Etude du couplage d un distillateur solaire avec un capteur plan

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1 Rvu ds Enrgis Rnouvlabls ICRESD-07 Tlmcn (2007) Etud du couplag d un distillatur solair avc un captur plan Z. Haddad *, A. Chakr t N. Boukrzaza Laboratoir d Physiqu Enrgétiqu, Univrsité Mntouri, Constantin Résumé - Avc la croissanc démographiqu très rapid, la pollution t l gaspillag, l au vint déjà à manqur dans crtains régions d la planèt. Il faut donc nvisagr l dssalmnt ds aux saumâtrs, t/ou ds aux d mr, pour répondr au ravitaillmnt n au potabl d l humanité. La distillation solair constitu un ds procédés qui prmttra d approvisionnr notammnt ls villags t ls ptits vills à consommation limité. L rndmnt d c procédé rst néanmoins fort limité. Aussi dans l cadr d notr travail nous nvisagons d améliorr c drnir par l couplag d un distillatur avc un captur solair plan. Ls résultats obtnus montrnt sans aucun ambiguïté, un augmntation d 10 à 15% ds caractéristiqus d fonctionnmnt (production, fficacités global t intrn) du systèm couplé. Il apparaît n outr t comm l présntrons dans l cadr d c travail qu d nombrux paramètrs, notammnt l irradiation global, la tmpératur ambiant, la vitss du vnt t la tmpératur d l au, influnt nttmnt sur cs caractéristiqus d fonctionnmnt. 1. INTRODUCTION L dssalmnt d l au d mr st désormais un princip nvisagabl, voir nécssair pour obtnir d l au potabl. Si ls bsoins n au douc sont faibls, la distillation solair dirct apparaît comm un solution intérssant n particulir pour ls régions éloignés arids ou isolés. Néanmoins l rndmnt d un tl procédé rst fort limité. Dans l cadr d c travail, nous nvisagons l couplag du distillatur avc un captur afin d améliorr l rndmnt. L fft d nombrux paramètrs sur ls caractéristiqus d fonctionnmnt du systèm couplé sra égalmnt étudié. 2. DESCRIPTION ET PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT L dispositif (Fig. 1) st constitué ssntillmnt: D un distillatur n plxiglas, composé d un dmi sphèr supériur qui srt à transmttr l rayonnmnt solair d un part t jou l rôl d surfac d condnsation d autr part; d un dmi sphèr infériur qui récupèr l distillat t d un bac horizontal n métal noirci contnant l au à distillr t qui s trouv dans l plan médian. Un ssui-glac ntraîné par un motur élctriqu, prmt d maintnir la surfac d condnsation constammnt transparnt au rayonnmnt, t d assurr un drainag rapid ds gouttltts [1]. D un captur solair plan à circulation d liquid caloportur (au), constitué d un absorbur avc un tub n cuivr n form d srpntin, d un couvrtur transparnt n vrr trmpé, t d un coffr isolé par d la lain d vrr. L distillatur st raccordé par ds tubs au captur, t l systèm fonctionn n thrmosiphon. 3. ETUDE NUMERIQUE Ls équations régissant l bilan thrmiqu au nivau d chaqu parti du distillatur, s écrivnt comm suit: - Bilan thrmiqu d la vitr Coté intériur λ v qri + qci + q = ( Tvi Tv ) Av (1) v * _ _ 179

2 180 Z. Haddad t al. Coté xtériur λv qra + qca = ( Tvi Tv ) Av (2) q ra t q ca l miliu ambiant. v, étant ls flux d chalur échangés par rayonnmnt t par convction ntr la vitr t A v, la surfac d la vitr, v T vi t T v, rspctivmnt ls tmpératurs intériur t xtériur d la vitr., son épaissur t λ v, sa conductivité thrmiqu. Fig. 1: Systèm distillatur captur - Bilan thrmiqu d la mass d au q q q q m.c. T T q = q (3) cap ri ci d ( a ) b au q ri, q ci, q sont rspctivmnt ls flux d chalur échangés par rayonnmnt, par convction t par évaporation à l'intériur du distillatur. q cap t q b sont rspctivmnt ls flux d chalur apportés par l captur, t par conduction à travrs l bac..c.( T T ) chalur prdu par l apport d au d appoint. m st l flux d - Bilan thrmiqu d l absorbur q + q = τ. A. G (4) b bis τ, Cofficint d transmission global d l au t d la vitr; q b t q bis, rspctivmnt ls flux d chalur cédés à la mass d au t à l isolant. - Bilan thrmiqu d l isolant Pour réduir ls prts d chalur à travrs la bas, un isolant, qui du coté intériur rçoit d l absorbur t du coté xtériur cèd par rayonnmnt t par convction rspctivmnt ls flux d chalur q ris t q cis st utilisé, d où ls équations: λis qbis = ( Tisi Tis ) (5) q ris is t λ is is λis + qcis = ( Tisi Tis ) (6) is : épaissur d l isolant t sa conductivité thrmiqu. T isi t T is tmpératurs intériur t xtériur d l isolant. 4. RESOLUTION NUMERIQUE d a q bis : rspctivmnt ls Ls équations régissant l bilan thrmiqu du systèm couplé sont résolus par un approch numériqu basé sur la méthod d Gauss-Sidl d itérations [2]. Pour cla, nous rmplaçons ls

3 Etud du couplag d un distillatur solair avc un captur plan 181 différnts flux par lurs xprssions xplicits [3], puis nous écrivons ls équations ds bilans thrmiqus au nivau d chaqu parti composant l systèm, n fonction ds tmpératurs comm suit: - Au nivau d la vitr (côté xtériur) λv λ v hca h ra + +.Tva.Tvi v v = hca.ta + h ra.tc + αv.g (7) - Au nivau d la vitr (côté intériur) λv λ v hci h ri hv Tvi +.Tva ( hci + h ri + hv ). T v v = 0 (8) - Au nivau d la mass d au md.c mcir.c ( ) ( T ) f hci + h ri + hv.tvi + hci + h ri + hv + h b + +. T 2 2 h b.t b.r.r π π md.c mcir.c ( Tf ) = αr.g +.T 2 a +.T 2 f π.r π.r (9) - Au nivau d l absorbur λb λb h b.t + h b +.Tb.Tisi b b = τ.g. Av (10) - Au nivau d l isolant (côté intériur) λb λb λis λis.tb +.Tisi.Tis + b b bis is = 0 (11) - Au nivau d l isolant (côté xtériur) λis λ is h cis h ris + +.Tis.Tisi is is = h ris.tsol + hcis. T (12) 5. RESULTATS L choix d tout distillatur dépnd principalmnt d ss caractéristiqus d fonctionnmnt. L irradiation solair G, étant l paramètr l plus influant sur l fonctionnmnt du systèm, il srait intérssant d étudir son fft sur cs caractéristiqus. 5.1 Production L influnc d l irradiation solair sur la production a un vitss d vnt à pu près constant, st nttmnt mis n évidnc sur la figur 2, qui montr un croissanc linéair. En fait, la production md augmnt avc l irradiation global G, slon un fonction d typ b a G md = où a t b sont dux paramètrs qui dépndnt du distillatur avc b 1 (b st légèrmnt supériur à 1) [3, 4]. D plus t comm nous pouvons l obsrvr la production du systèm couplé st plus élvé qu cll du distillatur sul Production n fonction d la tmpératur du préchauffag Il apparaît dans un prmir tmps (Fig. 3), qu la production augmnt progrssivmnt avc la tmpératur du préchauffag, au-dlà d un valur approximativmnt égal à 85 C, la production chut. En fft ctt augmntation d la tmpératur du préchauffag provoqu l réchauffmnt d fac intériur (surfac d condnsation), c qui ntraîn un élévation d la tmpératur du ctt drnièr, t par conséqunt un diminution d la condnsation.

4 182 Z. Haddad t al. Fig. 2: Variation d la production n fonction d l irradiation pour l distillatur avc t sans préchauffag ( V v = 1 m /s ) Fig. 3: Variation d la production n fonction d la tmpératur d préchauffag Production n fonction d la tmpératur d l au Il st évidnt qu la tmpératur T croît avc l nsolillmnt. Il n résult t comm nous pouvons l obsrvr sur la figur 4, un augmntation linéair d la production. Fig. 4: Variation d la production n fonction d la tmpératur d l au

5 Etud du couplag d un distillatur solair avc un captur plan Production n fonction d la vitss du vnt L augmntation d la vitss du vnt ntraîn dans un prmir tmps l accroissmnt d la production du systèm distillatur captur, mais au-dlà d un valur d l ordr d 1,5 à 2 m/s, l fft invrs s produit (Fig. 5). En fft, quand la vitss du vnt augmnt légèrmnt, l procssus d évaporation st accéléré, c qui conduit à un augmntation d la production. D grands vitsss provoqunt l rfroidissmnt d la fac xtériur d la vitr, il n résult un diminution d la tmpératur d la saumur d un part t l accroissmnt ds prts par convction au nivau d la vitr (fac xtériur) lsqulls sont liés à la vitss du vnt par l cofficint d échang par convction ( h ca = 5, Vv ) conduisant ainsi à un chut d la production. Fig. 5: Variation d la production n fonction d la vitss du vnt Pour d faibls vitsss d vnt ( V v < approximativmnt égal à 12 %, [5]. 2 m / s Production n fonction d la tmpératur ambiant ), l augmntation d la production st Comm nous pouvons l rmarqur sur la figur 6, un élévation d la tmpératur ambiant T a, conduit à un accroissmnt d la production md. En outr il faut notr qu la production augmnt d façon très rapid pour l distillatur sans captur, alors qu ll st prsqu constant pour l systèm couplé. L écart ntr la production avc t sans préchauffag st important pour ls basss tmpératurs t plus faibl pour ls tmpératurs élvés. Fig. 6: Variation d la production du distillatur avc t sans préchauffag n fonction d la tmpératur ambiant

6 L fficacité intrn En fonction d l irradiation global Z. Haddad t al. La figur 7 montr qu l fficacité intrn augmnt avc l irradiation global. Cpndant pour d grands puissancs, l fft invrs s produit. En outr, ls courbs d ctt figur prmttnt d obsrvr qu l fficacité intrn du distillatur avc l captur qui augmnt avc l irradiation st nttmnt supériur à cll du distillatur sul. Fig. 7: Variation d l fficacité intrn n fonction d l irradiation global (avc t sans préchauffag) ( V v = 1 m / s, T a = 20 C ) 5.3 L fficacité global En fonction d l irradiation global L fficacité global st un fonction croissant d l irradiation, cpndant ctt croissanc s'atténu pour ds valurs élvés d ctt drnièr (Fig. 8). Comm pour l fficacité intrn, nous pouvons égalmnt obsrvr qu l'fficacité global du distillatur avc préchauffag st nttmnt supériur à cll du distillatur sans préchauffag. Fig. 8: Variation d l fficacité global n fonction d L irradiation global (avc t sans préchauffag) ( V v = 1 m / s, T a = 20 C ) 5.4 Comparaison ds résultats numériqus t xpérimntaux Pour validr ls résultats numériqus obtnus dans l cadr d c travail, nous avons ntrpris qulqus ssais. L xamn ds courbs ds figurs 9 t 10 illustrant rspctivmnt la variation d

7 Etud du couplag d un distillatur solair avc un captur plan 185 la production t d l fficacité intrn du systèm couplé avc l irradiation global montr un accord satisfaisant ntr ls résultats xpérimntaux t cux obtnus dans l étud numériqu ntrpris dans l cadr d c travail. 6. CONCLUSION Ls résultats obtnus ont prmis d mttr n évidnc l fft d nombrux paramètrs sur ls caractéristiqus d fonctionnmnt du systèm couplé. Il apparaît n particulir qu un augmntation d l irradiation global qui rst l paramètr l plus influant, conduit à un accroissmnt d cs caractéristiqus. Néanmoins un trop grand puissanc incidnt put produir l fft invrs. Fig. 9: Variation d la production (théoriqu t xpérimntal) n fonction d l irradiation global Fig. 10: Variation d l fficacité intrn (théoriqu t xpérimntal) n fonction d l irradiation global Concrnant la vitss du vnt, nous avons montré qu dans un prmir tmps, l fft du vnt favoris l échang. Il n résult un augmntation d la production t ds fficacités global t intrn. Cpndant, au-dlà d un valur approximativmnt égal à 2 m/s, l fft dvint défavorabl.

8 186 Z. Haddad t al. Par aillurs notr intérêt a porté particulièrmnt sur l préchauffag d l'au. On obsrv un augmntation approximativ d l ordr d 10 à 15 % ds caractéristiqus d fonctionnmnt du systèm couplé par rapport au distillatur fonctionnant sul. Il apparaît n outr qu il y a un tmpératur d préchauffag pour chaqu valur d l irradiation global qui donn la millur production. REFERENCES [1] A. Chakr, N. Blll t G. Mnguy, Prts Thrmiqus dans un Distillatur Sphériqu, Rvu Intrnational d Héliothrmi, N 28, pp 46-49, [2] A. Gaurdin t M. Boumahrat, Méthods Numériqus Appliqués_ avc d Nombrux Problèms Résolus n Fortran 77, Offic d Publications Univrsitairs, Algr, [3] A. Chakr t N. Boukrzaza, Caractéristiqus d Fonctionnmnt d un Distillatur Solair, 12 èms Journés Intrnationals d Thrmiqu, JITH, Tangr, Maroc, Tom 2, pp 53-56, [4] Offic of Salin Watr, Manual on Solar Distillation of Salin Watr, Rport N 546, April [5] M.A.S Malik, G. Tiwari, S. Kumar and M.S. Sodha, Solar Distillation, Oxford, Prgamon Prss, 1982.

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