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Rev. Energ. Ren. Vol. 1 (1998) 99-108 99 Caractérisation d’un Distillateur à Ef

Rev. Energ. Ren. Vol. 1 (1998) 99-108 99 Caractérisation d’un Distillateur à Effet de Serre C. Khelif et B. Touati Station d’Expérimentation des Equipements Solaires en Milieu Saharien, Route de Reggane, BP 478 Adrar, Algérie (Accepté le 15.11.98) Résumé – L’analyse en régime permanent des différentes modélisations effectuées sur les capteurs solaires plans fonctionnant en basse et moyenne température a permis de développer un modèle linéaire simple susceptible d’approximer par voie expérimentale véloce les performances thermiques et optiques d’un distillateur solaire à effet de serre. Ce modèle a servi également pour l’identification du régime permanent et la vérification du temps de réponse du système dans les mêmes conditions de fonctionnement et d’environnement. Abstract – The analysis, in the steady state, of the different theoretical models of the plate solar collector operating at low and medium temperature allowed us to develop a simple linear model capable of predicting the optical and thermal performances of a green house effect solar still. This model is equally used for the steady state identification and the system response time checking in identical operation and environment conditions. Mots clés: Distillateur solaire à effet de serre - Capteur solaire plan - Basse et moyenne température - Performances thermiques - Performances optiques - Temps de réponse. 1. INTRODUCTION Les molécules d’un milieu hétérogène se déplacent grâce à un gradient de température ou de vitesse par brassage, par convection ou par diffusion moléculaire. Ce transfert est isotherme lorsqu’il s’agit d’un milieu de température constante et de concentration variable. Dans le cas du phénomène d’évaporation de l’eau dans l’air, le transfert de matière est assujetti au gradient de température ou de concentration en matière de vapeur d’eau, avec ou sans ébullition. Cette évaporation est d’autant plus importante que le gradient de température ou la concentration de matière est important. A cet effet, pour élever le niveau d’énergie d’une masse d’air, agent moteur d’évaporation, il suffit de l’enfermer en présence d’une charge d’eau dans une enceinte close à parois adiabatiques. Afin de réduire les pertes par convection et rayonnement, l’enceinte doit être enveloppée d’une couverture transparente opaque au rayonnement infrarouge émis par la saumure et le bac absorbeur au fond de l’enceinte. En laboratoire ou sur site réel, la quasi totalité des études effectuées sur les distillateurs thermosolaires, visent principalement l’optimisation de ces systèmes à travers des modèles de simulation numérique, basés sur des systèmes d’équations différentielles. Toutefois, l’intégration de ces équations nécessite la connaissance des coefficients d’échange et des propriétés thermophysiques qui interviennent dans le fonctionnement du système avec son environnement. Afin d’accomplir cette tache, on a recours généralement à de nombreuses hypothèses simplificatrices en vue de déterminer ces coefficients, soit par voie expérimentale, soit par analogie à la similitude de transfert de chaleur et de masse, en régime laminaire. Le caractère de fonctionnement turbulent ou de transition des distillateurs rend toute approche de simulation restreinte et spécifique à chaque cas particulier. C. Khelif et al. 100 L’objectif recherché à travers la formulation mathématique et les tests expérimentaux exposés dans cet article, est une approche de caractérisation du distillateur solaire à cascade à travers un modèle linéaire similaire à celui des capteurs solaires plans. 2. PRINCIPE DU MODELE Le capteur est étudié en régime permanent. On considère que : • les températures de fonctionnement sont uniformes, • les propriétés physiques et optiques du capteur sont constantes, • les facteurs des pertes sont linéaires et indépendants de la température. 2.1 Efficacité instantanée du distillateur Globalement, le distillateur est assimilé à une boite noire contenant une charge d’eau saumâtre et fonctionnant entre deux sources de chaleur : la saumure (source chaude) à une Fig. 1: Bilan thermique du capteur température moyenne Tw et l’ambiance (source froide) à une température moyenne Ta. La fraction de la puissance solaire incidente (Qinc) et absorbée par la charge d’eau (Qabs) est utilisée comme chaleur utile (Qu) pour l’évaporation d’une quantité d’eau et la fraction restante (Qp) est perdue vers l’ambiance. L’application de la première loi de la thermodynamique à un volume de contrôle (Fig. 1) délimitant la surface effective pertinente du système permet d’écrire le bilan d’équilibre thermique du système : [ ] ) T T ( U I A Q Q Q a w L g t c p abs u − − α = − = ) T T ( A U Q a w c L p − = (1) ) I A ( Q Q g c t inc t abs α = α = αt, l’absorptivité effective totale de la saumure (rendement optique du distillateur), est donnée par l'expression suivante [3]: b w g w g t . . . α τ τ + α τ = α Caractéristiques d’un Distillateur à Effet de Serre 101 τg et τw sont respectivement la transmitivité du vitrage et de la saumure; αb et αw, l’absorptivité du bac et celle de la saumure. Pour un angle d’incidence inférieur à 30°, αt est estimée à environ 0.85. Le facteur des pertes globales UL calculé par rapport à la surface d’évaporation en tenant compte des pertes thermiques avant, arrière et latérales est donné par la relation : e b t L U U U U + + = Dans ce cas, UL est estimé à environ 5.12 W/m2°C. D’autre part, l’efficacité globale ηg et l’efficacité interne ηin du distillateur sont exprimées par les relations : in t c g v inc u g A I L m Q Q η α = = = η ∑ ∑ (2) avec Lv étant la chaleur latente d’évaporation à la température de l’eau et m le débit du distillat. Lv est donnée par : ] ) 15 . 273 T ( 668 . 0 883 [ 18 . 4 L w v + − = La combinaison des équations (1) et (2) permet de déduire le rendement global comme suit: X . B A I T T U g a w L t g − ≡         − − α = η (3) Les constantes A et B de l’équation (3) sont respectivement l’absorptivité effective de la saumure et le facteur des pertes globales du distillateur. Elles peuvent être déduites par un simple lissage sur le nuage de points de mesure, du rendement ηg en fonction de la variable réduite X par la technique des moindres carrées. 2.2 Constante de temps du distillateur La constante de temps du système mesure, en terme de temps, la capacité calorifique du système. Elle dépend, en général, de la construction du collecteur, des matériaux utilisés, de la chaleur du fluide caloporteur, du facteur d’extraction de chaleur, du débit du distillat et évidemment de la température de fonctionnement. Un temps de réponse faible n’a qu’un effet secondaire sur les performances moyennes du collecteur à long terme. En régime permanent, nous pouvons négliger les inerties dues au vitrage, à la plaque absorbante et à l’isolation thermique devant l’inertie de la charge d’eau à distiller. Ce qui nous permet d’affecter toute l’inertie du système à la charge d’eau dans le bac Mw de capacité calorifique Cp. Dans ces conditions, l’équilibre thermique de l’ensemble est régit par l’équation différentielle suivante : [ ] ) T T ( U I A t d ) T T ( d C M a w L g t c a w p w − − α = − (4) L’intégration de l’équation différentielle (4) peut être exprimée sous la forme simplifiée suivante: C. Khelif et al. 102       τ − =         − = − − α − − α t exp t C . M A . U exp ) T T ( U I ) T T ( U I p w c L int a w L g t a w L g t (5) On constate, qu’en absence de la radiation solaire sur le plan du capteur, le premier terme de l’équation (5) mesure le taux de décroissance du niveau d’énergie entre les sources chaude et froide du distillateur. Ce taux vaut 368 . 0 e 1 = au moment où t = τ, avec τ désignant la constante de temps du système. Cette constante peut être déterminée expérimentalement par la simple connaissance de l’écart de température entre la saumure et l’ambiance au cours du temps. L’équation (5) montre que la variation de la température de la saumure en fonction du temps peut se présenter sous la forme exponentielle suivante : ( ) 2 1 0 w C t C exp C T + − = (6) C0, C1, C2 sont des constantes obtenues à partir des températures de la saumure T0, T1, T2 mesurées aux instants t0, t1, t2. Le calcul conduit aux expressions suivantes : ( ) 1 2 o 2 1 2 0 T 2 T T T T C − + − =         − − = o 1 1 2 1 T T T T uploads/Management/ art1-2-4 2 .pdf