2.2. La chambre de séchage :

(1)

41

Etude Expérimentale d’un Séchoir Solaire

R. Miri*, O. Mokrani* , F. Siad* et M. Belhamel **

*Département de Génie Mécanique. USTHB ALGER .

**Centre de développement des Energies Renouvelables Bouzaréah ALGER

Résumé – Le but primordial de notre travail est une étude expérimentale du séchage solaire, par la méthode indirecte et en convection naturelle; Elle nous a permis aussi, d'étudier l’influence de la double circulation d’air, en amont et en aval de l'absorbeur de l'insolateur, sur les divers organes du dispositif expérimental. Nous nous intéressons, pour cela, à l’évolution de la température de l’air le long de son parcours dans le séchoir, ainsi qu’aux pertes de masse et aux vitesses de séchage des produits expérimentés tels que la menthe verte, la verveine officinale, le laurier (Lauris nobilis), le piment rouge et raisin ( Muscat d’Alexandrie ).

L’efficacité du séchage solaire, est déterminée par une étude comparative entre le temps mis par les produits pour sécher à l’intérieur du séchoir, et à l’air libre. Les durées de séchage et les pertes de masses relevés pour chaque produit sont présentés et commentés.

Abstract – The main objective of our work is an experimental study of solar drying, by the indirect method and in natural convection, It also allowed us, to study the influence of the double circulation of air, upstream and downstream from the absorber of the solar heater, on the various components of the experimental device. We study, for that, the change of the temperature of the air along its course in the drier, as well as the losses mass and speeds of drying of the products tested such as spearmint, the common vervain, the bay-tree (Lauris nobilis), the hot red pepper and grape (Muscatel of Alexandria

The effectiveness of solar drying is determined by with a comparative study between the time put by the products to dry inside and outside the drier. Times of drying and the losses of masses raised for each product are presented and commented on.

1. INTRODUCTION

L’humidité initiale de chaque produit à été déduite à la fin de l’opération de séchage, en faisant la différence entre la masse initiale et finale du produit considéré.

Les courbes de perte d’humidité que nous présenterons plus loin illustrent en réalité les pertes d’humidité relative qui représente le pourcentage de la masse d’eau contenue dans le produit par rapport à sa masse totale ou humide. Cette humidité relative est donnée par la relation suivante :



 



= 

= g produit

eau g produit

du totale masse

produit le dans contemue eau

d masse

W .

. .

. . . .

' .

Ne connaissant pas avec exactitude l’humidité finale des produits séchés, nous avons été contraints de la supposer nulle, par conséquent nous supposons que tous nos produits sont des corps hygroscopiques.

Cette supposition n’a aucune répercussion sur les résultats de notre étude, à savoir sur le temps ou sur la vitesse de séchage car nous résonnons sur l’humidité susceptible d’être extraite.

La vitesse de séchage quant à elle, est déduite à partir des pertes d’humidité par la relation suivante :

















∆ =

=∆

heure produit g

eau g t

V w .

. .

Après avoir décrit le séchoir solaire expérimental nous présentons l’essentiel des résultats que nous avons obtenus en deux partie, la première s’intéressant au températures des divers organes et à l’influence de la double circulation d’air sur ces derniers, pour la quelle nous avons consacré deux journées types, et la seconde regroupe les différantes courbes de pertes d’humidité et de vitesses de séchages des cinq produits séchés.

2. REALISATION DU SECHOIR SOLAIRE EXPERIMENTAL

Le séchoir solaire étudié (Image 1) est une conception que nous avons réalisé au Centre de Développement des Energies Renouvelables de Bouzaréah. Le séchoir solaire est de type indirect sans recyclage d’air et sans système d’appoint il se compose d’un capteur à air et d’une chambre de s échage

(2)

2.1. Le capteur solaire : (Image 2)

Le capteur solaire utilisé est un capteur à air plan à double circulation d’air l’une dans la partie supérieure, entre la vitre et la plaque absorbante, et l’autre dans la partie inférieure entre la plaque et l’isolant. Il a une longueur de 2m,une largeur de 0.94m et une hauteur de 0.12 m.

Image 1: Séchoir solaire expérimental Image 2 : Capteur solaire à air

2.2. La chambre de séchage :

Notre chambre de séchage est une boite en bois de forme cubique dont la partie supérieure est surmontée d’une toiture en ‘V’. Nous l’avons isolée thermiquement avec du polystyrène sur les parois latérales et de la laine de verre sur la toiture et les volets servant d’ouverture. En outre nous l’avons muni d’une cheminée sur le toit en tube PVC d’un mètre de longueur et d’un diamètre de 80 mm ainsi que d’une ouverture sur sa base pour l’admission de l’air chaud provenant du capteur. (Image 3) Les quatre faces latérales ont une surface de 1m² chacune

Image 3: Chambre de séchage

(3)

L’une d’elle est munie d’une porte à double battants ayant les dimensions : 2 x 45 x 90cm. En plus de l’isolation thermique, la boite de séchage est entièrement recouverte d’un plastique de couleur noire pour assurer une parfaite étanchéité les jours de pluie et un maximum d’apport thermique par rayonnement solaire.

Notre chambre de séchage est posée sur un support métallique à une hauteur de 2.20m du sol. Les produits sont disposés à l’intérieur de la boite sur trois (3) claies de forme carrée composées chacune d’un cadre en bois sur lequel est fixé un grillage galvanisé, pour permettre le passage de l’air. Les claies sont distantes les unes des autres de vingt (20) centimètres. (Image 3)

3. RESULTATS ET INTERPRETATIONS

Nous avons consacrés les deux premiers jours de notre étude expérimentale le 15 et le 16 août 1999 à l’évaluation de l’influence de la circulation de l’air provenant de la partie supérieure du capteur solaire sur la cinétique de séchage, ainsi qu’à celle issue de la double circulation. Pour cela, nous avons relever les

températures de l’air à différents endroits ainsi que les températures de divers organes du système pendant les deux journées de test consacrées chacune à un mode de circulation.

3.1. Mesure de l’éclairement solaire

L’éclairement solaire au cours de la journée du 15 août visible sur la figure (1a) atteint un maximum de 980 w/m² aux alentours de 13 heures locales (12h00 TSV). Sa moyenne journalière (entre 9h30 à 16h30) est de 811 w/m². Pour la journée suivante du 16 août, L’éclairement solaire visible sur la figure (2a) atteint un maximum de 990 w/m² aux alentours de 13 heures locales (12h00 TSV). Sa moyenne journalière (entre 9h30 à 16h30) est de 847 w/m²).

3.2. Relevé expérimental des températures

Afin de mieux comprendre l’influence de chacun des circuits de circulation de l’air sur le système, nous présentons, les moyennes des températures des différents organes dans le tableau suivant :

Température des organes (°C)

Absorbeur Vitre Sortie haute

Sortie basse Entrée chambre

Claies T ambiante

Simple circulation 103,31 68,95 86,42 51,17 61,68 44,97 26,53

Double circulation 96,55 67,61 76,96 56,96 50,07 38,19 26,62

La principale constatation est l’écart important entre la température de l’air à la sortie haute et celle de la partie basse (de l’ordre de 35°C). Cet écart est du au fait que l’air circulant sur la partie supérieure du capteur léche l’absorbeur chauffé par effet serre. L’air circulant dans la partie basse, quant à lui, ne s’échauffe que par conduction et convection.

L’augmentation de la température des claies au cours de la simple circulation de l’air dans la partie supérieure nous a conduit à opter pour ce mode de fonctionnement pour effectuer l’opération de séchage.

Les évolutions comparatives de température des différents organes du système, pour les deux modes de circulation de l’air sont montées sur les graphes 1b, 1c et 2b, 2c.

3.3. Evolution de l’humidité et de la vitesse de séchage des produits étudiés

Les évolutions de perte de masse et de vitesse de séchage du laurier, de la verveine et de la menthe sont montrées sur les graphes (3 à 8). Nous commentons, à titre d’exemple, celles relatives à la menthe montrées sur les graphes 7 et 8. L’humidité relative de la menthe est initialement de 80%. Son élimination dans le séchoir dure 30 heures tan disque que son séchage à l’air libre dure, quant à lui, 50 heures. Nous pouvons conclure que le gain de temps est de 20 heures, soit 40%.

Au vu du graphe de la vitesse de séchage(N°8), nous constatons des oscillations dues à une perte de masse pendant la période diurne et une relative augmentation de cette dernière en période nocturne lorsque la température ambiante atteint la valeur du point de rosée.

Les évolutions de perte de masse et de vitesse de séchage du raisin sont montées sur les graphes 9 et 10 tan disque celles du piment son indiquées sur les graphes 11 et 12. L’humidité initiale du raisin est de 70% tan disque celle du piment est de l’ordre de 80%. Le temps de séchage du raisin dans le séchoir est de 318h (580h à l’air libre soit un gain de 45%) tan disque celui du piment est de 243h (342h à l’air libre soit un gain de 29%)

(4)

Les résultats de séchage des produits étudiés à l’intérieur du modèle, comparés à ceux obtenus à l’air libre sont consignés dans le tableau ci après. Nous constatons un gain de temps variant entre 30 à 45% dans notre séchoir solaire qui fonctionne en convection naturelle et ne nécessite aucune énergie conventionnelle.

Journée du 15 Août 1999 Circulation d’air (partie haute)

Journée du 16 Août 1999 Double circulation d’air

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

9h30 9h50 10h10 10h30 10h50 11h10 11h30 11h50 12h10 12h30 12h50 13h10 13h30 13h50 14h10 14h30 14h50 15h10 15h30 15h50 16h10

Evolution de l'eclairement en fonction du temps

Temps

Eclairement [w/m2]

Fig. 1 a

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

8h50 9h10 9h30 9h50 10h10 10h30 10h50 11h10 11h30 11h50 12h10 12h30 12h50 13h10 13h30 13h50 14h10 14h30 14h50 15h10 15h20 15h40 16h00

Evolution de l'eclairement en fonction du temps

Temps

Eclairement [w/m2]

Fig. 2 a

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

9h30 10h00 10h30 11h00 11h30 12h00 12h30 13h00 13h30 14h00 14h30 15h00 15h30 16h00

Temps

Temperature [°C]

Absorbeur S o r t i e d ' a i r - H a u t e -

Vitre S o r t i e d ' a i r - B a s s e -

A m b i a n t e

Evolution de la température au niveau du capteur à air

Fig. 1 b

20 40 60 80 100 120

8h50 9h30 10h10 10h50 11h30 12h10 12h50 13h30 14h10 14h50 15h20 16h00

Temps

Temperature [°C]

Absorbeur Sortie d'air -Haute-

Vitre Sortie d'air- Basse-

Ambiente

Evolution de la température au niveau du capteur à air

Fig. 2 b

Evolution de la température dans l'unite de Séchage

05 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70

9h30 10h00 10h30 11h00 11h30 12h00 12h30 13h00 13h30 14h00 14h30 15h00 15h30 16h00

Temps

Température [°C]

Entrée chambre Sortie chambre Ambiante Claie 1 Claie2

Fig. 1 c

Evolution de la température dans l'unite de Séchage

0 10 20 30 40 50 60 70

8h50 9h20 9h50 10h20 10h50 11h20 11h50 12h20 12h50 13h20 13h50 14h20 14h50 15h15 15h40

Temps

Température [°C]

Entrée chambre Sortie chambre Ambiante Claie 1 Claie2

Fig. 2 c

(5)

Evolution de l'humidité relative du laurier

0 10 20 30 40 50 60 70

1er jour 10h00 12h00 14h00 16h00 2eme jour 10h00 12h00 14h00 16h00 3ème jour 10h00 12h00 14h00 16h00

Temps de séchage

Humidité w[%g eau/g produit]

Séchoir Exterieur

Fig. 3

Evolution de la vitesse de séchage du laurier

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Temps de séchage Vitesse de séchage (dw/dt)[% g eau/g produit.h]

Séchoir Exterieur

Fig. 4 Le LAURIER

Evolution de l'humidité relative de la Verveine

0 10 20 30 4050 60 70 80

temps de séchage[h]

Humidité w[%g eau/g produit]

Séchoir Exterieur

Fig. 5

Evolution de la Vitesse de séchagede la Verveine

0 2 4 6 8 10 12

Tempsde séchage[h]

Vitesse (g/h)

Séchoir Exterieur

Fig. 6 La VERVEINE

E v o l u t i o n d e l ' h u m i d i t é r e l a t i v e d e l a m e n t h e

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

1er Jour 9h00 11h00 13h00 15h00 17h00 2ème jour 9h00 11h00 13h00 15h00 17h00 3ème jour 9h00 10h00 11h00 12h00 13h00

t e m p s d e s é c h a g e

Humidité W [% g eau/g produit]

S é c h o i r E x t é r i e u r

Fig. 7

E v o l u t i o n d e l a v i t e s s e d e s é c h a g e d e l a m e n t h e

0 2 4 6 8 10 12

1er Jour 9h00 11h00 13h00 15h00 17h00 2ème jour 9h00 11h00 13h00 15h00 17h00 3ème jour 9h00 10h00 11h00 12h00 13h00

t e m p s d e s é c h a g e Vitesse de séchage (dw/dt) [% g eau/g produit.h]

S é c h o i r E x t é r i e u r

Fig. 8 LA MENTHE

(6)

Evolution de l'humidité du Raisin

0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0

1er jour 9h00 2ème jour 9h00 3ème jour 9h00 4ème jour 9h00 7ème jour 9h00 8ème jour 9h00 9ème jour 9h00 10ème jour 9h00 11ème jour 9h00 14ème jour 9h00 15ème jour 9h00 16ème jour 9h00 17ème jour 9h00 18ème jour 9h00 21ème jour 9h00 22ème jour 9h00 23ème jour 9h00 24ème jour 9h00 25ème jour 9h00

Temps de séchage

Humidité W [% g eau /g produit]

Séchoir Extérieur

Fig. 9

V i t e s s e d e s é c h a g e d u R a i s i n

0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 1 . 2

T e m p s d e S é c h a g e S é c h o i r E x t é r i e u r

Fig. 10

Evolution de l'humidité du piment

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

1ère jour 9h00 13h00 17h00 11h00 15h00 3éme jour 10h00 4ème jour 10h00 14h00 5ème jour 9h00 13h00 17h00 11h00 15h00 9ème jour10h00 14h00 10 ème jour10h00 14h00 11éme jour10h00 14h00 12ème 10h00 14h00 15ème jour 9h00 13h00 17h00

Heure de séchage

humidité w[%g eau /g produit]

Séchoir Extérieur

Fig. 11

V i t e s s e d e s é c h a g e d u p i m e n t

0 0 , 2 0 , 4 0 , 6 0 , 8 1 1 , 2 1 , 4 1 , 6 1 , 8 2

1ère jour 9h00 11h00 13h00 15h00 17h00 2ème jour 9h00 11h00 13h00 15h00 17h00 3éme jour 10h00 14h00 4ème jour 10h00 12h00 14h00 16h00 5ème jour 9h00 11h00 13h00 15h00 17h00 8ème jour 9h00 11h00 13h00 15h00 17h00 9ème jour10h00 12h00 14h00 16h00 10 ème jour10h00 12h00 14h00 16h00 11éme jour10h00 12h00 14h00 16h00 12ème 10h00 12h00 14h00 16h00 15ème jour 9h00 11h00 13h00 15h00 17h00 H e u r e d e s é c h a g e VITESSE dW/dt [%g EAU/g PRODUIT. h ]

S E C H O I R E X T E R I E U R

Fig. 12

(7)

4. CONCLUSION

L’étude expérimentale que nous avons menée sur le séchoir indirect en convection naturelle, a consisté à l’étude de deux grands axes, à savoir une partie rayonnement solaire au niveau du capteur et une partie séchage dans la chambre.

Concernant l'insolateur, nous nous sommes intéressés à l’influence de la double circulation d’air sur le capteur plan que nous avons adapté pour la circonstance (Mélange régulé de l’air chauffé provenant de la sortie haute du capteur (entre la vitre et la plaque absorbante) celui issu de la sortie basse (entre la plaque absorbante et l’isolant pour éviter ainsi des températures trop élevées qui risqueraient de brûler les produits séchés.

Nous avons noté, à 12⁰⁰ TSV que la température de l’air provenant de la sortie haute du capteur avoisinait les 80°C et que celle de celui issu de la sortie basse avoisinait les 45°C, (la marge des températures de séchage de la majorités des produits agro -alimentaire, varie entre 30 et 80°C).

Dans notre étude du séchage en convection naturelle, nous nous sommes intéressés d’abord à son efficacité par rapport au séchage naturel à l’air libre.

Les durées de séchage, les gains en heures ainsi que les pertes de masses relevés pour chaque produit sont résumés dans le tableau suivant :

produits Temps de séchage dans le séchoir

[heure]

Temps de séchage à l’air libre

[heure]

Gains [heure]

Masse initiale [g]

Masse finale

[g]

% d'humidité

extraite

Menthe 30 50 20 200 40 80

Piment 243 342 99 300 60 80

Raisin 318 580 262 500 150 70

Laurier 28 52 24 300 120 60

Verveine 30 52 22 300 75 75

L’efficacité du séchoir ainsi que nous l’avons défini précédemment, vaut une moyenne de 40%. Ce résultat est très encourageant d’autant plus q ue nous avons trouvé des insuffisances à notre séchoir.

Nous estimons que le séchage solaire par convection naturelle donne d’assez bons résultats (amélioration du temps de séchage de l’ordre de 40%) mais nous croyons que ces applications sont restreintes aux usages domestiques.

Nous croyons tout de même que le séchage solaire serait exploitable et très intéressant dans l’industrie en étant enrichi d’un système d’appoint qui remédierait aux insuffisances du soleil surtout le soir et les jours de pluie, d’un système de recyclage d’air qui économiserait de l’énergie et d’un dispositif de pompage qui accélérerait le processus

REFERENCES

[1] .Arditti,“ Technologie Industrielle Chimique”, (TOME 3, 1972).

[2] Adda-Philibert, “ Diffusion dans les Solides”, (TOME1,1966).

[3] J. J. Bimbenet, “Séchage dans les Industries Agro-alimentaires”, (SAPAIC.PARIS 1987).

[4] J. D. Balcomb, “Systèmes de Chauffage de l'Habitat”.

[5] W. Beckman and A. J. Duffi, “ Solar Engineering of Thermal Processes”, (edition 2, 1991).

[6] A. Benkhalifa, R. A. Brac De La Perrire, S. Hannachi et D. Khitri, “Inventaire Variétal de la Palmeraie Algérienne”

(MARS 1998).

[7] F. Bentahar, “Etude de la Cinétique de Séchage des Produits Alimentaires – Application à la carotte et Pomme de Terre”- (1996).

[8] J. C. Charpentier, Techniques de l’Ingénieur, Génie des Procédés, (types des séchoirs et modes de séchage artificiels, 12- 1996).

[9] Centre International de la Physique Théorique : 4^ème séminaire de l’énergie solaire (10-21octobre, 1984).

[10] M. Daguenet, “Séchoirs Solaires, Théorie et Pratique” (1985).

[11] D. Greiner, “Le Marché de la Datte, Produit de Rente des Oasis” (www.aupelfuref.org/revues/séchresse, 1998).

[12] Séchage Solaire (www.fao.org/X00184E/x00184e.htm).

[13] INRAA: Recherche Agronomique (revue semestrielle n°:1, OCTOBRE 1997).

[14] N. Kechaou, M. Bagane , M. Maalej et C. Capseu, “Approche Empirique de la Cinétique de Séchage des Dattes”, JITH, volume 3, 1995).

(8)

[15] F. Kreith: Thermodynamique, Transfert de Chaleur et de Masse ( 2^ème édition, 1982).

[16] A. Lallemand : Techniques de l’Ingénieur, Génie Energétique (air humide, 10-1998).

[17] G. Menguy: Rayonnement Solaire, Conversion Thermique et Applications (1991).

[18] R. Miri: Contribution à L'étude Expérimentale et Théorique d'un Bilan d'Energie d'une Serre (thèse, 1983).

[19] P. Meffar: Industrie Agro-Alimentaire (1990).

[20] R. G. Morvan: Encyclopédie Internationale des Sciences et des Techniques.

[21] J. F. Sacadura: Initiation Aux Transferts Thermiques , 4^ème édition (1993).

[22] E. R. Treybal: Mass Transfer Operations , 3ème édition, (1980).