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N° d'ordre : /2008/DM RÉPUBLIQUE ALGÉRIENNE DÉMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTÈRE

N° d'ordre : /2008/DM RÉPUBLIQUE ALGÉRIENNE DÉMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTÈRE DE L’ENSEIGNEMENT SUPÉRIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE UNIVERSITÉ DE BATNA FACULTE DES SCIENCES DE L’INGÉNIEUR DÉPARTEMENT DE MÉCANIQUE MÉMOIRE PRÉSENTÉ POUR L’OBTENTION DU DIPLÔME DE MAGISTERE EN MÉCANIQUE Option : ENERGÉTIQUE Préparé au laboratoire LESEI PAR FEDALI SAIDA _________________________ MODELISATION ET CONCEPTION D'UN DISTILLATEUR SOLAIRE DES EAUX SAUMATRES A BAS COÛT POUR LES COMMUNAUTES RURALES _________________________ Devant le Jury : Dr. M. Si Ameur Prof. U. de BATNA Président Dr. C. Bougriou M.C. U. de BATNA Rapporteur Dr. H. Ben moussa Prof. U. de BATNA Examinateur Dr. S.Rahal M.C. U. de BATNA Examinateur Dr. S/A. Mayouf M.C. U. de CONSTANTINE Examinateur Année Universitaire 2007/2008 Dédicaces Je dédie ce travail à : Ma mère ; Mon père ; La mémoire de Dardour Abd el madjid ; Tous mes amis et collègues ; Tous ceux qui me sont chers. FEDALI Remerciements Avant tout je remercie mon dieu le tout puissant J’adresse mes remerciements à tous ceux qui m'ont accompagné au cours de ce travail de recherche, A Dr Chérif Bougriou, qui ma fait confiance en me proposant ce thème de recherche d’actualité. Je le remercie non seulement pour la qualité scientifique de leur encadrement mais également pour avoir mis à ma disponibilité tous ces moyens (salle, outils informatiques, distillateur, etc.) et surtout pour son inestimable qualité. Mes vifs remerciements vont aussi à Messieurs ; - M. Siameur, Professeur au Département de Mécanique de l’Université de Batna. - H. Benmoussa, Professeur au Département de Mécanique de l’Université de Batna. - S. Rahal, Docteur au Département de Mécanique de l’Université de Batna. - S.A. Mayouf, Docteur à l’Université de Constantine. Pour avoir accepté de me faire l’honneur de juger ce travail et de participer au jury mémoire. J’exprime des remerciements distingués à Messieurs A. Benderadji, B. Barkat, Melle F. Bouguerne et Mme W. Soltani enseignants au Département de Mécanique de l’Université de Batna. Je remercie également les enseignants du Département de Mécanique de l’université de Batna pour leurs aides et leurs encouragements continus. Je remercie particulièrement mes amis et tous ceux qui ont contribué de prés ou de loin à l’élaboration de ce mémoire. A la fin, je suis reconnaissante plus particulièrement aux étudiants de la Post-Graduation pour tout le courage et la volonté qu’ils m’ont prouvé dans les moments très difficiles. Table des matières TABLE DES MATIERES TABLE DES MATIERES ...………................................................................................................. INTRODUCTION GENERALE ..................................................................................................... PARTIE I. PROBLEMATIQUE DE LA DISTILLATION SOLAIRE Chapitre 1. CONNAISSANCE GENERALE SUR LA DISTILLATION SOLAIRE .......... 1.1 INTRODUCTION ………………………………………………………………………. 1.2 DEFINITIONS .…………………………………………………………………………... 1.3 TYPES DE DISTILLATION SOLAIRE ………………………………………………… 1.3.1 Distillation solaire à effet de serre ………………………………………………... 1.3.1.1 Types de conception du distillateur solaire à effet de serre et leur performance ……………………………………………………………………. 1.3.2 Distillation solaire à multiples effets ……………………………………………... 1.4 PARAMETRES INFLUANT SUR LE FONCTIONNEMENT DU DISTILLATEUR …. 1.4.1 Paramètres de constructions ………………….……………………………….….. 1.4.2 Paramètres métrologiques ……………….……………………………………..… 1.4.3 Epaisseur de l’eau ou de la saumure à distiller ……..……..…………………..… 1.5 CARACTERISTIQUES DU DISTILLATEUR ………………………………………… 1.6 TECHNOLOGIE DE LA COUVERTURE ……………………………………………... 1.7 TECHNOLOGIE DU BASSIN ………………………………………………………..... 1.8 PERFORMANCES ……………………………………………………………………… 1.9 BESOINS EN ENERGIE POUR LA DISTILLATION DE L'EAU ……………………. 1.10 CONCEPTION OBJECTIVE POUR UN DISTILLATEUR SOLAIRE EFFICACE ….. Chapitre 2. ETAT DE L’ART ……………………………………………………………..…. 2.1 MODELSATION DU DISTILLATEUR SOLAIRE ………………………………….… 2.1.1 Problématique …………………………………………………………………....... 2.2 ETUDE DU DISTILLATEUR SOLAIRE CONVENTIONNEL .........................……….. 2.3 ETUDE DU DISTILLATEUR SOLAIRE ACTIF ……………………………………… PARTIE II. MODELISATION ET REALISATION D’UN DISTILLATEUR SOLAIRE Chapitre 3. MODELISATION ET RESOLUTION NUMERIQUE .……………………..… 3.1 CONSIDERATIONS GENERALES SUR LA MODELISATION ADOPTEE …..…….. 3.2 HYPOTHESES SIMPLIFICATRICES ………………………..………………………… 3.3 PARAMETRES ET CARACTERISTIQUES DES DISTILLATEURS …………...…….. 3.3.1 Paramètres externes ……………………………………………………………….. 3.3.2 Paramètres internes ……………………………………………………………….. 3.3.3 Caractéristique de fonctionnement ………………………………………………... 3 6 15 15 15 16 16 17 20 21 21 21 22 22 22 23 23 23 24 25 25 25 25 39 49 49 50 50 50 50 50 Table des matières 3.3.3.1 Efficacité ……………………………………………………………...………... 3.4 BILANS ENERGETIQUES DANS UN DISTILLATEUR SIMPLE ………………....… 3.4.1 Echanges de chaleur à l’intérieur du distillateur ……….……………………...…. 3.4.1.1 Echange de l’eau avec l’absorbeur et la surface de condensation ……………. 3.4.1.2 Echange de la vitre avec la surface d’eau …………………………………….. 3.4.1.3 Echange de la vitre avec l’ambiant …………………………………………… 3.4.2 Modélisation mathématique ……………………………………………………...… 1) Bilan du vitrage ………………………………………………..…………………. 2) Bilan de l’eau ……………………………………………..……………………… 3) Bilan du bassin inférieur ………………………………………………………… 4) Bilan de l’isolant ………………………………………………………………… 5) Débit du condensat …………………………………………..………………….… 3.4.3 Expression des différents coefficients de transfert de chaleur ……………….......... 3.5 RESOLUTION DU SYSTEME D’EQUATIONS ….……………..……………...…….. 3.5.1 Méthode de RUNGE-KUTTA …………………………………………………...… 3.5.2 Résolution ………………………………………………………………………..… 3.6 PROGRAMME ………………………………………..……………………………….... 3.7 ORGANIGRAMME …………………………………………..………………………… Chapitre 4. REALISATION DU DISTILLATEUR SOLAIRE A EFFET DE SERRE …. 4.1 CONCEPTION DU DISTILLATEUR SOLAIRE …………….…………………..……. 4.1.1 Bac absorbant ………………………………………………………………..……. 4.1.2 Couverture verrière (verre) ……………………………………………………….. 4.1.3 L’isolation thermique ……………….……………………………………………... 4.1.4 Couverture extérieure …….……………………………………………………..… 4.1.5 Cuve de récupération du distillat ……………………………………….…………. 4.1.6 Tuyauterie ………………………………………………………………………… 4.1.7 Composants standards achetés …………………………………………………… 4.1.8 Réalisation des composants du distillateur solaire ……………………………… 4.1.8.1 Réalisation du bac absorbant ……………………………………………..….. 4.1.8.2 Réalisation du coffre ……………… ……………………………………..…… 4.1.8.3 Réalisation du socle ……………………………………………………………. 4.1.9 Montage …………………………………………………………………………… 4.2 EXPERIENCES………………………………………..………………………………… 4.2.1 Instrumentation générale ….…………………………………………………….. 4.2.1.1 Mesure de température ………………………………………………………… 4.2.1.2 Mesure du flux global …………………………………………………………. 4.2.1.3 Mesure de la vitesse du vent …………………………………………………… 50 53 53 53 53 53 53 54 54 54 55 55 55 59 59 60 60 62 68 68 69 69 70 70 70 70 71 73 73 73 74 74 76 76 76 79 80 Table des matières 4.3 ESTIMATION DU COÛT DU DISTILLATEUR …………………………………….. 4.3.1 Calcul de la rentabilité du projet ……………………………………………………. PARTIE III. RESULTATS THEORIQUES ET EXPERIMENTAUX Chapitre 5. RESULTATS ET INTERPRETATIONS ………………………………......... . 5.1 RESULTATS ET INTERPRETATIONS .………………………………………. 5.1.1 Résultats théoriques ……………………………………………………………… 5.1.2 Résultats expérimentaux ……………………………………………………….…... 5.1.3 Comparaisons entre les résultats expérimentaux et théoriques ………………….... 5.2 CONCLUSION ………………………………………………..………………………... CONCLUSION GENERALE …………………………………………………………………… ANNEXES ………………………………………………………………………………………… A-1 COMPARAISONS DES FORMULES DE PRESSION ………………………………. A-2 COMPARAISONS DES FORMULES DE hCV-A ……………………………………… A-3 ERREURS RELATIVES ………………………………………………………………. 80 81 86 86 86 90 97 100 101 103 103 104 105 Nomenclature NOMENCLATURE Symbole Désignation Unité T Température °C ǻT Différence de température °C Q Densité du Flux de chaleur W/m2 ev Q Puissance d’évaporation W/m2 eau Q Puissance absorbée par l’eau distillée W/m2 fg h Chaleur latente de la vaporisation J/kg P Pression de saturation Pa M Masse du condensat kg d m & Débit du distillat Kg/s V vitesse du vent m/s K Conductivité thermique du fluide W/(m.K) L Longueur m h Coefficient de transfert de chaleur W/(m2. K) S Superficie du capteur (aire de la vitre) m2 G h Puissance solaire incidente W/m2 Cp Chaleur spécifique J/(kg.K) t Temps s ta Année to Heure du lever du soleil U Coefficient global de pertes thermiques W/(m2. K) VAC Valeur actualisée nette INV Investissement initial net VA Valeur actuelle d’une variable (gain ou dépense) LETTRES GRECQUES ε Coefficient d’émissivité τ Coefficient de transmission α Coefficient d'absorption β Coefficient d'expansion thermique du fluide 1/K ρ Masse volumique du fluide Kg/m3 µ Viscosité dynamique du fluide Kg/(m.s) ν Viscosité cinématique du fluide m2/s Nomenclature a Diffusivité thermique m2/s g Champ de gravitation = 9.81 m/ s2 σ Constant de Stephane-Boltzmane = 5.6697×10-8 W/(m2 .K4) δ Epaisseur m F.P.B Facteur de performance brut F.P.H Facteur de performance horaire F.P Facteur de performance INDICES A Ambiant B Bassin C Convection avec Q et condensât avec m Evap Evaporation V Vitre E Eau I Isolant f Fond du distillateur ou fluide R Rayonnement Cond Conduction eff Effectif E_ V Eau - vitre V_ A Vitre a l’ambiant B_ E Bac a l’eau I _B Isolant au basin i Taux d’intérêt j Taux d’évolution du prix d’une variable (gain ou dépense) n Durée de vie économique de l’investissement 1,2 Surfaces 1et 2 NOMBRES ADIMENSIONNELS Gr Nombre de GRASHOF 2 3 2 g L T Gr β ρ µ ∆ = Pr Nombre de PRANDLT Cp Pr k a µ ν = = Nu Nombre de NUSSELT ( ) 0.25 0.27 Nu GrPr = Introduction générale 8 INTRODUCTION GENERALE Sur le plan mondial, la demande en eau potable de bonne qualité est de plus en plus forte. En effet, la population augmente rapidement et les besoins en eau de l’industrie et de l’agriculture sont de plus en plus élevés [RAY 1997]. Les besoins en eau sont principalement répartis entre 4 types de consommation : Ø 55% de l'eau consommée sert à fournir de l'énergie (barrage hydroélectrique, refroidissement des centrales nucléaires, énergie géothermique, etc.), Ø 18% est consommée par les particuliers ; Ø 15% est utilisée par l'agriculture ; Ø 12% est consacrée à un usage industriel [ALA 2004]. Il y a actuellement, pour l’ensemble de la planète suffisamment d’eau pour satisfaire à toutes les utilisations. Toutefois, cette eau n’est pas repartie selon les besoins de chaque région; ainsi, certaines régions sont affectées de pénuries chroniques (désert), alors que d’autre affiche des surplus. Les eaux sont réparties sur le globe terrestre de la façon présentée au tableau-1- . Tableau 1-1 : Répartition des eaux sur le globe terrestre [RAY 1997]. Provenance de l’eau Quantité (%) Eau douce de lacs Eau de rivières Eau souterraine (prés de surface) Eau souterraine (en uploads/Science et Technologie/ inj-fedali-saida.pdf