Efficacité Interne d un Distillateur Solaire Sphérique

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1 Rv. nrg. Rn. : Journés d Thrmiu (001) fficaté Intrn d un Distillatur Solair Sphériu A. Chakr 1 t G. Mnguy 1 Départmnt d Physiu, Faculté ds Sncs, Univrsité ds Frèrs Mntouri, 5000 Constantin, Algéri Laboratoir d Automatiu t d Géni ds Procédés, Univrsité d Lyon 1, 696 llurbann, Franc Résumé - L augmntation d la population mondial assoé au dévloppmnt agricol t industril a ntraîné un accroissmnt d la dmand d au douc t l approvisionnmnt d l humanité n au potabl dvint un problèm d plus n plus aigu. Pour subvnir à ss bsoins n au douc, l homm a mis au point différnts méthods d rcyclag ou d séparation d l au d ss impurtés, parmi tous cs procédés mis n ouvr, l dssalmnt occup un plac d choix. La distillation solair st l un ds procédés d séparation ls plus simpls. Si ls bsoins n au douc sont faibls (ulus m 3 par jour), la distillation solair dirct apparaît comm un solution intérssant n particulir lorsu un main d ouvr local n st pas disponibl. D plus, ll s adapt à ds régions éloignés ou isolés. L choix d un distillatur solair dépndant ssntillmnt d ss caractéristius d fonctionnmnt, nous nous somms particulièrmnt attachés à l étud ds fficatés global t intrn d un distillatur solair sphériu. Ls résultats obtnus mttnt n évidnc l influnc ds paramètrs d fonctionnmnt xtrns, notammnt l éclairmnt énrgétiu t ls conditions météorologius ; ainsi u l fft ds paramètrs d fonctionnmnt intrns, n particulir la tmpératur d l au à distillr, sur cs grandurs. Par aillurs, nous proposons dans l cadr d c travail un nouvll xprssion d l fficaté intrn prmttant d mttr n évidnc l influnc d la tmpératur d l au à distillr t d la tmpératur xtériur, confirmant ainsi l xpérimntation. Dans la drnièr parti d c travail, un calcul approché ds différnts prts thrmius ui s produisnt pndant l procssus d distillation t ui puvnt affctr ls caractéristius d fonctionnmnt du distillatur sra présnté. Mots clés: Distillation solair - Distillatur sphériu - fficaté global - fficaté intrn. 1. INTRODUCTION L approvisionnmnt d l humanité n au douc st un problèm ui rvêt un importanc d plus n plus accru. La distillation solair st applé à jour un rôl important dans tout stratégi d gstion d l au ds zons arids ou isolés notammnt au sud algérin. L choix d un distillatur dépndant ssntillmnt d ss caractéristius d fonctionnmnt, l objctif prinpal d c travail sra l étud ds fficatés global t intrn d un distillatur solair sphériu. L influnc d nombrux paramètrs, notammnt l irradiation global, la tmpératur ambiant, la vitss du vnt, t la tmpératur d l au sra présé. Par aillurs un nouvll xprssion d l fficaté intrn n fonction d l écart ntr la tmpératur d l au t la tmpératur xtériur sra proposé, confirmant ainsi l xpérimntation. Dans la drnièr parti d c travail, un stimation approximativ ds différnts prts thrmius ui s produisnt pndant l procssus d distillation, t ui puvnt affctr ls caractéristius d fonctionnmnt du distillatur sra présnté.. DSCRIPTION T PRINCIP D FONCTIONNMNT C st un distillatur n plxiglas transparnt, à bac horizontal, t à surfac d condnsation dmi - sphériu (Fig. 1). L rayonnmnt indnt transmis par la dmi - sphèr supériur pénètr dans l bac t srt, à chauffr la mass d au contnu dans clui-. Un parti d l au s évapor, t la vapur dégagé vint s condnsr sur la fac intériur d la vitr. L distillat pass dans la dmi - sphèr infériur à travrs l spac annulair ntr l bac t la sphèr. L balayag d la surfac d condnsation st réalisé au moyn d un ssui - glac ntraîné par un motur. L avantag d c systèm d balayag st d maintnir la surfac d condnsation, constammnt transparnt au rayonnmnt, t d assurr un drainag rapid ds gouttltts. 53

2 54 A. Chakr t al. Fig. 1: Distillatur solair sphériu 3. BILAN THRMIQU Comm tous ls apparils d distillation, à fft d srr, l distillatur sphériu st un systèm ui échang d la chalur avc l miliu ambiant. - L transfrt d chalur ntr l distillatur t l xtériur s fait au nivau d la vitr par rayonnmnt t par convction. - Au nivau du plan d au, l rayonnmnt indnt transmis srt à chauffr l au. Cll- s évapor t échang d la chalur avc l plan d au par convction, rayonnmnt t évaporation. - L échang intériur- xtériur s fait par conduction à travrs la vitr. Si, dans un prmièr approximation on néglig ls prts à travrs ls parois opaus t ls prts par xtraction d distillat, t si on s plac n régim prmannt, on put alors écrir succssivmnt : Bilan thrmiu d la mass d au m C (T T ) = α G A (1) ri b d a, ri t sont rspctivmnt ls flux d chalur échangés par convction, par rayonnmnt t par évaporation à l intériur du distillatur. b : flux d conduction à travrs l bac. m d C (T - Ta) : flux d chalur prdu par l apport d au d appoint. α t G.A : flux d chalur ffctivmnt absorbé par la mass d au. Bilan thrmiu d la vitr λ V ri = ca ra = ( T TV ) A V () ca t ra étant ls flux d chalur échangés par convction t par rayonnmnt ntr la vitr t l miliu ambiant. : épaissur d la vitr, λ V sa conductivité thrmiu. T t T V sont rspctivmnt ls tmpératurs intériur t xtériur d la vitr. Rlation ntr la convction t l évaporation L P P = K.. (3) T T P t P sont rspctivmnt ls prssions partills d la vapur d au aux tmpératurs T t T. K st l coffint d proportionnalité dépndant du systèm d unité choisi. 4. CARACTRISTIQUS D FONCTIONNMNT L choix d un distillatur solair parmi différnts typs d distillaturs dépnd d grandurs applés caractéristius d fonctionnmnt. On distingu prinpalmnt : - l débit d distillat ou production du distillatur m d. C st un débit - mass journalir ou instantané rapporté généralmnt à l unité d surfac.

3 J. I. TH. 001 : fficaté Intrn d'un Distillatur Solair Sphériu 55 - l fficaté global η g (%) donné par la rlation : η g = (4) A.G - l fficaté intrn η i (%) défini par l xprssion : η i = (5) au st l flux d chalur utilisé pour l évaporation d l au, il st donné par l xprssion : = md L (T ) (6) L(T ) étant la chalur latnt d vaporisation d l au à la tmpératur T. au st la uantité d chalur ffctivmnt rçu par la mass d au par unité d tmps. au = α A.G (7) t α t étant l coffint d absorption fictif d la mass d au. (α t = 0,85). L coffint α t st obtnu n utilisant ls caractéristius optius t thrmius du distillatur par la rlation : avc : α, α f τ, τ V α. τ τ (8) t = α τv αf. V sont rspctivmnt l factur total d absorption d l au t du fond du distillatur sont rspctivmnt l factur d transmission d l au t d la vitr. Cs caractéristius d fonctionnmnt, sont généralmnt influncés par différnts paramètrs ui puvnt êtr classés n dux catégoris, nous n trons ls plus importants : Paramètrs xtrns (éclairmnt énrgétiu, conditions météorologius); Paramètrs intrns (tmpératur d l au à distillr, isolation thrmiu, hautur du nivau d au dans la cuv). Avant d présntr nos résultats xpérimntaux, nous proposons un nouvll xprssion d l fficaté intrn d un distillatur solair, ui montr l fft d la tmpératur d l au à distillr sur ctt drnièr. L fficaté intrn d un distillatur st usullmnt donné par la rlation : η i = = (9) α A.G au t n rmplaçant dans l éuation, ls différnts flux par lurs xprssions xplits rspctivs (1) t (), nous obtnons : h h ri = K. L. h P T P T ( T T ) V ( h h )( T T ) S. A = ( T T ) S. A ca ra V a S étant l rapport ntr ls surfacs d la vitr t du bac. L éuation 10, put égalmnt s écrir sous la form : h h ri 1 K. L. h. ( T T ) ( P P ) ( T T ) a A S λ 1 A V ( h ca h ra ) S. λ V Sachant u l flux d chalur échangé par évaporation, put égalmnt êtr xprimé par la rlation : ( T T ) A = h (1) (10) (11)

4 56 A. Chakr t al. L éuation 3 prmt d déduir u l coffint d échang par évaporation à l intériur du distillatur a pour xprssion : P P h = K L h (13) T T Il s n suit u la somm ds flux échangés par convction, par rayonnmnt t par évaporation put s mttr sous la form suivant : avc : 1 h ri = h ( T Ta )A (14) = 1 1 h h ri h S ( h ca h ra ) Sλ (15) V h étant l coffint d échang global ntr l plan d au t l miliu xtériur par convction, rayonnmnt t évaporation à l intériur, t par convction, rayonnmnt t conduction à l xtériur. n posant ( R ( )) = ri, n négligant ls prts par l apport d l au d appoint, t n rmplaçant ls différnts flux d chalur dans l éuation (1) par lurs xprssions xplits, nous pouvons écrir : ' h = α t A. G h ( T Ta )A 1 R (16) L xprssion final d l fficaté intrn d un distillatur solair prnd la form : ( ) ' h η 1 h T Ta i = = A. G 1 R (17) α αt G h étant l coffint d échang par conduction à travrs l bac, l isolant, la couch d air t la vitr t par convction ntr ctt drnièr t l xtériur. 5. RSULTATS XPRIMNTAUX T INTRPRTATION Ds ssais dans l but d mttr n évidnc, d un part l influnc ds conditions xtériurs, notammnt l irradiation global, la tmpératur ambiant, la vitss du vnt t d autr part ls conditions intériurs prinpalmnt la tmpératur d l au à distillr, sur ls caractéristius d fonctionnmnt du distillatur, ont été ntrpris. Ls conditions d xpérimntation du distillatur différnt slon l paramètr u l on désir mttr n évidnc. Cs ssais ont prmis d dégagr ls résultats suivants : 5.1 Variation d l fficaté global n fonction d l irradiation global Ls figurs t 3 montrnt u l fficaté global η g t la production m d du distillatur solair sphériu augmntnt linéairmnt avc l irradiation global G. Ct accroissmnt st néanmoins plus atténué dans l cas d η g. n fft, l fficaté global (( m d G) ( L A) ) st l produit d dux trms, l prmir, ( m d G) légèrmnt croissant t l scond ( L A) décroissant car la chalur latnt L décroît uand la tmpératur d l au croît, ctt drnièr augmnt généralmnt avc l irradiation n fonction d la différnc d tmpératur ( T ) Ta La courb 4 vérifi un résultat déjà connu [3] d après lul l irradiation global ηg vari n sns invrs d T, c ui s traduit par l fait u un distillatur solair st d autant plus fficac l écart d tmpératur ( ) T a u la tmpératur d l au T st plus bass (à condition u l régim d fonctionnmnt prmannt soit attint; T 40 C). Il faut bin présr u c résultat n signifi pas un diminution d la production du distillatur solair avc T, n fft ctt drnièr augmnt avc T (Fig. 5) mais n mêm tmps son fficaté diminu.

5 J. I. TH. 001 : fficaté Intrn d'un Distillatur Solair Sphériu 57 Fig. : Variation d l'fficaté global n fonction l'irradiation (V V = ct) Fig. 3: Variation d la production n fonction d l'irradiation global (V V = ct) Fig. 4: Variation d l'fficaté global n fonction d l'écart (T - T a ) à V V = ct Fig. 5: Variation d la production n fonction d d la tmpératur d l'au (V V = ct) 5. fficaté intrn Ls ffts d la tmpératur d l au à distillr T t du vnt sur l fficaté intrn du distillatur η i ont été égalmnt étudiés. La figur 6 présnt l allur ds courbs d variation d η i n fonction d T à différnts vitsss d vnt. L analys d cs courbs prmt d dégagr ls rmarus suivants : - l fficaté intrn du distillatur η i croît avc l augmntation d la tmpératur d l au T. - L augmntation d la vitss du vnt ntraîn dans un prmir tmps l accroissmnt d l fficaté intrn du distillatur η i. Au-dlà d un valur, approximativmnt égal à m/s, l fft du vnt st nttmnt défavorabl; c ui put êtr xpliué comm suit : L échang d chalur par convction ntr l distillatur t l xtériur st favorisé par un augmntation d la vitss du vnt (h c = 5,7 3,8 V) [4]; jusu à un crtain vitss (V V = m/s), l vnt accélèr l procssus d évaporation t conduit à un augmntation d l fficaté intrn η i ; un autr accroissmnt d ctt vitss ntraîn un chut du mélang air - vapur à l intériur du distillatur t donc, à un augmntation d la proportion d air s opposant au passag d la vapur du plan d au vrs la surfac d condnsation d où un diminution du taux d évaporation t par conséunt un abaissmnt d η i. 5.3 stimation ds différnts prts dans un distillatur solair sphériu Pour évalur ls différnts prts thrmius ui s produisnt pndant l procssus d distillation, nous supposrons un régim d fonctionnmnt optimum (régim corrspondant à un journé suffisammnt nsolillé t autour d midi T.S.V.). Pour un irradiation global, G d 750 W/m nous avançons l calcul approché suivant :

6 58 A. Chakr t al. Fig. 6: Variation d l'fficaté intrn n fonction d la tmpératur d l'au à différnts vitsss d vnt - Ls prts par réflxion dans ls différnts partis du distillatur (vitr, plan d au, fond du bac) t par absorption dans la vitr sont évalués approximativmnt à 15 % d G. - Prts par l apport d au d appoint ap = md C a = - Prts par xtraction du distillat ( T T ) 16 W / m soit % d G ( T T ) 11,5 W / m soit 1,5% d G d = md C V a = Nous rmaruons u ls prts par l apport d au d appoint t par xtraction du distillat sont très faibls, c ui nous a prmis d ls négligr dans ls calculs précédnts. - Prts à travrs l fond du bac. ' ' ( T T ) 45 W / m soit 6 % d G (h 1,6 W / m K) b = h A a = [4] n tnant compt ds prts thrmius, on put déduir u la somm ds flux d chalur échangés à l intériur du distillatur ( ri ) st d l ordr d 75,5 % d G. 6. CONCLUSION Dans l cadr d c travail, nous nous somms particulièrmnt attachés à l étud ds fficatés global t intrn d un distillatur solair sphériu. L nsmbl ds résultats obtnus a prmis d présr l influnc d nombrux paramètrs sur cs grandurs. Il apparaît n particulir u un distillatur st d autant plus fficac u la tmpératur d l au st plus bass à condition u l régim d fonctionnmnt prmannt soit attint. Par aillurs, si dans un prmir tmps l vnt conduit à un augmntation d l fficaté intrn du distillatur, audlà d un vitss évalué approximativmnt à m/s son fft st nttmnt défavorabl. n outr, nous avons établi un nouvll xprssion d l fficaté intrn n fonction d la tmpératur d l au t d la tmpératur xtériur confirmant ainsi l xpérimntation. RFRNCS [1] W.H. Mc Adams, 'Hat Transmission', Mc Graw-Hill Book Company Inc, 53 p.,1993. [] S. Kumar and G. Tiwari, 'stimation of Convctiv Mass Transfr in Solar Distillation Systms', Solar nrgy, Vol. 57, N 6, pp , [3] J. Aguilar, J.M. Aguilar and G. Mngy, 'Transport d Masa y nrgia n un Distilador Solar sfirico', Annals d Physiu, Séri B, Vol. 80, [4] M.A.S. Malik, G. Tiwari, S. Kumar and M.S. Sodha, 'Solar Distillation', Oxford, Prgamon Prss, pp , 198.