thermosiphon

dans un circuit

primaire

et sert à échauffer l’eau d’utilisation. Dans .ce cas l’insolateur est

_oalorifugé

par la fibre de verre. De très nombreuses

_expériences

ont été faites

avec

chaque type d’appareils.

Nous

prendrons

ici comme

exemple

l’appareil

à tôle

plane (type

B).

GRAPHIQUE ? 1. Insolateur type B.

Élévation de température moyenne de l’eau de sortie

en fonction du débit.

Le

_graphique

1 donne la courbe des

accroisse-ments de

_température

moyennes obtenues en

pla-nimétrant les courbes horaires des

_{températures.}

On _{voit que la} courbe

_théorique

_{représentée}

en

pointillés

au-dessus de la courbe

_{expérimentale}

pour les débits faibles

passent

en dessous pour les

débits élevés. Le même

_phénomène

s’est retrouvé dans les trois

_types

d’insolateurs utilisés

(isolement

identique).

Il a donc fallu admettre une

perméabi-lité

_calorifique

des

_parois.

Pour les faibles débits

(température élevée)

l’eau chauffée cède de la

chaleur au milieu extérieur. Au contraire pour les

débits

_{plus élevés,}

l’élévation de

_température

est

plus

faible. C’est le milieu extérieur

_qui

cède de la

chaleur à l’eau. Le

_point

d’intersection

des courbes

théoriques

et

_{expérimentales}

donne la

_température

moyenne

tp

des

_parois

et le débit à

_partir

_duquel

les

_parois

commencent à fournir la chaleur au

système.

Ce débit

_peut

d’ailleurs se retrouver _par

le calcul en

_{posant t}

-

tp

0. On trouve

valeur confirmée _par

_{l’expérience.}

Enfin l’étude de la

_répartition

des calories

per-met de calculer le coefficient

_{Cp caractéristique}

des

_parois

considérées et on admettra _{que pour des}

valeurs suffisamment élevées du

_débit,

il devient inutile de

_calorifuger.

GRAPHIQUE N° 2. Insolateur

_type

B.

Températures journalières

maximum de l’eau de sortie

en fonction du débit.

Le

_graphique

2 donne la _{moyenne des}

tempéra-tures maximum

obtenue

avec différents débits : ce maximum a lieu entre 14 heures et 15 heures. Les courbes des

_graphiques

1 et 2

_{correspondent}

à des

insolations

fortes.

_(Radiations

_globales

moyennes

comprises

entre 600 et 650 calories _par

jour

et par centimètre

carré).

Durant l’hiver la radiation

_globale

_{moyenne varie} autour de 450 calo-ries par

jour

et _par centimètre carré. Dans ce

cas tm - ti

est de l’ordre de 35°C. et la

tempéra-ture _{maximum pour} un débit nul ne

_{dépasse pas}

100 OC. Les

_graphiques

3 et 4 donnent les courbes

des

_{températures}

_théoriques

et

_{expérimentales}

_pour

différentes surfaces insolées allant de 2

_m2(Bi)

à 16

_m2(B8).

Sur les

_graphiques

3 et 4 on a

_représenté

_par des

pointillés

les valeurs des

_{températures}

correspon-dant à deux valeurs

_{particulières}

de

_{l’expression}

ÀS

D

1° Si

03BBS

= 2 la courbe

représentative

de At

D

présente

un

_point

d’inflexion

_{correspondant}

à un

110 A

Élévation de _{températures moyennes de l’eau de} sortie pour différentes surfaces insolées. Courbes

théoriques.

Élévation de _{température moyenne}

de l’eau

de sortie pour différentes surfaces insolées. Courbes réelles.

Pour les valeurs de D, >

_{D. (Dm}

=

03BBS)

_{on se}

rapproche

de la

_quantité

de chaleur limite avec

élévation de

_{température plus}

faible. Au contraire pour D

D.,

on obtiendra les élévations de

tem-pératures plus

importantes

et des

_quantités

de

chaleur

_plus

faibles. On

_peut

donc ainsi déterminer le débit le

_plus

_adapté

au but recherché.

De

_plus

sur le

_graphique

_4,

un

_{pointillé indique}

les

_{températures correspondant}

à

_{l’intersection}

de la courbe

_théorique

et de la courbe

_pratique.

GRAPHIQUE No 5.

Comparaison

des

_{augmentations}

de

_{températures}

obtenues avec les 3 _types

_d’appareil

pour un débit de 120

1/h.

Une étude

_analogue

a été faite avec les

inso-lateurs A et T définis

_plus

haut. Le

_graphique

5

indique

les variations de 0394t en fonction de la sur-face _{insolée pour chaque}

_type

_d’appareil

dans le

cas ou le débit est de 120 litres-heure.

On

a évalué X et

_C,

_pour les trois

_types

d’appa-reils.

L’insolateur de

_type

A

_paraît

assurer le meilleur rendement. Malheureusement son

prix

élevé ne

permet

pas de

prévoir

son utilisation sur de

grandes

surfaces.

L’étude

_{précédente s’applique}

au cas où l’eau échauffée n’est _{pas utilisée} directement mais sert

à échauffer l’eau d’utilisation.

Ainsi la détermination des

possibilités

des

inso-lateurs

_peut

se faire

_grâce

à la connaissance d’un nombre restreint de variables

X,

t’m’

Dc,

Cp,

quel que soit le

dispositif

adopté.

Les variables

sont alors D et Si