THÈSE DE DOCTORAT Khadija KABIDI Expérimentation et modélisation du comportement énergétique et thermique d'un séchoir solaire sous le climat de la région de Rabat

THÈSE DE DOCTORAT

Présentée par

Khadija KABIDI

Discipline : Physique

Spécialité : Energie et Environnement

Titre :

Expérimentation et modélisation du

comportement énergétique et thermique

d’un séchoir solaire sous le climat de la

région de Rabat Soutenue le 10 Juillet 2014

Devant le jury :

Président : Ahmed MZERD : Professeur à la Faculté des Sciences de Rabat.

Directeur de thèse : Mohammed Najib BARGACH : Professeur à la Faculté des Sciences de Rabat.

Examinateurs : Abdellah MECHAQRANE : Professeur à la Faculté des Sciences et Techniques

de Fès-Saïs.

Najem HASSANAIN : Professeur à la Faculté des Sciences de Rabat.

Rachid TADILI : Professeur à la Faculté des Sciences de Rabat.

Invité : Abdellah MOKSSIT : Directeur de la Météorologie Nationale.

UNIVERSITÉ MOHAMMED V – AGDAL FACULTÉ DES SCIENCES

Rabat

Faculté des Sciences, 4 Avenue Ibn Batouta B.P. 1014 RP, Rabat – Maroc, Tél. +212 (0) 5 37 77 18 34/35/38, Fax: +212 (0) 5 37 77 42 61, http://www.fsr.ac.ma

N° d’ordre : 2720

ii

REMERCIEMENTS

Ce travail de thèse a été réalisé au Laboratoire d’Energie Solaire et

d’Environnement au département de physique à la Faculté des Sciences

Université Mohammed V – Agdal Rabat.

Je tiens tout d’abord à remercier ALLAH le tout puissant, qui m’a donné la force et la

patience d’accomplir ce travail durant toutes ces années.

Je remercie vivement mon directeur de thèse le professeur Mohammed Najib

BARGACH, pour la confiance, l’orientation, la patience qui ont constitué un apport

considérable sans lequel cette thèse n’aurait pas pu être menée. Qu’il trouve dans ce

travail un hommage vivant à sa haute personnalité.

Une pensée particulière au professeur Ahmed MZRED qui m’a fait l’honneur de

présider le jury de cette thèse et de contribuer par ses remarques et suggestions à

améliorer la qualité de ce mémoire.

Je tiens à exprimer mes sincères remerciements au professeur Rachid TADILI, pour

ses explications, sa collaboration dans l’accomplissement de ce travail et d’avoir

accepté d’être rapporteur de cette thèse.

J’adresse ma profonde reconnaissance au professeur Najem HASSANAIN en acceptant

d’examiner ce travail, de contribuer par ses précieux conseils et de siéger parmi les

membres de jury de thèse.

Je suis très honorée à remercier le professeur Abdellah MECHAQRANE pour sa

participation à mon jury de thèse en qualité de rapporteur de mon travail et pour

toutes ses remarques intéressantes qu’il m’a faites.

Je tiens aussi à témoigner ma gratitude à la Direction de la Météorologie Nationale, au

nom de son Directeur Mr Abdellah MOKSSIT, qui m’a permis d’entreprendre ce travail

des les meilleurs conditions qui soient et d’avoir accepté de faire parti du jury de cette

thèse.

Mes vifs remerciements vont également à Mr Hamid SAMRANI pour sa contribution

efficace, son aide et son temps qu’il a bien voulu me consacrer pour surpasser les

difficultés rencontrées tout au long de cette thèse.

Merci à toute l’équipe du laboratoire pour son soutien et pour les années de

coopération passées ensemble.

Je souhaite adresser mes remerciements les plus sincères à mes collègues de la

Direction Régionale de la Météorologie du Nord, dont particulièrement Mr Mohamed

ELKHARRIM et Mme Amal SAYOURI qui n’ont cessé de contribuer à ce travail.

Et bien sûr, atteindre ces objectifs n’aurait pas été possible sans le soutien et la

patience des membres de ma famille : ma mère, mon époux Abderrahaman CHAROUIF

ainsi que mes enfants Yassine, Imane, Aya et Asmae et sans lesquels ce travail ne

sera pas mené à terme.

Merci à tous et à toutes.

iii

NOMENCLATURE

Variable Désignation Unité

Clat Chaleur massique de vaporisation J.kg-1

Clati Chaleur latente de vaporisation d’eau à la température de l’air

intérieur

J.Kg-1

Clate Chaleur massique de vaporisation d’eau à la température de l’air

extérieur

J.Kg-1

Cva Chaleur massique de l’air humide J.kg-1.K-1

Cpa Chaleur massique de l’air sec J. kg-1.K-1

Cvai Chaleur massique d’air humide à l’intérieur du séchoir J.kg-1.K-1

Cvae Chaleur massique d’air humide à l’extérieur du séchoir J.kg-1.K-1

D Débit horaire d’évacuation d’air Volume/Heure

E Epaisseur de la couche m

Fi-j Facteur de forme entre l’élément i et l’élément j adimensionnel

Fcn Facteur de couverture nuageuse adimensionnel

Gr Nombre de Grashof adimensionnel

hcve Coefficient d’échange convectif entre les vitres et l’air extérieur W.m-2.K-1

hcsi Coefficient d’échange convectif entre le sol et l’air intérieur W.m-2.K-1

hcti Coefficient d’échange convectif entre la tôle et l’air intérieur W.m-2.K-1

hcit Coefficient d’échange convectif entre l’air intérieur et la tôle W.m-2.K-1

hcis Coefficient d’échange convectif entre l’air intérieur et le sol W.m-2.K-1

hcvai Coefficient d’échange convectif W.m-2.K-1

Hm Coefficient de transfert massique entre les vitres et l’air J.kg. m-2.K-1

Le

Nombre de Lewis adimensionnel

Lv Longueur caractéristique des vitres m

Nu Nombre de Nusselt adimensionnel

Pr Nombre de Prandtl adimensionnel

QCvai Densité de flux convectif sensible entre les vitres et l’air intérieur W.m-2

QCve Densité de flux convectif sensible entre le vitrage et l’air extérieur W.m-2

QCsi Densité de flux convectif sensible entre le sol et l’air intérieur W.m-2

QCsti Densité de flux convectif sensible entre la tôle et l’air intérieur W.m-2

QCit Densité de flux convectif sensible entre l’air intérieur et la tôle W.m-2

QCis Densité de flux convectif sensible entre l’air intérieur et le sol W.m-2

QCie Densité de flux convectif latent entre l’air à l’intérieur et à

l’extérieur de séchoir

W.m-2

QLvi Densité de flux convectif latent entre le vitrage et l’air intérieur W.m-2

QLve

Densité de flux convectif latent entre le vitrage et l’air extérieur W.m-2

QLsi

Densité de flux convectif latent entre le sol et l’air intérieur W.m-2

QLis

Densité de flux convectif latent entre l’air intérieur et le sol W.m-2

QLiv

Densité de flux convectif latent entre l’air intérieur et le vitrage W.m-2

QLit

Densité de flux convectif latent entre l’air intérieur et la tôle W.m-2

QLie

Densité de flux convectif latent entre l’air intérieur et l’air W.m-2

iv

extérieur

QRse Densité de flux radiatif entre le sol et la voûte céleste W.m-2

QRtv Densité de flux radiatif entre la tôle et le vitrage W.m-2

QRtc Densité de flux radiatif entre la tôle et le ciel W.m-2

QRve Densité de flux radiatif entre le vitrage et l’air extérieur W.m-2

QRvse Densité de flux radiatif entre le vitrage et le sol environnant W.m-2

QRvc Densité de flux radiatif entre le vitrage et la voute céleste W.m-2

RvsQ Densité de flux radiatif échangé entre le vitrage et le sol apparent W.m-2

RvtQ Densité de flux radiatif entre le vitrage et la tôle W.m-2

QRsav Densité de flux radiatif entre le sol apparent et le vitrage W.m-2

savQ Densité de flux absorbé par les vitres du séchoir W.m-2

sasQ Densité de flux solaire absorbée par le sol W.m-2

satQ Densité de flux solaire absorbée par la tôle W.m-2

Re Nombre de Reynolds Adimensionnel

Ro Masse volumique de l’air kg.m-3

Roi Masse volumique d’air intérieur Kg.m-3

Roe Masse volumique d’air extérieur Kg.m-3

S

Surface d’échange entre le solide et l’ai intérieur m2

Ta Température ambiante K

Température apparente de la voute céleste K

Tsc Température d’un ciel clair K

Tsd Température d’un ciel couvert K

V Volume d’air à l’intérieur du séchoir m3

Wi Humidité absolue de l’air kg/ kg d’air sec

Wv Humidité saturante à la température du vitrage kg/kg

Conductivité thermique de l’air W.m-1.K-1

Constante de Stefan Boltzman W.m-2.K-4

i Emissivités du corps i adimensionnel

v

Résumé

Ce présent travail se propose de fournir une meilleure compréhension du

comportement énergétique et thermique d’un séchoir solaire conçu et

installé au Laboratoire d’Energie Solaire et d’Environnement (LESE).

L’approche suivie est composée de trois principales étapes : théorique,

numérique et expérimentale. Dans la partie théorique on s’est intéressé à

développer deux modèles mathématiques permettant de décrire les

différentes interactions et échanges énergétiques et thermiques entre les

différents éléments du séchoir et le milieu extérieur, sous les

caractéristiques climatiques de la région de Rabat. Ce qui nous a permis de

réaliser des simulations décrivant le comportement énergétique et

thermique du séchoir. La partie expérimentale a été consacrée à la mise en

place, au laboratoire, d’un séchoir solaire direct et d’un séchoir témoin

répondant mieux aux hypothèses de séchage. Ceci nous permis de mener

des compagnes de mesures pour d’abord évaluer la conduite du séchoir et

ensuite valider les modèles développés. Une bonne partie de ce travail a été

consacrée à l’étude de l’impact des facteurs géométriques et des

caractéristiques climatiques sur les performances du séchoir. Cette étude a

révélé que les dimensions du séchoir, son inclinaison, les facteurs de forme,

l’épaisseur de la plaque absorbante, la ventilation et la nébulosité ont une

influence considérable sur le comportement thermique et énergétique du

séchoir. Afin de faciliter la procédure de simulation et d’analyse, le

développement de deux applications informatiques intégrant un ensemble

de fonctionnalités numériques, des interfaces interactives et graphiques

permettant aux utilisateurs la possibilité de manipuler et d’effectuer

plusieurs simulations d’une manière rapide et efficace.

Mots-clefs: Séchoir solaire, Rayonnement global sur plan incliné, Rayonnement global

transmis et absorbé, Transferts de chaleur, Température, Humidité.

vi

Abstract

The present work is a contribution to a better understanding of the energetic

and thermal behavior of a solar dryer, designed and installed on the terrace of

the Laboratory for Solar Energy and Environment (LESE) for optimization of the

drying process. The approach used is composed of three main steps:

theoretical, numerical and experimental. In the theoretical part we are

interested in developing mathematical models to describe the various

interactions and thermal and energetic exchanges between the different

elements of the dryer and the outside environment, which allowed us to

perform theoretical simulations describing the energetic and thermal behavior

of the dryer. The experimental part was dedicated to the setting up of a direct

solar dryer and a second prototype dryer which better meet the assumptions of

drying; this allowed us to make several measurements to assess the behavior of

the dryer and then validate the developed numerical models. Much of this work

has been dedicated to the geometric parameterization and climatic factors

affecting the performance of the dryer, which reveal that the dimensions of the

dryer, the inclination, the form factors, thickness of the absorber sheet, the

ventilation and the cloud cover have a considerable influence on the thermal

and energetic behavior of the solar dryer. Finally, to facilitate the process of

simulation and analysis, we have developed two computer applications that

incorporate a set of numerical and graphical capabilities allowing users to

better use and perform multiple simulations quickly and efficiently.

Keys-words: Solar Dryer, Global Irradiation on titled surface, Global transmitted irradiation,

Global absorbed irradiation, Heat Transfert, Temperature, Humidity.

1

Table des matières

Remerciements .................................................................................................................. ii Nomenclature ................................................................................................................... iii Résumé général ................................................................................................................... v Abstract ............................................................................................................................. vi Liste des tableaux .............................................................................................................. 3 Liste des figures ................................................................................................................. 4 Introduction générale ......................................................................................................... 8

Chapitre 1 : Le Séchage Solaire ............................................................................................ 10 I. Introduction ................................................................................................................ 10 II. Procédés de séchage .................................................................................................... 11 III. Modes de séchage ....................................................................................................... 12 IV. Variables d’état pertinents influant le séchage solaire .................................................. 24 V. Exemples des caractéristiques thermiques des séchoirs solaires ................................... 26

Chapitre 2 : Caractéristiques Climatiques de la Région de Rabat ........................................... 29 I. Introduction ................................................................................................................ 29 II. Caractere général du climat ......................................................................................... 29 III. Données de l’étude ...................................................................................................... 30 IV. Classification du climat à la région de Rabat par l’indice de koppen ............................. 31 V. Caractérisation du climat de la région nord ouest du Maroc par des indices bioclimatique ........................................................................................................................................ 35 VI. Analyse des paramétres météorologiques de Rabat ....................................................... 39 VII.conclusion .................................................................................................................. 50

Chapitre 3 : Etude du bilan énergétique du séchoir solaire ................................................... 51 Partie A : Modélisation numérique du bilan énergétique du séchoir ....................................... 51

I. Introduction ................................................................................................................ 51 II. Principe de fonctionnement du modèle « CESS v1.0» ..................................................... 52 III. Approximations et hypothèses adoptées pour la modélisation ....................................... 52 IV. Modelisation des différentes composantes des densités des flux radiatifs solaires au

niveau du séchoir ............................................................................................................. 54 Partie B : Résultats numériques, expérimentaux et validation du modèle mathématique CESS

........................................................................................................................................... 65 I. Introduction ................................................................................................................ 65 II. Approche géometrique ................................................................................................. 66 III. Approche comparative ................................................................................................. 73 IV. Approche énérgetique .................................................................................................. 78 V. Interface numérique et graphique du logiciel développé ................................................ 90 VI. Conclusion ................................................................................................................. 93

Chapitre 4 : Description du séchoir solaire et de ses paramètres mesurées ............................ 94 I. Introduction ................................................................................................................ 94 II. Le site de l’installation ................................................................................................. 95 III. Instruments et paramétres mesurés ............................................................................ 98

Chapitre 5 : Résultats expérimentaux du séchoir ................................................................ 112 I. Introduction .............................................................................................................. 112 Partie A : Température et Humidité ................................................................................. 113 II. Températures des differents éléments du séchoir ....................................................... 113 III. Humidité a l’intérieur du séchoir solaire .................................................................... 119 IV. Parametres humidité et temperature a l’intérieur du séchoir ...................................... 121 V. Performances du séchoir solaire ................................................................................ 123 VI. Conclusion ............................................................................................................... 123 Partie B : Ventilation ...................................................................................................... 124 I. Introduction .............................................................................................................. 124

2

II. Effet de la ventilation ............................................................................................... 124 III. Caractéristique du ventilateur utilisé ........................................................................ 126 IV. Expérimentation ...................................................................................................... 126 V. Conclusion............................................................................................................... 133

Chapitre 6 : Bilan thermique du séchoir solaire .................................................................. 135 I. Introduction ............................................................................................................. 135 II. Bilan thermique ....................................................................................................... 135 III. Transferts de chaleur par convection ........................................................................ 137 IV. Transferts de chaleur par rayonnement .................................................................... 143 V. Transferts de chaleur par conduction ....................................................................... 148 VI. Description du système physique ............................................................................. 149 VII. Les densites de flux échanges entre les elements du sechoir solaire ........................... 150 VIII.bilan thermique du sechoir ...................................................................................... 166

Chapitre 7 : Modélisation numérique du comportement thermique du séchoir solaire .......... 169 I. Introduction .............................................................................................................. 169 II. Concepts de base du modele numerique solar dryer ................................................... 169 III. Organigramme du programme numerique ................................................................. 170 IV. La résolution numerique du sytème d’equations avec la methode runge kutta d’ordre 4

...................................................................................................................................... 173 V. L’application « SOLAR DRYER » ................................................................................. 175

Chapitre 8 : Validation du modèle numérique et son confrontation aux mesures expérimentales

......................................................................................................................................... 185 I. Introduction .............................................................................................................. 185 II. Les mesures .............................................................................................................. 185 III. Influence des facteurs de forme ................................................................................. 186 IV. Influence de l’epaisseur de la tôle ............................................................................. 189 V. Influence de la ventilation ......................................................................................... 192 VI. Influence de l’apport de chaleur ................................................................................. 195 VII.Influence de la nebulosite .......................................................................................... 198 VIII.conclusion ............................................................................................................... 202

Conclusions et Perspectives ............................................................................................... 204 I. Conclusion ................................................................................................................ 204 II. Perspectives de developpement .................................................................................. 207

Références bibliographiques ............................................................................................... 208 Publications et communications dans le cadre de la thèse .................................................. 213 Annexe n°1 ........................................................................................................................ 214 Annexe n°2 ........................................................................................................................ 219 Annexe n°3 ........................................................................................................................ 220

3

Liste des tableaux

Tableau I.1 : Avantages et inconvénients du séchage solaire et du séchage à l’air libre (Séchage

Solaire - Séchage à l’air libre). ....................................................................................... 13

Tableau I.2 : Comparaison entre les deux modes de séchage. ................................................ 14

Tableau I.3 : Caractéristiques techniques du séchoir Tunnel INNOTECH Ingenieurs gesellschaft

.................................................................................................................................... 20

Tableau I.4 Performance du séchoir solaire de Lumley et Choong ......................................... 22

Tableau I.5 : Humidité absolue en fonction de la température et de l’humidité relative (séchage

solaire, pratical action). ................................................................................................ 27

Tableau I.6 : Temps de séchage dans les séchoirs et à l’air libre en fonction des essences. ..... 28

Tableau II.1 : Classification selon le type du climat ............................................................... 32

Tableau II.2 : Classification selon le régime pluviométrique ................................................... 33

Tableau II.3 : Classification selon la variation de la température ........................................... 33

Tableau II.4 : Classes climatiques selon l’indice de De Martonne. .......................................... 35

Tableau II.5 : Evolution de l’Indice de De Martonne selon trois périodes. ............................... 36

Tableau II.6 : Classification selon l’indice de d’Emberger. ...................................................... 37

Table III.1: Valeurs retenues des coefficients de réflexion )(b , de transmission )(b et

d’absorption )(b . .................................................................................................... 61

Tableau III.2 : Surfaces de la couverture du séchoir solaire ................................................... 64

Table III.3 : Energie quotidienne en fonction aux valeurs optimums de la largeur et de la

hauteur du séchoir. ...................................................................................................... 71

Tableau III.4 : Rayonnement transmis par la face sud inclinée du séchoir en fonction de

l’orientation déduit pour la journée du 27 juillet 2013. ............................................. 74

Tableau III.5 : Energie quotidienne en fonction de l’orientation ........................................... 75

Tableau III.6 : énergie quotidienne transmis à l’intérieur du séchoir en fonction de l’inclinaison

. ................................................................................................................................. 76

Tableau III.7 : Variation de l’énergie quotidienne transmise par la surface S1 (en Wh/m2) en

fonction de l’inclinaison ................................................................................................ 77

Tableau III.8 : Proportion du rayonnement global transmis par les différentes façades du

séchoir. ........................................................................................................................ 88

Tableau VI.1: Eléments du séchoir solaire .......................................................................... 150

Tableau VI.2 : Dimensions du séchoir considérées pour le calcul des facteurs de forme ....... 153

Tableau VI.3 : Facteurs de forme calculés relatifs à la surface sud inclinée v1. .................... 153

Tableau VI.4 : Facteurs de forme calculés relatifs à la surface sud verticale v2. ................... 154

Tableau VI.5 : Facteurs de forme calculés relatifs à la surface sud verticale v5. ................... 154

Tableau VI.6 : Facteurs de forme servant pour le calcul des densités de flux radiatifs. ......... 154

4

Liste des figures

Figure I.1 : Les trois différents premiers modes des séchoirs solaires ..................................... 16

Figure I.2 : Séchoir de Sharma avec mode ouvert (B) et fermé (A) ........................................ 18

Figure I.3 Séchoir solaire de Prestemon ................................................................................ 19

Figure I.4: Plan d’un séchoir solaire en tunnel. ..................................................................... 20

Figure I.5 : Twaalf Ambachten séchoir .................................................................................. 21

Figure I.6 : Modèle de séchoir Simpson et al. ........................................................................ 22

Figure I.7 Séchoir solaire de Lumley et Choong ..................................................................... 23

Figure I.8 : Modèle ICARO I.5, juillet 2012 ............................................................................ 23

Figure II.1 : Normale annuelle pour la période 1981-2010 de la température moyenne de la

région Nord ouest du Maroc en °C. ................................................................................ 34

Figure II.2 : Normale annuelle pour la période 1981-2010 des précipitations à la région du Nord

ouest du Maroc en mm. ................................................................................................ 34

Figure II.3 : Quotient d’Emberger durant les périodes 1961-2000, 1981-2000, 2001-2012. ... 37

Figure II.4 : Diagramme Ombrothermique de la région de Rabat pour les périodes a) :1961-

1980, b) : 1981-2000, c) : 2001-2012 et d) : 1961-2012. ................................................ 38

Figure II.5 : Normale mensuelle des précipitations et records battus en 24 heures. ................ 40

Figure II.6 : Année excédentaire et déficitaire par rapport à la normale en pourcentage. ........ 40

Figure II.7: Températures maximales et minimales moyennes et absolues mensuelles à Rabat.

.................................................................................................................................... 41

Figure II.8 : a) Rose du vent annuelle, b) Rose du vent automne, c) Rose du vent hiver, d) Rose

du vent printemps, e) Rose du vent été pour la période du 2009 à 2013. ........................ 43

Figure II.9 : Records absolus du vent, période de référence 1961-2012. ................................. 43

Figure II.10 : Nombre de jours avec vitesse du vent supérieur à 16 m/s, période de référence

1981-2010. .................................................................................................................. 44

Figure II.11 : Moyenne mensuelle de l’insolation en heures. .................................................. 44

Figure II.12 : Moyenne mensuelle de l’humidité maximale et minimale à la région de Rabat. .. 45

Figure II.13 : Moyenne mensuelle en nombre de jours des phénomènes météorologiques les

plus importants pour la région du Rabat. ...................................................................... 46

Figure II.14 : Moyenne annuelle en nombre de jours des phénomènes météorologiques à la

région du Rabat. ........................................................................................................... 46

Figure II.15 : PRCPTOT : Précipitation moyenne de Rabat cumulée pour la saison pluvieuse.

.................................................................................................................................... 47

Figure II.16 : CWD : nombre maximal des jours consécutifs avec des précipitations RR>1mm.

.................................................................................................................................... 48

Figure II.17 : CDD : Nombre maximal de jours consécutifs de sécheresse précipitations RR <

1mm. ........................................................................................................................... 48

Figure II.18 : SU35 : Nombre total annuel de jours très chaud, température maximale

Tx>35°C. ...................................................................................................................... 49

Figure II.19 : WSDI : Nombre total annuel de jours avec au moins 6 jours consécutifs de

Tx>percentile 90. .......................................................................................................... 49

Figure II.20 : ID 15 : Nombre total annuel des jours frais : Tx<15°C. ..................................... 50

Figure III.1: Coefficient de réflexion théorique )( en de l’angle d’incidence. ...................... 58

5

Figure III.2 : Coefficient de transmission théorique (courbe en pointillés) et expérimental

(courbe en continu) )(b en fonction de l’angle d’incidence . ...................................... 59

Figure III.3: Les coefficients de transmission, de réflexion et d’absorption .............................. 61

retenus pour le rayonnement solaire direct en fonction de l’angle d’incidence . ................... 61

Figure III.4 : Variation des dimensions du séchoir selon les trois axes ox, oy et oz. ................ 66

Figure III.5 : Rayonnement solaire global incident sur la forme standard (courbe en pointillée)

et sur la forme modifiée suivant ox, oy et oz (courbe trait plein). .................................... 67

Figure III.6 : Variation de l’énergie quotidienne en fonction de la variation de la hauteur du

séchoir. ........................................................................................................................ 67

Figure III.7 : Variation de l’énergie quotidienne selon les directions des x .............................. 68

Figure III.8 : Energie quotidienne maximale correspondante à la valeur optimale de la largeur

du séchoir. ................................................................................................................... 69

Figure III.9 : Energie quotidienne en fonction de la variation de la longueur et de largeur du

séchoir. ........................................................................................................................ 69

Figure III.10 : Augmentation selon x à partir de la forme standard. ....................................... 70

Figure III.12 : Variation du rayonnement transmis par la surface S1 (en W/m2) en fonction de

l’orientation . ............................................................................................................... 74

Figure III.13 : Variation du rayonnement transmis par la surface S1 (en W/m2) en fonction de

l’inclinaison ............................................................................................................... 76

Figure III.14 : Comportement de l’énergie quotidienne transmis par la face Sud inclinée en

kW/m² en fonction de l’inclinaison du séchoir. .............................................................. 77

Figure III.15 : Composantes du rayonnement solaire sur plan horizontal ............................... 79

Figure III.16 : Composantes du rayonnement mesurées par le séchoir pour la journée du 26

juillet 2013 ................................................................................................................... 80

Figure III.17 : Rayonnement global incident calculé et mesuré pour la vitre inclinée du séchoir

pour la journée du 27 juillet 2013 ................................................................................. 81

Figure III.18 : Rayonnement global transmis mesuré et calculé au niveau de la vitre inclinée

du séchoir pour la journée du 27 juillet 2013. ............................................................... 82

Figure III.19 : Rayonnements solaires directs incidents reçus par les surfaces orientées Est et

Ouest et par le plan horizontal, pour la journée du 27 juillet 2013. ................................ 83

Figure III.20 : Rayonnement solaire direct incident pour les deux surfaces inclinées et

horizontales pour la journée du 27 Juillet 2013. ........................................................... 84

Figure III.21 : Rayonnement solaire direct incident sur plan horizontal et sur la surface

verticale face au Sud, pour la journée du 27 juillet 2013 ............................................... 85

Figure III.22: Rayonnement solaire direct incident sur plan horizontal et sur la surface verticale

face au Nord, pour la journée du 27 juillet 2013. ........................................................... 86

Figure III.23: Rayonnement solaire global incident, transmis, réfléchi et absorbé par la

couverture du séchoir pour la journée du 27 juillet 2013 .............................................. 87

Figure III.24 : Variation du rayonnement transmis par les surfaces inclinées sud (a), surface

vertical sud (b), surface est (c) et surface ouest (d), du rayonnement incident et transmis

total de la couverture pour la journée du 27 Juillet 2013. .............................................. 89

Figure III.25 : Page principale de l’interface CESS pour le calcul du rayonnement. ................. 90

Figure III.26: Page de l’interface CESS pour l’introduction des données d’entrées. .................. 91

Figure III.27: page pour le lancement du calcul .................................................................... 92

Figure III.26: page de l’interface permettant de visualiser les résultats graphiques du

rayonnement pour une journée de données. .................................................................. 92

6

Figure III.28: page de l’interface permettant de visualiser les résultats numériques du

rayonnement. ............................................................................................................... 93

Figure IV.1 : Vue en perspective du séchoir .......................................................................... 95

Figure IV.3 : Séchoirs solaires prototypes ............................................................................. 98

Figure IV.4 : le dispositif de la mesure de la température sonde + abri................................ 103

Figure IV.5 : Boite de jonction utilisée au niveau du laboratoire. ......................................... 104

Figure IV.6: Validation de l’humidité relative pour la journée du 31 juillet 2013. ................. 108

Figure IV.7 : Humidité relative calculée à l’intérieur du séchoir pour le 1 et le 2 août 2013. . 109

Figure IV.8 : Variation de l’humidité absolue à l’intérieur du séchoir. .................................. 111

Figure IV.9: Variation de la température et de l’humidité relative à l’intérieur du séchoir. .... 111

Figure V.1 : Températures de l’air intérieur dans les deux séchoirs solaires et température de

l’air extérieur mesurées pour la période allant du 7 au 13 aout 2013. .......................... 114

Figure V.2 : Rayonnement solaire reçu par le séchoir du 7 au 13 aout 2013 ........................ 114

Figure V.3 : Températures du sol deux séchoirs solaires et température de l’air extérieur

mesurées pour la période allant du 7 au 13 aout 2013. ............................................... 115

Figure V.4 : Evolution de la température du vitrage des deux séchoirs solaires et température

de l’air extérieur mesuré pour la période allant du 7 au 13 aout 2013 .......................... 116

Figure V.5 : Evolution de la température de la tôle des deux séchoirs solaires et température de

l’air extérieur mesurées pour la période du 7 au 13 aout 2013 ..................................... 117

Figure V.6 : Evolution de la température à l’intérieur des deux séchoirs solaires pour deux

situations différentes .................................................................................................. 118

Figure V.7 : Evolution de la température de l’air intérieur des deux séchoirs solaires pour deux

cas différents. ............................................................................................................. 119

Figure V.8 : Evolution de l’humidité relative à l’intérieur des séchoirs pour différents scénarios.

.................................................................................................................................. 121

Figure V.9 : Températures et humidités relatives à l’intérieur du séchoir. ............................ 122

Figure V.17 : Température du séchoir A (avec ventilation continue), température du séchoir B

(sans ventilation) et température ambiante en °C durant la période 11-20 Janvier 2014.

.................................................................................................................................. 127

Figure V.18 : Rayonnement global reçu sur plan horizontal en W/m² durant la deuxième

décade du mois de janvier 2014. ................................................................................. 128

Figure V.19 : écart de la température intérieure des séchoirs A et B relatif à la température

ambiante en °C du 11 au 20 Janvier 2014. ................................................................. 129

Figure V.20 : Evolution de l’humidité relative des deux séchoirs ainsi que l’humidité relative

extérieure du la semaine du 11 au 17 Janvier 2014. ................................................... 130

Figure V.21 : Ecart d’humidités en % entre le séchoir A (avec ventilation) et le séchoir B (sans

ventilation) pour la période du 11 au 17 janvier 2014. ................................................. 131

Figure V.22 : Rayonnement solaire pour la période du 26 Janvier au 2 Février 2014 ........... 131

Figure V.23 : Température ambiante, à l’intérieur du séchoir A (avec ventilation), et à l’intérieur

du séchoir B 5sans ventilation) du 26 Janvier au 2 Février 2014 ................................. 132

Figure V.24 : Ecart entre les humidités relatives en % entre les séchoirs B (sans ventilation) et

le séchoir A (avec ventilation la nuit). .......................................................................... 133

Figure IV.1 : Le système S et les différents flux échangés .................................................... 136

Figure VI.2 : Schéma décrivant les différents critères de transition utilisés .......................... 140

Figure VI.3 : Schéma représentant le séchoir solaire installé au laboratoire ......................... 149

Figure VI.4 : L’ensemble des flux entrants et sortant relatif au vitrage ................................. 167

Figure VII.1 Organigramme du modèle numérique sur le comportement thermique du séchoir

solaire ........................................................................................................................ 171

7

Figure VII.2 : Processus de l’installation de « Solar Dryer Simulator v1.1 » ........................... 176

Figure VII.3 : fenêtre principale .......................................................................................... 177

Figure VII.4 : Barre d’outils ................................................................................................ 177

Figure VII.5 : manipulation des paramètres de la simulation ............................................... 178

Figure VII.6 : Sauvegarde des paramètres de simulations .................................................... 179

Figure VII.7 : lancement du calcul ...................................................................................... 180

Figure VII.8 : sauvegarde de la simulation .......................................................................... 180

Figure VII.9 : Menu de visualisation des sorties .................................................................. 181

Figure VII.10 : Exemple de sorties graphiques .................................................................... 182

Figure VII.11 : exemples de comparaison de deux simulations ............................................ 183

Figure VII.12 : superposition des deux cas de simulations avec les mesures ........................ 184

Figure VII.13 : Analyse statistique ...................................................................................... 184

Figure VIII.1 : Effet des facteurs de formes sur la température et l’humidité pour le mois de

Juillet 2013 ................................................................................................................ 188

Figure VIII.2 : Effet des facteurs de l’épaisseur de la tôle sur la température et l’humidité pour

le mois de Juillet et aout 2013 .................................................................................... 192

Figure VIII.3 : Effet de la ventilation sur le comportement thermique du séchoir. ................. 195

Figure VIII.4 : effet de l’apport de chaleur sur le comportement du séchoir .......................... 198

Figure VIII.5 : Effet de la nébulosité sur le comportement du séchoir................................... 201

Figure 1 : Profil de température à l’air libre et à l’entrée de chaque cabine du séchoir solaire

tunnel Hohenheim à vide. ........................................................................................... 214

Figure 2 : Profil d’humidité à l’air libre et dans le séchoir solaire Hohenheim à vide ............. 215

Figure 3 : Variation du rayonnement incident et de la température ambiante et à l’intérieur du

séchoir en fonction du temps. ..................................................................................... 216

Figure 4 : Variation de l’humidité relative à l’extérieur et à l’intérieur du séchoir en fonction du

temps. ........................................................................................................................ 216

Figure 5: L’évolution de la température à l’intérieur du séchoir ........................................... 217

Figure 6: Evolution de l'humidité absolue à l'intérieur du séchoir ........................................ 217

Figure 7 : Schéma du séchoir solaire direct sous une convention naturelle dryer: (1) couverture

transparante (2) plaque absorbante, (3) grille métalique, (4) entrée de l’air, (5) sortie de

l’air, (6) coffret en bois, (7) isolation (8) plaque électrique. ............................................ 218

8

INTRODUCTION GENERALE

L’utilisation de l’énergie a pris de l’ampleur, et l’exploitation de nouvelles

formes d’énergie est devenue une nécessité pour assurer le niveau de vie actuel

de l’humanité. Dans les pays en voie de développement, dont le degré

d'ensoleillement est considéré très important tout au long de l'année, le

séchage par le biais de l'énergie solaire est une alternative raisonnable. Cette

énergie solaire est utilisée dans le passé et jusqu’à ce jour, cependant

l’efficacité du séchage en plein air a montré sa faiblesse compte tenu de ses

inconvénients (influence directe des conditions météorologiques, exposition des

produits aux rayonnements UV, aux insectes et poussières, etc.).

Les pays industrialisés ont mis des séchoirs artificiels selon les règles

scientifiques qui donnent satisfaction au point, mais en contre partie utilisent

d’autres sources d’énergies autres que l’énergie renouvelable telle que les gaz

de combustion du fuel. Ce type de séchoirs résout certes certains problèmes

liés au séchage à l’air libre, mais en alternative, génère un coût non négligeable

et nuise à l’environnement. Le défi est de pouvoir remédier à ces alias et

garantir une production de qualité avec un temps minime et à moindre coût.

Les séchoirs solaires représentent une solution intermédiaire qui satisfait le

rapport qualité prix. Ils se montrent plus économiques en énergie tout en

préservant une bonne qualité du produit, aussi ils sont mis en œuvre par des

techniques relativement simple. Ce type de système intéresse les pays

industrialisés ainsi que les pays en voie de développement.

Cette thèse s’inscrit dans une optique d’étude et d’optimisation du séchage

solaire; elle a à la fois un caractère théorique, numérique et expérimental. La

démarche suivie, c’est-à-dire le choix du séchoir solaire, le développement des

modèles, l'évaluation expérimentale des paramètres, la simulation et la

comparaison des résultats théoriques aux résultats expérimentaux constitue

une approche rigoureuse et complète. Ce type d’approche permet d’évaluer la

validité des modèles utilisés et la performance du séchoir solaire construit. Elle

constitue une contribution originale visant à mieux comprendre le

comportement énergétique et thermique du séchoir solaire et avoir un outil

pour le développement du processus du séchoir solaire. Le processus de

séchage est simple dans son principe mais très complexe dans la

compréhension exacte de l’opération; cette complexité est due au fait que le

processus physique est fortement non linéaire des échanges et des interactions

compliquées, et des conditions de séchage sont liées à plusieurs facteurs et

variables climatiques qui changent au cours du séchage.

9

La conception et la réalisation au niveau du Laboratoire d’Energie Solaire et

d’Environnement (LESE) d’un prototype de séchoir de complexité aussi réduite

que possible a fait l’objet préliminaire de cette étude. Le séchoir a été équipé

par des instruments mesurant les paramètres les plus importants et les plus

influençant (différentes composantes du rayonnement solaire, température du

vitrage, température à l’intérieur du séchoir, température humide à l’intérieur

du séchoir, température du sol du séchoir, température de la tôle utilisée

comme absorbeur). La température ambiante, l’humidité relative à l’extérieur

du séchoir, la vitesse du vent et le rayonnement global sur plan horizontal sont

mesurés par la station automatique dont dispose le laboratoire.

Deux modèles mathématiques permettant de décrire et d’évaluer les transferts

de rayonnement solaire au sein du séchoir solaire ainsi que les transferts de

chaleur ont été développés et établis en Programme Fortran. Les deux modèles

numériques ont permis d’élaborer des applications et des interfaces graphiques

interactives. Ces interfaces ont joué un rôle majeur pour faciliter les différentes

simulations numériques et voir, d’une manière précise et en détail l’influence

que peut avoir chaque paramètre et chaque variable sur le comportement

énergétique et thermique du séchoir solaire, et par conséquent, prédire le

modèle réalisant les meilleures performances.

Une bonne partie de ce travail a été consacrée à mener des compagnes de

mesures durant les saisons d’été et d’hiver. Ces compagnes de mesures vont

permettre d’une part, de suivre et d’analyser le comportement du séchoir

pendant plusieurs jours et aux différents moments de la journée, d’autre part

de valider les modèles numériques développés.

Ainsi le plan de cette étude sera acheminé synthétiquement selon le canevas

suivants :

Une description générale des différents types des séchoirs solaire;

Une analyse approfondie sur le climat de la région de Rabat ;

Une représentation du dispositif expérimental et mesures utilisés dans

l’étude ;

Une synthèse des résultats sur le bilan énergétique du séchoir ;

Une analyse de l’évolution des variables d’état à partir des résultats expérimentaux ;

Une étude théorique décrivant les différentes interactions et échanges thermiques entre les différents éléments du séchoir ;

Une description des modèles numériques développés ainsi que les interfaces graphiques mises en œuvre ;

Une évaluation de la performance thermique du modèle par la réalisation de plusieurs simulations théoriques et des compagnes de mesures ;

Chapitre 1 : Le Séchage Solaire

10


I. INTRODUCTION

Le séchage solaire est un moyen de transformation de certains produits. Il est

utilisé à la fois dans le monde rural, dans le monde industriel à travers

l’industrie, l’agroalimentaire, le textile, etc. Avec des outils et des matériaux

localement disponibles, les séchoirs solaires sont faciles à construire, et

peuvent fonctionner par convection naturelle ou forcée.

Evidemment, l’ensoleillement, l'humidité, le vent et la température affecteront

les performances du séchoir. A nos jours, le séchage d’un ensemble de produits

tels que le bois ou les produits agricoles comme les dattes, les tomates, la

menthe, etc. de natures hygroscopiques, connaît une évolution importante.

Un produit est dit hygroscopique lorsqu’il est susceptible de perdre ou de

reprendre de l’humidité en fonction des caractéristiques de l’air. Ce caractère

hygroscopique génère trois contraintes principales :

les attaques d’insectes ou de champignons ;

les défauts (retraits, fentes, déformations comme c’est le cas du bois) ;

des difficultés de transformation et de perdre de la qualité nutritive pour

les produits agroalimentaires.

Le séchage permet de limiter ces phénomènes et confère aux produits une

certaine durabilité et qualité.

Au-delà de ces enjeux techniques, le séchage doit aussi répondre à des enjeux

économiques (possibilité de se démarquer et de répondre aux besoins du

marché) et des enjeux réglementaires.

En effet, des contraintes techniques et réglementaires sont également mises en

jeu, et permettent de répondre à des contraintes économiques, à savoir la

possibilité de développer des produits plus élaborés et de très bonne qualité, de

répondre aux attentes du consommateur et de valoriser des produits, etc.

(Séchage du bois, 2007)


11

Ces techniques donnent lieu à des normes à l’échelle internationale comme par

exemple les normes ou les Documents techniques Unifiés (DTU) établis par la

Commission Générale de Normalisation du Bâtiment /DTU dès 1958 et

intégrant le système normatif français, avec l’harmonisation technique

européenne. Les normes indiquent des humidités limites pour les bois mis en

œuvre (DTU, 2012) :

DTU 31.1 : charpente en bois (H% ≤ 22%)

DTU 31.2 : maisons à ossature en bois (H% ≤ 18%)

EN 14 250 : charpente industrielle (H% ≤ 22%)

NF D 61-010 : siège (H% ≤ 12%).

II. PROCEDES DE SECHAGE

Plusieurs procèdes sont mis en jeu, à savoir :

II.1 Séchage par pompe à chaleur

Les séchoirs par pompe à chaleur ou séchoirs par déshumidification,

n’exploitent qu’une seule source d’énergie : l’électricité. Ce type de séchoir est

équipé d’un groupe frigorifique comprenant une batterie froide, un évaporateur,

une batterie chaude et un condenseur.

La pompe à chaleur fournit plus d’énergie qu’elle n’en consomme. On trouve

deux procédés pour les séchoirs par pompe à chaleur :

- à circuit fermé : il n’existe aucun échange d’air avec l’extérieur ;

- à circuit ouvert : un échange d’air est effectué avec l’extérieur pour faire

baisser la température dans le séchoir.

Les niveaux de températures sont inférieurs à ceux des séchoirs à air chaud

climatisé, et présentent des durées de séchage plus longues. Ces séchoirs sont

mieux adaptés aux bois type feuillus.

II.2 Séchage à air chaud climatisé

C’est le procédé le plus couramment utilisé. Il permet notamment de travailler

sur une large plage de température atteignant les 90 °C. L’évacuation de

l’humidité du séchoir se fait par échanges d’air avec l’extérieur. L’apport

calorifique peut se faire directement par un brûleur ou indirectement par des

batteries de chauffe alimentées par de l’eau chaude, de la vapeur ou tout autre

fluide thermique.

II.3 Séchage sous vide

Un séchoir sous vide est une enceinte hermétique dans laquelle on diminue la

pression grâce à une pompe à vide. Ce sont les actions conjuguées de la


12

pression et de la température qui vont accélérer la circulation de l’eau dans les

produits et intensifier l’évaporation.

La diminution de la pression favorise la circulation de l’eau du cœur vers la

surface. Dans le cas du bois par exemple, l'eau circule cinq fois plus vite dans

le matériau sous une basse pression de 60 mmHg, que sous une pression

normale de 760 mmHg, (Bekkioui N., 2009).

C'est cette propriété que l'on utilise dans ce procédé de séchage sous vide : la

principale caractéristique du séchage sous vide est sa rapidité (3 à 6 fois plus

rapide que le séchage à air chaud climatisé). Ce type de séchage est plus

adapté quand il s’agit des grandes quantités.

II.4 Pré-séchage

Le pré-séchage consiste en un début de séchage artificiel du produit jusqu’à

une humidité finale. Selon les besoins de l’utilisateur, les produits pré-séchés

pourront être dirigés vers des cellules de séchage pour atteindre le taux

d’humidité finale désiré. Cette technique permet d’améliorer la qualité des

produits, grâce à un séchage doux et contrôlé.

III. MODES DE SECHAGE

III.1 Séchage à l’air libre

Le séchage à l’air libre ou séchage naturel (dit traditionnel) est la méthode la

plus ancienne qui se réalise en stockant le produit à sécher, sous abris bien

ventilés et suffisamment espacés afin de permettre une bonne circulation de

l’air. Ce mode de séchage, qui ne nécessite aucune source de chaleur

artificielle, reste relativement performant dans les zones arides et sèches. Il

convient pour les petites productions destinées à l’auto consommation ou à la

consommation locale. Son avantage est que son coût de matériel est très faible,

alors que son inconvénient est que les produits restent exposés à l’air libre, ce

qui les fait exposer à des poussières, des insectes et au développement des

moisissures à cause de la reprise d’humidité au cours de la nuit. Aussi,

puisque la vitesse du séchage dépend d’une manière directe des conditions

météorologiques, un contrôle de la durée du séchage et de la qualité des

produits à sécher devient difficile voire impossible.

Pour remédier à ces inconvénients, pendant la nuit ou lorsqu’il pleut, les

produits peuvent être abrités sous un bâtiment ou être recouverts par des

toiles imperméables. La vitesse d’évaporation peut être augmentée en remuant

les produits régulièrement au cours du séchage avec des claies non

surchargées de produits pour faciliter la circulation de l’air et garantir un

séchage uniforme de tout le produit.


13

III.2 Séchage solaire

Le séchage solaire est un mode intermédiaire entre le séchage artificiel et le

séchage naturel.

On peut atteindre avec ce mode de séchage une humidité finale plus basse que

le séchage à l’air libre, mais relativement plus haute que le séchage artificiel.

Les paramètres de séchage sont plus contrôlés que le séchage à l’air libre, mais

restent moins précis que le séchage artificiel.

La source d’énergie est le soleil qui émet des rayons solaires dont les longueurs

d’onde sont essentiellement comprises entre 0,25 µm et 2,5 µm. Ces rayons

sont par la suite transformés en chaleur par l’absorbeur qui, à son tour,

transmet des radiations dans le domaine de l’infrarouge (Bargach M.N., 2000).

Le tableau ci-dessous décline les principaux avantages et inconvénients du

séchage solaire et à l’air libre (Sanchez D.L., 2008).

Séchage solaire Séchage à l’air libre

Avantages Avantages

Maîtrise de la teneur en eau finale désirée.

Obtention de produit de qualité (moins de pertes).

Source d’énergie « gratuite ».

Permet la gestion de la conduite de séchage.

Pas de risque d’attaque par insectes ou champignons.

Coût faible à moyen.

Séchage doux, grâce à l’alternance jour/nuit.

Pas de personnel qualifié exigé.

Faible gradient d’humidité dans l’épaisseur.

Peu de changement de couleur.

Pas de dépenses d’énergie.

Source d’énergie « gratuite ».

Inconvénients Inconvénients

Investissement initial important.

Consommation électrique (si ventilateur).

Conduite du séchoir.

Séchage lent, (temps de réponse au marché pénalisant).

Pertes importantes dues aux défauts de séchage.

Surface occupée importante.

Risque d’attaque (insectes et champignons).

Difficulté d’atteindre la teneur en eau souhaitée.

Tableau I.1 : Avantages et inconvénients du séchage solaire et du séchage à l’air libre (Séchage Solaire - Séchage à l’air libre).

Une expérimentation concrète pour le cas du séchage solaire du bois de thuya,

a donné des résultats satisfaisants en comparaison avec le séchage à l’air libre,

que ça soit en terme d’humidité finale, vitesse de séchage, prix et ou qualité de

séchage (Elkannafi A., 2002). Le séchage solaire du bois de thuya a permis


14

d’atteindre, pour la même durée de 22 jours, une humidité finale plus basse

d’environ 7% que celle du séchage à l’air libre (tableau I.2) :

Séchage solaire Séchage naturel

Hi %

Hf% Temps en jours

Hi% Hf% Temps en jours

Bois de Thuya Provenance Khémisset

33.3 13.55 22 34.33 20.11 22

Tableau I.2 : Comparaison entre les deux modes de séchage.

D'après leurs modes de chauffage et la manière dans laquelle l'énergie solaire

est utilisée, les systèmes de séchage solaire sont généralement classés en deux

groupes majeurs (Institut National des Sciences Appliquées de Lyon) :

Les systèmes de séchage d'énergie solaire actifs (souvent appelés les

séchoirs solaires hybrides);

Les systèmes de séchage d'énergie solaire passifs (conventionnellement

appelés les séchoirs solaires à circulation naturelle de l'air de séchage).

Selon le type du séchoir et le mode d’utilisation de l’énergie solaire, quatre sous

classes distinctes peuvent être identifiées pour ces deux systèmes de séchage

actifs et passifs : les séchoirs solaires directs, les séchoirs solaires indirects, et

les séchoirs mixtes et hybrides.

III.2.1 Le séchoir solaire direct

Le séchage solaire direct, de conception simple, utilise les rayons directs du soleil pour sécher les produits. Il est simple à réaliser. Se sont en général des

constructions simples et robustes d’un châssis vitré où le vitrage sert à augmenter l’effet de serre. La circulation d'air se fait à travers le séchoir par tirage naturel dû au

réchauffement (effet cheminée) ou par action du vent sur les ouvertures, ou à

l'aide d'un ventilateur, du fait de la simplicité des modèles.

Ce type de séchage présente deux avantages :

les produits sont mieux protégés de l'attaque des mouches et autres

insectes ;

ils sont soumis à un effet de serre au même titre qu'un absorbeur de

capteur plan, d'où une amélioration du bilan radiatif et une élévation de

la température du produit à sécher, ce qui permet de diminuer

notablement les temps de séchage par rapport aux systèmes

traditionnels.


15

III.2.2 Le séchoir solaire indirect

Les produits à sécher ne sont pas exposés directement au rayonnement solaire. Ils sont disposés sur des claies à l’intérieur d’une enceinte ou d’un local en

rapport avec l’importance des quantités de produits à sécher.

L'air neuf est admis dans l'enceinte de séchage après passage dans des

capteurs à air ou autre préchauffeur qui le réchauffent en fonction du débit

utilisé.

Ce type de séchoir est souvent plus compliqué et plus coûteux à construire que

le séchoir direct. Il peut être réalisé à des échelles diverses, et il est surtout

employé pour des produits très sensibles au rayonnement solaire ou dont le

niveau de température doit être contrôlé, tel que les produits à vocation

agricole comme les fruits et les légumes dont l’aspect, la couleur et la qualité

nutritive et gustative doivent être mieux préservés.

Comme principe de fonctionnement, ce type de séchoir se compose

généralement de deux parties: un collecteur qui converti le rayonnement solaire

en chaleur, et une chambre de séchage qui contient le produit à sécher. L’air

pénètre dans le collecteur qui s’échauffe ; sa température augmente et, par

effet de convection naturelle, l’air chauffé monte à la chambre de séchage pour

sécher le produit. La durée du séchage reste très variable selon les conditions

météorologiques et la ventilation du séchoir.

III.2.3 Les séchoirs mixtes

Dans ce type de séchoirs, la chaleur nécessaire au séchage est fournie par

l'action combinée du rayonnement solaire touchant directement les produits et

de l'air préchauffé dans des capteurs.


16

Figure I.1 : Les trois différents premiers modes des séchoirs solaires

III.2.4 Les séchoirs hybrides

Le séchage solaire montre ses limites et ses inconvénients malgré les

améliorations apportées. Le processus du séchage reste difficilement

contrôlable puisqu’il dépend en grande partie des conditions météorologiques et

climatologiques. Aussi, l’apport en humidité la nuit mène à prolonger la durée

du séchage et à faire exposer les produits à des attaques microbiennes. Les

séchoirs hybrides sont élaborés pour les produits demandant de grandes

capacités et pour palier à ces inconvénients en utilisant des énergies telles que

le gaz, le bois ou le fuel : ces énergies sont utilisées pour maintenir une

température constante à l’intérieur du séchoir quelque soit les conditions

climatologiques, l’énergie solaire devient secondaire dans ce cas,

l’augmentation de la circulation de l’air se fait à travers des ventilateurs

électriques. Ce type de séchoir qui garantie une augmentation de la

productivité, un meilleur contrôle, une continuité du séchage pendant la nuit

et durant toute les saisons ; représente aussi certains inconvénients comme la

nécessité d’un personnel qualifié pour la maintenance et son coût de

production et d’investissement qui reste élevé (Swetman T., 2007).

III.3 Les modèles des séchoirs

Nous allons décrire dans cette partie, quelques exemples des séchoirs réalisés

et testés à travers le monde :

Mode direct

Mode

Mode indirect

Mode mixte


17

III.3.1 Séchoirs à effet direct

III.3.1.a. Séchoir de Sharma (Sharma et al, 1972)

Ce séchoir d’une capacité de 7,1 m3 de bois a été testé en Inde, en 1972.

Depuis, plus d’une vingtaine sont en fonctionnement à des latitudes variant de

17° à 30°N. A l’exception du mur nord qui est calorifugé, tous les autres murs

et le toit sont construits d’un double vitrage d’épaisseur de 5,5 mm enfermant

une lame d’air de 37 mm. Un absorbeur ondulé est placé horizontalement au

dessus de la pile de bois. La circulation d’air est assurée par deux ventilateurs

de 1 KW de puissance, placés du coté du mur nord. L’entrée et la sortie d’air

s’effectuent par des ouvrants placés respectivement dans le mur sud et le mur

nord. La durée de séchage enregistrée avec ce séchoir est de 4 fois moindre que

celle à l’air libre.

La régulation du séchoir se fait manuellement et se limite à :

une valeur maximale de l’humidité relative de l’air au dessus de laquelle il

y a ouverture des clapets (pour une humidité du bois supérieure à 40%,

le séchoir fonctionne en mode ouvert lui permettant de s’alimenter en air

sec, afin de favoriser l’évaporation de l’eau, pour une humidité inférieure

à 40%, le séchoir fonctionne en mode fermé puisque le rythme du séchage

dépend à ce stade plus de la température de l’air) ;

une valeur minimale de la température au dessous de laquelle il y a arrêt

du séchage.


18

Figure I.2 : Séchoir de Sharma avec mode ouvert (B) et fermé (A)

III.3.1.b - Séchoir de Prestemon (Prestemon D. R., 1983)

Ce séchoir d’une capacité de 2,4 m3 a été construit en 1983 à Ames en USA

(Latitude 42°N, longitude 94°W). A l’exception du toit, toutes les faces du

séchoir sont réalisées, en allant de l’intérieur vers l’extérieur, d’une couche

d’aggloméré, de fibres de verre et du bois de charpente ; toutes les surfaces

internes sont peintes en noir. Le toit qui joue le rôle du capteur est constitué

d’une couche de polyester et de fibres de verre. La circulation d’air à l’intérieur

du séchoir est assurée par deux ventilateurs de 50 cm de diamètre placés prés

du toit. L’échange d’air avec l’extérieur se fait par six ouvrants perforés dans le

mur nord. La durée de séchage d’un bois feuillus de 25 mm était de 4 semaines

en saison d’été avec une humidité finale de 7 à 8 %.


19

Figure I.3 Séchoir solaire de Prestemon

III.3.1.c - Séchoir solaire Tunnel "Hohenheim" (Ingenieurs gesellschaft mbH,

2007)

Ce modèle de séchoir dédié essentiellement pour la production agro-alimentaire

est réalisé en collaboration avec l’Université Hohenheim et INNOTECH

Engineering Ltd en Allemagne. Il est destiné principalement pour les régions

tropicales et subtropicales et est en exploitation commerciale dans une

soixantaine des pays partout dans le monde.

Le séchoir Tunnel utilise les cellules photovoltaïques pour alimenter les

ventilateurs et ainsi pour faire circuler l'air dans la zone de séchage. Le

ventilateur permet de réduire le temps de séchage d’une manière considérable.

L'air circule à travers une zone généralement peinte en noir (zone du collecteur)

pour absorber la chaleur du soleil et passe à travers les plateaux qui

contiennent les produits destinés à être séchés. Certains séchoirs se

complémentent par l’ajout d’une cheminée favorisant une meilleure circulation

de l’air, ou par l’utilisation d’un système de chauffage externe tel que l’eau

chaude pour garantir un séchage plus efficace durant la nuit, ou lorsque les

conditions météorologiques ne sont pas favorables.


20

Figure I.4: Plan d’un séchoir solaire en tunnel.

Concernant les données techniques du séchoir Tunnel, elles sont résumées

dans le tableau I.3:

Longueur 18 m

Largeur 2 m Surface 16 m² Surface de séchage 20 m² Débit de l’air 400 à 1200 m3/h Température de l’air 30 à 80 °C Puissance requise 20 à 40 W Fonctionnement du ventilateur Panneau solaire photovoltaïque

Tableau I.3 : Caractéristiques techniques du séchoir Tunnel INNOTECH Ingenieurs gesellschaft

III.3.1.d - Séchoirs de «Twaalf Ambachten » (Green Technique, Ambachten

2000)

Ce type de séchoirs (figure I.5) est conçu pour les produits alimentaires par

une organisation basée en Hollande qui investie dans le développement et

l’information de solutions alternatives techniques et écologiques.

Le montage du séchoir est adapté aux conditions climatiques de la région de

l’Europe du nord avec la prise en considération d’un angle d’inclinaison de

58°, déterminé par la position moyenne du soleil au printemps, en été et

début d’automne. Le séchoir solaire est réalisé de telle façon que les rayons ne

puissent pas atteindre directement le contenu des produits. L’air est chauffé

par convection et par chaleur radiante résultante des plaques aluminium

peintes en noir, positionnées derrière le verre qui sert aussi de support pour

les claies. Une ouverture de 10 cm en haut de la boîte permettant à l’air

Ventilateur

Panneaux solaires

photovoltaïques

Collecteurs

thermiques

Entré air

Sortie d’air

Tunnel du

séchage


21

chaud d’y pénétrer. Sur la paroi du fond opposée à la vitre se trouve une

cloison avec une ouverture de 10 cm pour inspirer l’air humide et frais hors

de la boîte à l’aide de la conduite de cheminée située en haut de la boîte. La

conduite de cheminée est de un mètre de longueur approximativement. Le

tube de Plexiglas est isolé du tube noir interne. La boîte est construite en

concret-plex (multiplex en plastique) et est montée sur une table mobile. Le

plus grand support situé en bas fait 100 cm x 110 cm, et le plus petit support

situé en haut fait 55 cm x 110 cm.

Figure I.5 : Twaalf Ambachten séchoir

III.3.2 Séchoirs à effet indirect

Pour ce type de séchoirs, les produits sont placés dans une chambre isolée

comme c’est le cas des séchoirs artificiels. Les capteurs solaires sont séparés de la chambre de séchage, ce qui permet d'optimiser la surface de captation sans être lié aux dimensions de la chambre de séchage. Le transfert de chaleur

entre les capteurs et la chambre de séchage se fait par l’intermédiaire des conduits calorifugés. Cette catégorie de séchoirs permet une meilleure isolation

de la chambre de séchage minimisant ainsi les pertes thermiques.


22

III.3.2.a - Séchoir de Simpson et al. (Simpson W. T., 1992)

Ce séchoir est construit en 1984 pour le séchage du bois aux Philippines

(Latitude 14°N) avec une capacité de 9,4 m 3 de bois. L'ossature de la chambre

de séchage est en bois, les murs et le plafond ont respectivement un coefficient

de transmission de chaleur de 0,347 et 0,207 W.m-².K-1. Le capteur est orienté

vers le sud et posé au niveau du sol, la partie transparente est en fibres de

verre d’épaisseur 10 mm. L’absorbeur permet une bonne isolation thermique

au niveau du sol. L’air chaud est introduit dans la chambre de séchage quand

la température du capteur est supérieure à celle de la chambre.

Figure I.6 : Modèle de séchoir Simpson et al.

III.3.2.b - Séchoir de Lumley et Choong

Ce séchoir (Lumley G. T., 1979) a une capacité de 0,9 m3, il est construit en

1981 aux USA. Le capteur solaire est placé au-dessus de la chambre du

séchage construite en aggloméré et isolée. La circulation d’air est assurée par

un ventilateur de 0,6 m de diamètre. Le passage d’air chaud du capteur vers le

séchoir est arrêté pendant la nuit.

Bois Épaisseur (mm) Humidité % Durée séchage en jours

Frêne 51 51-14 19 Chêne rouge 38 82-17 29

Cyprès 25 88-10 21

Tableau I.4 Performance du séchoir solaire de Lumley et Choong


23

Figure I.7 Séchoir solaire de Lumley et Choong

III.3.2.c Séchoir de ICARO 1.5 (Bechis S. et al. 2013)

Cette catégorie des séchoirs, conçus en 2012, fait partie du groupe des séchoirs

solaires à lumière indirecte et à ventilation forcée. Ces modèles se caractérisent

par le fait que l’énergie de ventilation forcée est fournie par un panneau

photovoltaïque et par conséquent l’unité est donc complètement autosuffisante

en ce qui concerne l’énergie.

Le modèle Icaro 1.5 est construit d’une tôle de dimension 2,44 x 1,22 m. Les

séchoirs type Icaro ont étés étudiés de façon à pouvoir être réalisés en Afrique

par des artisans en tenant compte des matières d’œuvre disponibles

localement, et même d’une technique de construction adaptée à des ateliers de

menuiserie métallique moyennement équipés figure I.8.

Figure I.8 : Modèle ICARO I.5, juillet 2012

Les produits séchés par ce type de séchoir sont de nature agroalimentaire

(viande, herbes médicinales, fruit et légumes).


24

Le séchoir Icaro satisfait un certains nombre de conditions pour garantir un

séchage optimal :

Séchage à l’abri du soleil pour avoir une couleur du produit plus

brillante et plus semblable à celle du produit frais et un contenu

vitaminique important;

Ventilation forcée pour avoir de très bonnes chances de succès de

séchage en ayant une importante capacité d’expulsion de l’humidité ;

autosuffisance énergétique complète ;

Absence de verre à raison de son coût et de sa fragilité. Des surfaces

réfléchissantes ont été adoptées pour atteindre les températures voulues

et un séchage correct ;

Possibilité de déplacer l’unité vers les lieux de production et de les

utiliser sur place afin d’éviter aussi une perte de produit due à la chaleur

lors du transport.

Simplicité de réalisation;

Simplicité d’utilisation;

Bonne capacité de séchage;

Prix modéré

IV. VARIABLES D’ETAT PERTINENTS INFLUANT LE SECHAGE SOLAIRE

Le séchage solaire obéit à des échanges énergétiques et thermiques entre le

produit et le milieu extérieur. La prise en considération de ces paramètres

permet de réaliser des modèles décrivant d’une manière précise le

comportement des séchoirs solaires et l’évolution de l’eau dans le produit à

sécher (Sanchez D.L., 2008). Ces variables sont :

IV.1 La température

Cette variable est représentée par trois grandeurs : la température sèche, la

température humide et la température de rosée. La température sèche

correspond, à la température de l’air. Lors du séchage du produit tel que le

bois, l’évaporation de l’eau absorbe de la chaleur en provoquant un

refroidissement de l’air. Nous trouvons alors le concept de la température

humide correspondant à la température d’évaporation de l’eau en surface en

première phase de séchage. Une autre grandeur importante lors de l’étude de

l’air humide est la température de rosée. Elle correspond à la température pour

laquelle, la vapeur d’eau contenue dans l’air se condense sur des surfaces plus

froides.

La température de l’air de séchage est la température sèche. Elle suit une

oscillation diurne, et son amplitude varie d’un lieu à un autre en fonction des


25

saisons : elle est plus grande pour les régions continentales que côtières, elle

diminue avec la latitude et croît dans le cas d’un ciel très couvert.

La température de l’air influe considérablement la vitesse de séchage. Cette

influence est due à l’apport de chaleur au produit qui croit avec la température

de l'air. Elle est aussi due à la température du produit qui est d’autant plus

importante que la température de l’air est élevée. Par conséquent, les vitesses

de diffusion de l’eau dans le produit augmentent avec la température.

IV.2 L’humidité de l’air

Cette variable d’état représente le rapport entre la pression partielle Pv et la

pression de vapeur saturante, Pv-sat. L’humidité relative de l’air a une valeur

de 100 % lorsque l’air est saturé.

A la différence de l’humidité relative, l’humidité absolue correspond à la masse

de vapeur d’eau contenue par 1 kg d’air sec, elle est exprimée alors en kg de

vapeur d’eau par kg d’air sec.

Au cours du processus de séchage, il est fondamental de pouvoir quantifier

l’humidité contenue dans l’air à l’intérieur du séchoir solaire, de suivre son

évolution et de savoir réguler son niveau.

La teneur en eau de l’air joue un rôle important dans le comportement des

cinétiques de séchage des produits à sécher. De même que pour la vitesse de

l’air, cette influence est plus importante au début de séchage et diminue

lorsque la température de l’air augmente.

En effet, des expériences montrent que l’humidité circule d’une région humide

vers une région sèche perpendiculairement aux surfaces d’égal degré

d’humidité.

Comme exemple du bois humide à sécher, le gradient de température s’oppose

au gradient d’humidité. Au cœur du bois, l’humidité est plus élevée qu’à la

surface, tandis que la température est plus élevée à la superficie qu’au niveau

du cœur.

En partant de ces données, le séchage sera accéléré si le centre du bois est

plus chaud et plus humide que la périphérie (Villiere A., 1966).

IV.3 La pression

Comme nous l’avons signalé, l’air humide est constitué d’un mélange d’air sec

et de la vapeur d’eau. La pression du mélange de l’air humide n’est que la

somme de la pression partielle de l’air sec Pa et de la pression partielle de

vapeur d’eau Pv. Lorsque l’air contient une quantité maximale de vapeur d’eau

à une température donnée, nous utilisons la pression de vapeur saturante, Pv-

sat. La vapeur proche de la surface de séchage du produit est à la pression de

vapeur saturante à la température de surface (en première phase de séchage).


26

La différence entre ces deux pressions est l’un des termes moteurs favorisant

l’évaporation de l’eau du produit que l’on appelle pouvoir évaporatoire.

IV.4 La vitesse de l’air

La vitesse de l’air est caractérisée par le déplacement d’une masse d’air,

déplacement qui est produit par la force du gradient de pression (hautes

pressions vers les basses pressions).

Pour des valeurs constantes de la température et de l’humidité relative, le

séchage est accéléré en augmentant la vitesse de l'air à la surface du produit à

sécher. Une vitesse de l'air faible est la cause d’une évaporation faible. En effet,

s'il n’y a pas de mouvement autour du produit, il se créera une couche d’air

saturé qui arrêtera l'échange d'humidité du produit vers l'air (Bekkioui N.,

2009).

Généralement, au début de l’opération de séchage, la vitesse de l’air agit très

positivement lorsqu'il s’agit d’éliminer l’eau libre, alors que durant la dernière

phase de séchage la vitesse de l'air a une faible influence. D'où l'intérêt d'avoir

dans certains cas des ventilateurs à vitesse variable, avec possibilité de vitesse

élevée au début de séchage et une vitesse plus faible vers la fin de séchage, ce

qui entraîne une économie d'énergie avec une efficacité du séchage.

V. EXEMPLES DES CARACTERISTIQUES THERMIQUES DES SECHOIRS

SOLAIRES

Un séchoir solaire efficace est un séchoir qui permet un séchage rapide sans

dégradation des produits à sécher. Ce genre de séchoirs, dépend des conditions

météorologiques qui influent en conséquence, sur les variables à l’intérieur des

séchoirs (températures et humidités) qui sont capables d’optimiser les critères

d’appréciation du séchage. Le choix du produit à sécher doit en conséquence

être adapté pour être séché dans les séchoirs représentant les meilleures

conditions.

Un air contenant une certaine quantité d'eau, à basse température, aura,

lorsqu'il sera chauffé, une plus grande capacité de rétention d’eau. Le tableau

ci-dessous donne l'exemple d'un air à 29°C avec une humidité relative de 90 %.

Cet air, lorsqu'il sera chauffé à 50°C, aura alors une humidité de seulement 15

%. Cela signifie qu'au lieu d'être capable d'absorber seulement 0,6 g d'eau

supplémentaire par kilogramme (à 29°C), il est capable d'absorber 24 g par

kilogramme à (50°C). Sa capacité d'absorption d'humidité a donc été

augmentée, parce qu'il a été chauffé (tableau I.5).


27

Température de l'air

en °C

Humidité

Relative en %

Quantité d'eau en gramme par kg

d’air sec nécessaire pour obtenir une humidité relative

de 100 %

29 90 0.6 30 50 7.0 40 28 14.5 50 15 24.0

Tableau I.5 : Humidité absolue en fonction de la température et de l’humidité relative (séchage solaire, pratical action).

V.1 Cas de séchage des produits agroalimentaires

Dans le cas des produits alimentaires, lorsqu'ils sont placés dans un courant

d'air chauffé, ils perdent d'abord l'humidité de leur surface. Comme le séchage

se poursuit, l'humidité contenue à l'intérieur de la matière alimentaire

s'évapore ensuite, en commençant par les zones les plus proches de la surface

extérieure. La capacité de déshumidification devient de plus en plus complexe

au fur et à mesure qu'elle s'approche du cœur de la matière et qu'elle s'éloigne

de sa surface. À terme, il est possible de ne plus être en capacité de supprimer

plus d'humidité, et l'aliment est alors en équilibre avec l'air de séchage.

La meilleure condition, pour le séchage des cultures dans une courte durée, est

possible lorsque l'air est sec et chaud. Si l'air est chaud, alors, une plus petite

quantité d'air est nécessaire. La température de cet air dépendra

principalement de la température de l'air ambiant, mais également de la

quantité de rayonnement solaire directement reçu par l'aliment à sécher

(Swetman T., 2007).

V.2 Cas de séchage du bois

Pour le cas du bois comme produit (Joly P., 1980), certains types d’essences

présentent la faculté de sécher plus vite que d’autres. Ainsi, les résineux et les

bois tendres comme l’hêtre sèchent plus vite que les bois durs comme par

exemple le chêne et le Kotibé. Le tableau I.6 présente différents types de bois

avec différentes épaisseurs et différentes humidités initiales dans les deux cas

du séchage par séchoir solaire et du séchage à l’air libre. Le séchage solaire

permet de réduire considérablement la durée du séchage pour l’ensemble des

essences (Khadouri A., 1986).


28

Auteur Essence Epaisseur (en mm)

Séchage solaire Séchage à l’air libre

Hi %

Hf %

Temps (jours)

Hi %

Hf %

Temps (jours)

Chen Yellow Poplar 27 106 15 27 105 15 168 Gough Cypress pine 25 39 12 36 39 16 54

Read E.delegatensis 25 100 15 20 100 42 20

Simpson Acer platonoîde

29 67 8 26 67 20 40

Steinman Pinus radiata 25 93 12 16 93 23 16

Tableau I.6 : Temps de séchage dans les séchoirs et à l’air libre en fonction des

essences.

Chapitre 2 : Caractéristiques Climatiques de la Région de Rabat

29

Chapitre 2 : Caractéristiques

Climatiques de la Région de Rabat

I. INTRODUCTION

Les caractéristiques climatiques de la région où le séchoir solaire sera installé,

contribuent d’une manière considérable sur son performance. En effet la

maîtrise de l’évolution et de la variabilité des paramètres météorologiques du

site permettront d’avoir une vue globale et claire sur les périodes optimales du

séchage.

Le climat exprime la combinaison de ses éléments consécutifs (Précipitations,

Températures, Humidité, Vent, Pression, Ensoleillement, etc.). La connaissance

du climat implique la capacité à décrire les conditions moyennes des

paramètres météorologiques, mais aussi des occurrences de phénomènes

comme les vagues de chaleur et de froid, les sécheresses, les pluies intenses,

les orages etc., ainsi que les paramètres statistiques caractérisant les écarts

aux conditions moyennes. De ce fait, le climat est décrit à l'aide de la normale

(moyennes sur trente années de données), des écarts, des événements

extrêmes. Cette description conditionne le comportement et les décisions des

individus et des groupes sociaux vu que l’information climatologique prend une

place accrue dans les décisions individuelles ou collectives qui régissent la vie.

La variabilité et le changement climatique qui ont affecté le temps et le climat

durant ces dernières années deviennent de plus en plus remarquables par la

fréquence des événements extrêmes et le changement des conditions

météorologiques observés du climat, surtout pour les paramètres liés aux

températures et aux précipitations qui ont un impact direct sur les secteurs

socioéconomiques. C’est pourquoi une analyse climatique intégrant toutes les

informations statistiques passées et futures permet d’appréhender et

d’identifier les caractéristiques climatiques de la région (Kabidi k. et al. 2011)

and (Kabidi K. et al. 2012).

II. CARACTERE GENERAL DU CLIMAT

En plus des grands centres d’action de l’atmosphère liés à la circulation

générale, le climat dépend des caractéristiques géographiques.


30

La géographie du Maroc se caractérise par trois composantes: les chaînes

montagneuses, l’extension latitudinale assez importante et une grande

ouverture sur la Méditerranée et l’Atlantique. Chacune de ces trois

composantes a une empreinte sur le climat. La barrière de l’Atlas, d’une

hauteur moyenne de trois mille mètres, rend les précipitations moins

fréquentes et moins importantes sur l’Est du pays que sur l’Ouest et plus

intenses sur les hauteurs que sur les plaines. Ensuite, l’extension latitudinale

diversifie le climat avec un Nord tempéré à semi-aride et un Sud chaud et aride

à désertique. Enfin, les côtes méditerranéennes et atlantiques agissent sur

leurs voisinages dans le sens de l’humidification et la modération de la

température.

Sur le plan météorologique, le Maroc se situe au niveau de la zone de

subsidence subtropicale. Son climat est régulé par la conjugaison de deux

centres d’action principaux : l’anticyclone des Acores et la dépression

Saharienne. Lorsque le premier se retire en hiver vers le Sud-Ouest, des

perturbations intéressent le Maroc pour des périodes plus ou moins longues

avec des intensités variables. En été, l’anticyclone des Açores se déplace vers

des latitudes plus élevées et rejette les perturbations au Nord de la 45ème

parallèle, seules des précipitations à caractère orageux intéressent parfois des

localités du Royaume se situant généralement en montagnes ou dans leurs

voisinages. Ces précipitions sont en général en liaison avec le déplacement vers

le Nord du second centre d’action qui transporte chaleur et humidité.

L'ascendance orographique achève de mettre en place les conditions favorables

au développement d’instabilités convectives qui donnent lieu localement à des

précipitations.

La région de Rabat située sur la partie Nord Ouest du Maroc, avec une vue sur

l’océan atlantique, subit également l’influence de ces deux centres d’actions sur

son comportement et conditions climatiques. De part sa position géographique,

la région de Rabat est soumise aux influences océaniques engendrant ainsi un

climat tempéré exposé aux perturbations issues du Nord et du Nord-Ouest du

pays.

III. DONNEES DE L’ETUDE

Les types de données utilisées pour l’élaboration de cette étude sont composés

des paramètres suivants: précipitation, température, humidité, vent, insolation

et les phénomènes météorologiques qui sont les plus significatifs pour la

région. La fréquence des données est horaire ; un contrôle qualité


31

spatiotemporelle pour garantir leur cohérence, leur fiabilité et les rendre prêtes

pour l’exploitation.

L’étude s’est effectuée pour la période disponible de données allant de 1960 à

2012 et s’est basée sur les différents types de traitement statistique.

IV. CLASSIFICATION DU CLIMAT A LA REGION DE RABAT PAR L’INDICE

DE KOPPEN

La détermination du climat s’est effectuée à l'aide de moyennes établies à partir

de mesures statistiques annuelles et mensuelles sur des données

météorologiques : température, précipitation, ensoleillement, humidité, vitesse

du vent. Sont également pris en compte leur récurrence ainsi que les

phénomènes exceptionnels.

Il existe plusieurs systèmes de classification des climats; certains se réfèrent

aux latitudes, d'autres prennent en considération les vents dominants, la

pluviométrie, la température et l'altitude. L'un d'eux réparti les climats en

cinq grandes familles (tropicale, subtropicale, tempérée, steppique et polaire),

auxquelles il faut ajouter le climat de montagne, qui dépend de l'altitude. La

grande variété des types de climats et le nombre de facteurs intervenant dans

leur définition rendent toute tentative de classification nécessairement

imparfaite. Une des plus connue est la classification de Köppen (Hufty A.,

2001).

IV.1 Indice de Köppen

La classification est basée uniquement sur les paramètres de précipitations et

de températures. Un climat est ainsi repéré par un code de deux ou trois

lettres (voir Tableau II.1, Tableau II.2 et Tableau II.3):


32

Type du climat : première lettre

Code Type Description

A Climat tropical 1. Température moyenne de chaque mois de l'année > 18 °C

2. Pas de saison hivernale 3. Fortes précipitations annuelles (supérieure à

l'évaporation annuelle) B Climat sec Evaporation annuelle supérieure aux précipitations

annuelles. Ce seuil est calculé de la manière suivante :

Si moins de 30 % des précipitations tombent en été (avril à septembre dans l'hémisphère nord) : Précipitations annuelles moyennes (mm) < 20 x température annuelle moyenne (°C)

Si plus de 70 % des précipitations tombent en été : Précipitations annuelles moyennes (mm) < 20 x température annuelle moyenne + 280

Autrement : Précipitations annuelles moyennes (mm) < 20 x températures annuelle moyenne + 140

C Climat tempéré 1. Températures moyennes des 3 mois les plus

froids comprises entre 0 °C et 18 °C 2. Température moyenne du mois le plus chaud >

10 °C 3. Les saisons été et hiver sont bien définies

D Climat continental

1. Température moyenne du mois le plus froid < 0 °C

2. Température moyenne du mois le plus chaud > 10 °C

3. Les saisons été et hiver sont bien définies E Climat polaire 1. Température moyenne du mois le plus chaud <

10 °C 2. La saison d'été est très peu marquée

Tableau II.1 : Classification selon le type du climat

Régime pluviométrique : deuxième lettre

Code Description S’applique à

S 1. Climat de steppe 2. Précipitations annuelles comprises entre 50 et 100 % du seuil calculé.

B

W 1. Climat désertique

2. Précipitations annuelles < 50 % du seuil calculé. B

W Saison sèche en hiver 1. Pour A : climat de la savane, P du mois le plus

sec < 60 mm et < [100 – (précipitations annuelles

C-D


33

moyennes)/25]

2. pour C et D : P du mois hivernal le plus sec < 1/10 du mois le plus humide.

S Saison sèche en été (climat méditerranéen, P du mois estival le plus sec < 40 mm et < 1/3 du mois hivernal le plus humide).

A-C-D

F Climat humide, précipitations tous les mois de l'année :

1. Pour A : climat de la forêt tropicale, P du

mois le plus sec > 60 mm

Pour C et D : pas de saison sèche, ni « w » ni « s »

A-C-D

M 1. Climat de mousson : 2. P du mois le plus sec < 60 mm et > [100 –

(précipitations annuelles moyennes)/25] 3. Précipitations du mois le plus sec < 60 mm

A

T 1. Température moyenne du mois le plus chaud comprise entre 0 °C et 10 °C

E

F 1. Température moyenne du mois le plus chaud < 0 °C

E

M 1. Précipitations abondantes 2. Hiver doux (Température moyenne du mois le plus

froid > -10 °C)

E

Tableau II.2 : Classification selon le régime pluviométrique

Variation de température : Troisième lettre

Pour affiner les types B, C et D, une troisième lettre précise l'amplitude du

cycle annuel des températures :

Code Description S’applique à

a : été chaud 1. Température moyenne du mois le plus chaud > 22 °C

C-D

b : été tempéré 1. Température moyenne du mois le plus chaud ≤ 22 °C

2. Températures moyennes des 4 mois les plus chauds > 10 °C

C-D

c : été court et frais

1. Température moyenne du mois le plus chaud < 22 °C

2. Températures moyennes mensuelles > 10 °C pour moins de 4 mois

3. Température moyenne du mois le plus froid > -38 °C

C-D

d : hiver très froid 1. Température moyenne du mois le plus froid < -38 °C

D

h : sec et chaud 1. Température moyenne annuelle > 18 °C B K : sec et froid 2. Température moyenne annuelle < 18 °C B

Tableau II.3 : Classification selon la variation de la température


34

IV.2 Cas de la Région de Rabat

La classification de Koppën place le climat de la région dans la classe de type

Csa : Climat tempéré chaud avec été sec et chaud, et la ville de Rabat

représente le sous groupe du climat méditerranéen « climat méditerranéen à

influence océanique » :

Le climat méditerranéen à influence océanique se caractérise avec

des hivers doux et humides influencés par la proximité de l’océan

atlantique où l’on trouve les courants chauds. La saison d’été quant à

elle est sèche et chaude. Ce climat est marqué par une faible

amplitude thermique et le total moyen annuel des précipitations est

de 512 mm à Rabat Salé.

La ville de Rabat fait partie de la région nord ouest du Maroc ; les

figures II.1 et II.2 représentent le comportement des paramètres

température et précipitations pour la partie Nord Ouest du royaume.

La région de Rabat a comme normale annuelle des températures voisines de

18 °C et des précipitations de l’ordre de 500 mm.

Figure II.1 : Normale annuelle pour la période 1981-2010 de la

température moyenne de la région Nord ouest du Maroc en °C.

Figure II.2 : Normale annuelle pour la période 1981-2010 des précipitations à la région du Nord ouest du Maroc en

mm.


35

V. CARACTERISATION DU CLIMAT DE LA REGION NORD OUEST DU

MAROC PAR DES INDICES BIOCLIMATIQUE

V.1 Introduction

Les indices bioclimatiques permettant de caractériser d’une manière la plus

simplifiée possible le degré de sécheresse ou d’aridité d’un lieu ou d’un climat.

Plusieurs indices ont été élaborés en combinant généralement des données de

précipitations (P) et un estimateur de l’évaporant (E) de l’atmosphère. En

l’absence de données précises sur l’évaporation (E) ou encore sur le déficit de

saturation de l’air, c’est la température (T) qui est la plus fréquemment utilisée.

Ces indices masquent la fréquence et l’intensité des phénomènes extrêmes et

ils prennent en comptes les moyennes ou les sommes mensuelles ou annuelles

des valeurs de P et T.

V.2 Indice d’aridité de De Martonne (Beltrando et Chemery, 1995)

De Martonne (1926) a défini l’aridité du climat à l’échelle annuelle par le

quotient :

I = P / (T + 10) (Eq.II-1)

Avec

I : Indice de Martonne ;

P : Hauteur annuelle des précipitations en mm ;

T : Température moyenne annuelle en degrés Celsius.

L’aridité augmente quand la valeur de l’indice diminue. Au niveau mondial, De

Martonne a proposé cinq grands types de macroclimats allant des zones

désertiques arides (des valeurs d’indices I inférieures à 5) aux zones humides à

forêt prépondérante (pour des valeurs d’indices supérieures à 40), (Tableau

II.4) :

Classe Type du climat Indice

1 Climat hyper aride ou désertique I<5 2 Climat aride 5≤I<10 3 Climat semi aride 10≤I<20 4 Climat sub-humide à humide 20≤I<40

5 Climat humide à forêt prépondérante I≥40

Tableau II.4 : Classes climatiques selon l’indice de De Martonne.

Pour connaître l’évolution du climat selon des périodes significatives, nous

avons calculé l’indice de De Martonne pour trois périodes (Tableau II.5) :


36

Région Indice

1961-1980

Indice

1981-2000

Indice

2001-2012

Indice

1961-2012

Rabat 22,1 17,2 20,1 19 ,8

Tableau II.5 : Evolution de l’Indice de De Martonne selon trois périodes.

Le tableau montre les tendances du climat de la région de Rabat selon l’indice

de De Martonne calculé pour différentes périodes. La région de Rabat a connu

un climat Sub-Humide durant la période 1961-1980 avec 22.1 comme valeur

de l’indice I pour descendre à 17.2 au cours de la période 1981-2000. Le climat

semi-aride qu’a connu la région durant cette deuxième période a été fortement

influencé par les sécheresses survenues au Maroc dans les années 80.

La valeur de l’indice 20.1 a reclassé la région de Rabat dans un climat Sub-

Humide durant la décennie 2001-2012. Cette légère augmentation de l’indice

est expliquée par les années pluvieuses que le Maroc a connues depuis l’année

2009.

En calculant l’indice de De Martonne pour la période 1961-2012 (52 ans),

nous constatons que le climat a un caractère semi aride avec une valeur

d’indice égale à 19,8 très proche du caractère sub-humide et une tendance

négative de l’ordre de – 0,07 sur toute la période.

V.3 Quotient pluviométrique d’Emberger

L’indice d’Emberger (Emberger, 1955) prend en considération les précipitations

annuelles P, la moyenne des maxima de température du mois le plus chaud (M

en °C) et la moyenne des minima de température du mois le plus froid (m en

°C). Il est particulièrement adapté aux régions méditerranéennes dans

lesquelles il permet de distinguer différents étages climatiques. Dans ces

régions, Emberger a remarqué que l’amplitude thermique (M – m) est un facteur

déterminant pour la répartition des végétaux. En effet, à température moyenne

égale, l’évaporation est d’autant plus grande que l’amplitude thermique est

élevée. Un climat méditerranéen est d’autant plus sec que le quotient est petit.

L’indice d’Emberger Q est donné par la relation :

Q= 1000*P/ ({M+m)/2}*{M-m}) (Eq.II-2)

La distinction des étages climatiques se fait en fonction des valeurs de Q

(tableau II.6) :


37

Classe Type du climat Indice Q

1 climat saharien 0<Q <10

2 climat aride 10≤ Q <35

3 climat semi-aride 35≤ Q <65

4 climat sub-humide 65≤ Q <130

5 Climat humide 130≤ Q <200

6 climat hyper humide Q≥200

Tableau II.6 : Classification selon l’indice de d’Emberger.

La région de Rabat est classée selon l’indice de Emberger dans un climat sub

humide pour les différentes périodes mentionnées pour l’indice de DE

Martonne et pour toute la période allant de 1961 à 2012 (Q=94).

La figure II.3 représente l’évolution du type du climat selon l’indice d’Emberger

pour les différentes stations météorologiques du réseau synoptique de la région

Météorologique du Nord. Nous constatons que la région de Rabat selon les trois

périodes se trouve toujours dans un climat sub-humide mais, comme pour

l’indice de D’Emberger, ce caractère change d’intensité pour être fortement

sub-humide pour la période du 1961-1980 (Q=108), une tendance pour un

caractère semi-aride durant la période du 1981 au 2001 (Q=83) et un retour

vers un caractère sub-humide au cours de la dernière décennie (Q=93).

Figure II.3 : Quotient d’Emberger durant les périodes 1961-2000, 1981-2000, 2001-2012.


38

D’après la figure II.3, on note que la région a connu une migration bien

marquée vers une aridité du climat vers les années 80, cette période s’est

caractérisée par une désertification et une sécheresse très accentuées sur tout

le Maroc. Une augmentation du quotient d’Emberger suivie par une tendance

vers un climat plus humide a eu lieu surtout après l’année 2008. Cette

augmentation est expliquée par une amplitude thermique plus large

(augmentation des extrêmes maximales et diminution des extrêmes minimales)

et des quantités de précipitations très importantes.

V.4 Diagramme Ombrothermique

Le diagramme Ombrothermique présente conjointement les données relatives

aux précipitations et à la température pour une région donnée (Belayew D.,

2004). Un mois est considéré sec lorsque la courbe des températures (T °C) est

supérieure à celles des précipitations (P=2xT). La partie d’intersection des deux

courbes traduit à la fois la durée et l’intensité de la sécheresse. De tels

diagrammes établis à partir des moyennes permettent de donner une valeur

indicatrice du régime climatique et du nombre de mois secs (figure II.4).

Figure II.4 : Diagramme Ombrothermique de la région de Rabat pour les périodes

a) :1961-1980, b) : 1981-2000, c) : 2001-2012 et d) : 1961-2012.

0

10

20

30

40

50

60

70

0

20

40

60

80

100

120

140

Tem

pé

ratu

re

Pré

cip

itat

ion

Diagramme ombrothermique de Rabat Salé pour la période 1961-1980

Précipitationa

0

10

20

30

40

50

60

70

0

20

40

60

80

100

120

140

Tem

pé

ratu

re

Pré

cip

itat

ion

Diagramme ombrothermique de la station de Rabat Salé pour la période 1981-2000

Précipitationb

0

10

20

30

40

50

60

70

0

20

40

60

80

100

120

140

Jan

vie

r

Févr

ier

Mar

s

Avr

il

Mai

Juin

Juill

et

Ao

ût

Septem…

Oct

ob

re

Nove

mb…

Dé

cem

bre

Tem

pé

ratu

re

Pré

cip

itat

ion

Daigramme ombrothermique de la station de Rabat Salé pour la période 2001-2012

Précipitationc

0

10

20

30

40

50

60

70

0

20

40

60

80

100

120

140

jan

vie

r

févr

ier

mar

s

avri

l

mai

juin

juill

et

aoû

t

septemb…

oct

ob

re

no

vem

bre

déc

emb

re

Tem

pé

ratu

re

Pré

cip

itat

ion

Daigramme ombrothermique de la station de Rabat Salé pour la période 1961-2012

Précipitation d


39

L’altitude et la position géographique du lieu influe fortement la durée de la

saison sèche. En général, la région de Rabat connaît une saison qui s’étend sur

5 mois et demi; du mois de mai jusqu’à la moitié du mois de septembre.

L’analyse de la figure II.4 est en parfaite concordance avec les autres indices.

Nous remarquons un allongement et une accentuation de la période sèche plus

importante pour la période de 1981 à 2000. La saison sèche débute bien

précocement au mois d’avril et se termine tardivement le mois d’octobre.

VI. ANALYSE DES PARAMETRES METEOROLOGIQUES DE RABAT (Période

de référence 1981-2010)

Comme ça était conclu aux paragraphes précédents, la région de Rabat vu sa

proximité de l’océan atlantique, est sous l’influence d’un climat maritime assez

pluvieux, caractérisé par la douceur de ses températures. En effet, l’hiver à

cette région connaît des précipitations dues principalement au passage des

perturbations atlantiques issues généralement du Nord Ouest. Quant à l’été, la

région subit l’influence des remontées de la dépression thermique saharienne.

Nous allons traiter le comportement des différents paramètres météorologiques

(précipitations, températures, humidité, vent, insolation, phénomènes

intéressants plus la région). Les données qui ont servi pour l’étude

climatologique de la région de Rabat sont celles recueillies à la station

météorologique de Rabat depuis l’année 1961 à 2012. Les normales

climatologiques sont calculées pour la période 1981-2010. Toutes les normales

calculées sur cette période sont définies par la convention internationale

comme étant les normales actuelles sur trente ans.

VI.1 Aspect pluviométrique

La normale annuelle des trois dernières décennies des précipitations à la région

de Rabat est de 512.4 mm. Néanmoins, cette quantité est répartie d’une

manière irrégulière durant l’année, le mois le plus arrosé est le mois de

décembre avec une normale mensuelle de 96 mm alors que le mois le moins

arrosé est celui de juillet avec une normale mensuelle de 0,4 mm. On note

aussi que la quantité pluviométrique maximale recueillie en 24h est de 151.3

mm enregistrée le 08/04/1959.


40

Figure II.5 : Normale mensuelle des précipitations et records battus en 24 heures.

La figure II.5 illustre l’évolution des normales mensuelles des précipitations et

la hauteur maximale enregistrée en 24 heures. La saison sèche s’étale du mois

de juin au mois de septembre, elle ne représente que 4% des quantités

annuelles recueillies. Les mois de novembre, décembre et janvier sont les mois

les plus arrosés de l’année avec un pourcentage de 52%.

La région de Rabat connaît un régime pluviométrique annuel très variable. Les

années les plus pluvieuses sont les années 1996 et 2010 avec un excédent de

127% et 81% respectivement. La période des années 80 marque un maximum

de sécheresse avec des déficits pluviométriques qui excèdent 44% en 1981

(voir figure II.6).

Figure II.6 : Année excédentaire et déficitaire par rapport à la normale en pourcentage.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Pré

cip

itat

ion

en

mm

La normale climatologique mensuelle des précipitations de Rabat (1981-2010) et la hauteur maximale des précipitations receuillies en 24H

RtMOY

RRmax24H

-100%

-50%

0%

50%

100%

150%

19

61

19

63

19

65

19

67

19

69

19

71

19

73

19

75

19

77

19

79

19

81

19

83

19

85

19

87

19

89

19

91

19

93

19

95

19

97

19

99

20

01

20

03

20

05

20

07

20

09

20

11Ec

art

en

%

Année

Ecart des précipitations annuelles à la normale en % (période de réference 1981-2010)

ecart en %


41

VI.2 Aspect Thermique

En général, les températures subissent peu de variabilité en comparaison aux

précipitations. Elles sont douces en hiver et peu chaudes en été. Ceci est dû

principalement aux effets de brises et à l’océan atlantique qui contribuent à

équilibrer les températures.

Ainsi, les normales mensuelles des températures varient entre 12 °C

enregistrée le mois de janvier et 22,6°C durant le mois d’août. La normale

mensuelle des températures maximales atteint 26.8 °C en août alors que la

normale mensuelle des températures minimales atteint comme valeur

minimale 7,3 °C le mois de janvier.

La température minimale absolue de cette région TnAbs est -3.2 °C

enregistrée le 28/01/2005.

La température maximale absolue de cette région TxAbs est 47,3°C

enregistrée le 19/07/1967.

La figure II.7 décrit l’évolution des températures mensuelles pour la région de

Rabat.

Figure II.7: Températures maximales et minimales moyennes et absolues mensuelles à

Rabat.

VI.3 Vent

La figure II.8 représente la distribution de la dominance du vent pour la région

de Rabat pour les cinq dernières années (2009-2013), les conclusions tirées

sont les suivantes:

Le vent annuel : la direction nord totalise un maximum de 10,3% dont

67% des vents modérés. En deuxième position vient la direction sud

et la direction sud est avec respectivement 8,3% et 8,2%. Quant aux

vents forts, ils se produisent principalement dans le secteur Sud

Ouest avec un pourcentage de 40%.

-10

0

10

20

30

40

50

Tem

p e

n °

C

Normales climatologiques mensuelles (1981-2010) et records des Températures (1961-2012) à la région de Rabat

TxAbs

TnAbs

TnMOY

TMOY

TxMOY


42

Le vent en saison d’Automne : la prédominance des vents est de

secteur Sud qui totalise plus de 11% des vents dont 47% des vents

forts soufflent du secteur Sud Ouest.

Le vent en saison d’Hiver : les vents de direction Sud et Sud Est

présentent une prédominance respective de 11.5% et 11.1% dont plus

de 42% des vents forts soufflent de Sud Ouest.

Le vent en saison de Printemps : les vents prédominent dans le

secteur nord qui totalise 13.3% des vents dont 76% sont des vents

modérés à assez fort. Les vents forts sont présents d’une façon

atténuée durant cette saison avec un pourcentage ne dépassant pas

les 0.5%.

Le vent en saison d’été : les vents prédominant sont des vents de nord

qui totalise 13.3% des vents dont 74% sont des vents modérés à assez

fort. 35 % des vents forts soufflent de la direction Ouest.

a) : annuelle


43

b) : Automne c) : Hiver

d) : Printemps e) : Eté

Figure II.8 : a) Rose du vent annuelle, b) Rose du vent automne, c) Rose du vent hiver, d) Rose du vent printemps, e) Rose du vent été pour la période du 2009 à 2013.

Les mois de Novembre, Décembre sont les mois les plus exposés à des vitesses

du vent maximales. Les records les plus élevés du vent sont enregistrés durant

l’hiver et l’automne avec un maximum de 119 km/h le 19 décembre 1973, voir

figure II.9.

Pour voir la durée des vents forts qui dépassent 16 m/s, nous avons calculé la

moyenne du nombre de jours mensuels pour la période 1981-2012 (figure

II.10). Nous constatons que le vent fort dure approximativement 4 jours plus

les mois de décembre et de janvier de l’année sachant qu’en moyenne le

nombre de jours avec vent fort est de l’ordre de 10 jours.

Figure II.9 : Records absolus du vent, période de référence 1961-2012.

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

35,0

Vit

ess

e e

n m

/s

Date

Records mensuels de la vitesse du vent en m/s

Vxa


44

Figure II.10 : Nombre de jours avec vitesse du vent supérieur à 16 m/s, période de

référence 1981-2010.

VI.4 Durée d’insolation

La normale annuelle de la durée d’insolation à la région de Rabat est de 3059,1

heures, ce qui correspond à un ensoleillement moyen de l’ordre de 08h29mn

par jour (Kabidi K. et al., 2013). La répartition de la normale mensuelle de la

durée d’insolation suit le cycle saisonnier de la région, ainsi le mois de juillet

représente le mois le plus ensoleillé avec une moyenne mensuelle de 305,9

heures alors que le mois le moins ensoleillé est le mois de décembre avec une

durée de 187,7 heures (voir figure II.11).

Figure II.11 : Moyenne mensuelle de l’insolation en heures.

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

no

mb

re d

e jo

urs

Mois

Nombre de jours avec la vitesse du vent > 16 m/s

FF>16

0,0

50,0

100,0

150,0

200,0

250,0

300,0

350,0

Inso

lati

on

en

he

ure

s

Mois

Insolation moyenne mensuelle en heures à la région de Rabat

InsMOY


45

VI.5 Humidité

La figure II.12 illustre l’évolution de la moyenne mensuelle de l’humidité

maximale et minimale sur les trente années. On constate que l’écart maximal

entre l’humidité moyenne maximale et minimale est de l’ordre de 39%. Le

maximum noté est 95,6 % le mois de février et le minimum noté est 55 ,1% le

mois d’avril.

Figure II.12 : Moyenne mensuelle de l’humidité maximale et minimale à la région de Rabat.

VI.6 Phénomènes météorologiques fréquents

Parmi les phénomènes les plus fréquents que connaît la région de Rabat, nous

trouvons le brouillard avec une normale annuelle de 37,9 jours avec un

maximum le mois de février de 4,6 jours. Le maximum annuel est de 60 jours

enregistré pendant l’année 2000. La saison d’automne est dominée par un

brouillard de refroidissement alors que la saison de printemps, elle est connue

par un brouillard d’évaporation. La rosée est un phénomène plus apparent que

le brouillard à la région de Rabat avec une normale annuelle de 63 jours et un

maximum mensuel de 9.3 jours le mois de décembre. Le maximum annuel noté

durant les trente dernières années est de 175 jours de rosée, (voir figure II.13).

Quant à la manifestation orageuse, elle est moins fréquente que la rosée et le

brouillard. On note qu’elle atteint une normale annuelle de 13,4 jours et une

normale mensuelle maximale de 1,7 jours le mois de décembre. On note aussi

la présence du chergui dans cette région avec une moyenne annuelle de 37,9

jours (voir figure II.14).

0,0

20,0

40,0

60,0

80,0

100,0

120,0

Hu

mid

ité

en

%

Mois

Humdité maximale et minimale moyenne mensuelle (période de référence 1981-2012)

HnMOY

HMOY

HxMOY


46

Figure II.13 : Moyenne mensuelle en nombre de jours des phénomènes

météorologiques les plus importants pour la région du Rabat.

Figure II.14 : Moyenne annuelle en nombre de jours des phénomènes météorologiques à la région du Rabat.

Il se confirme de ce qui précède que la région de Rabat est sous un climat

méditerranéen à influence océanique, avec des hivers doux et humides et des

étés relativement tempérés bien que secs. Elle est fortement soumise aux

perturbations océaniques venant de l’atlantique pendant la période pluvieuse

qui commence en octobre et qui se prolonge jusqu'au mois d’avril. Le cumul

pluviométrique annuel est de 512,4 mm avec 28,5 jours en moyenne pour des

quantités de précipitations supérieurs à 5 mm. La rosée et le brouillard sont

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

janv févr mars avr mai juin juil août sept oct nov déc

No

mb

re d

e jo

urs

Mois

Phénomène météorologiques à la région de Rabat en nombre de jours,

période de référence 1981-2010

Brouillard

Orage

Chergui

Rosée

63

26,2

13,4

37,9

0,4

224,1

Rosée

Chegui

Orage

Brouillard

Grêle

Autres


47

des phénomènes les plus fréquents. L’été est sec et la brise de l’océan

atlantique modère les températures de manière à les rafraîchir. Les

températures moyennes mensuelles varient de 12 °C en hiver (janvier) à 22,6

°C en été (août) avec une moyenne annuelle de 17,4 °C. L’ensoleillement est

important avec une durée d’insolation qui dépasse 8 heures en moyenne

journalière et les vents dominants sont de régime Ouest, faible à modéré.

VI.7 Indices de changement climatique à la région de Rabat

Pour mieux décrire l’évolution et la tendance du climat pour la région de Rabat

pour les 52 dernières années, nous avons procédé au calcul des indices du changement climatiques pour les précipitations et les températures les plus significatifs pour la région (Zhang X. et Yang F., 2004)

Précipitations

La figure II.15 illustre le caractère variable des précipitations à la région de

Rabat, avec une tendance vers la baisse des cumuls de précipitations de l’ordre

de -1.412 mm/an soit une diminution de l’ordre de 73 mm en 52 ans. On

remarque que cette baisse est plus notable dans les années 80.

Figure II.15 : PRCPTOT : Précipitation moyenne de Rabat cumulée pour la saison pluvieuse.

La figure II.16 montre une légère tendance vers la baisse des épisodes pluvieux

de l’ordre de -0.018 jours/année.


48

Figure II.16 : CWD : nombre maximal des jours consécutifs avec des précipitations RR>1mm.

La figure II.17 montre une légère tendance négative concernant la durée

maximale de sécheresse à la région en 52 ans. Une réduction des jours de

sécheresse de l’ordre de 6 jours est constatée ainsi qu’une forte variabilité

interannuelle.

Figure II.17 : CDD : Nombre maximal de jours consécutifs de sécheresse précipitations RR < 1mm.


49

Températures

La figure II.18 montre une tendance positive mais relativement faible du

nombre de jours chauds à la région de Rabat, cette hausse est de l’ordre de 1,7

jours durant la période 1961-2012. Ce qui explique l’augmentation de nombre

de jours chauds.

Figure II.18 : SU35 : Nombre total annuel de jours très chaud, température maximale

Tx>35°C.

La courbe dans la figure II.19 montre une importante tendance vers la hausse

de l’ordre de 0.109 j/an soit un allongement dans la durée de la période des

vagues de chaleur de l’ordre de 6 jours en 52 ans.

Figure II.19 : WSDI : Nombre total annuel de jours avec au moins 6 jours consécutifs

de Tx>percentile 90.


50

La figure II.20 montre une tendance significative vers la baisse de 7,4 jours sur

toute la période de l’étude (52 ans), soit une diminution de 0,142 jours/année.

Ce résultat explique la diminution des jours frais dans la région.

Figure II.20 : ID 15 : Nombre total annuel des jours frais : Tx<15°C.

VII. CONCLUSION

L’étude menée dans ce chapitre nous a permis de dégager une vue claire et

précise sur l’évolution des paramètres climatologiques à la région de Rabat. Le

comportement du séchoir solaire installé à la région de Rabat sera alors, dans

une grande partie, une conséquence des conditions climatiques. La mise en

fonction du séchoir doit tenir compte de la donnée météo pour aboutir à

l’efficience désirée, à savoir :

Une durée journalière de l’insolation de l’ordre de 8h30min ;

Une prédominance de la rosée et du brouillard surtout durant la

période hivernale et automnale ;

Le mois de février connait le taux de l’humidité le plus élevé ;

Les vents forts se produisent généralement dans une direction Sud

Ouest au cours des mois de décembre et de janvier. La normale

annuelle en nombre de jours et de l’ordre de 10 jours.

Les extrêmes des températures se situent entre -3,2 °C et +47,3 °C ;

Rabat est connue par son climat sub-humide et une période sèche qui

s’étale du mois de mai et au mois de septembre. Les précipitations

subissent une variabilité annuelle et inter annuelle très importante

avec une moyenne annuelle de 512,4 mm.

Chapitre 3 : Etude du bilan énergétique du séchoir solaire

51

Chapitre 3 : Etude du bilan

énergétique du séchoir solaire

PARTIE A : Modélisation numérique du

bilan énergétique du séchoir

I. INTRODUCTION

Une approche pour la modélisation théorique et numérique du comportement

énergétique du séchoir a été conçue au sein de Laboratoire d’Energie Solaire et

d’Environnement. Cette approche est basée, en première étape, sur le calcul

des coordonnées astronomiques, en tenant compte des caractéristiques

géométriques et physiques du séchoir expérimental, et en deuxième étape, sur

la résolution des équations permettant le calcul des différents flux solaires, en

considérant un ensemble d’hypothèses et d’approximations.

Afin d’estimer les différentes composantes des flux solaires incident, transmis,

réfléchi et absorbé par chaque façade du séchoir, puis par la totalité des

façades, une description de l’application informatique, nommée CESS v1.0

(Comportement Energétique du Séchoir Solaire), que nous avons développée au

laboratoire, écrite en Excel et pilotée par une interface développée en Delphi 7

(Annexe 2), fera l’objet de ce chapitre. Une définition des bases physiques du

modèle permettra, d’une part de détailler l’étude des différents mécanismes de

transfert d’énergie solaire entres les différents éléments du séchoir, et d’autre

part de procéder à la formulation du bilan énergétique de la couverture du

séchoir dont la transmission du rayonnement solaire se fait à travers elle. Une

confrontation des résultats obtenus à l’aide du programme CESS v1.0 avec des

mesures expérimentales fera l’objet d’étude, et permettra d’évaluer ses

performances.

Etudier le comportement du modèle au cours des saisons permettra de mieux

optimiser son utilisation en tenant compte des conditions climatiques du lieu

d’installation. Les simulations numériques permettront d’élargir l’exploitation

du séchoir dans d’autres sites autre que la région du Rabat.

PARTIE A : Modélisation numérique du bilan énergétique du séchoir

52

II. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DU MODELE « CESS v1.0»

Le modèle numérique développé au sein du Laboratoire permet de calculer,

pour une journée donnée de l’année, le rayonnement solaire de toutes les

façades du séchoir solaire. Ce modèle permet d’une manière simple et flexible

de décrire la variation et le comportement des différentes composantes des flux

solaires et de générer, d’une manière systématique, des courbes très

représentatives.

Le modèle CESS utilise et gère trois types de données :

Les paramètres : ce sont les grandeurs caractéristiques du système qui

demeurent constants dans le temps ou le long d’une simulation

(géométrie et dimensions du séchoir, inclinaisons et orientations des

parois réceptrices, propriétés optiques et thermiques de ses composants,

latitude du lieu, etc.) ;

Les entrées : ce sont les grandeurs conjoncturelles, de natures

variables, qui influencent sur le comportement du séchoir directement

(comme le rayonnement solaire, la vitesse du vent, la température et

l’humidité relative de l’air, etc.), ou indirectement (comme les

températures des différents composants du séchoir, leurs propriétés

optiques et/ou thermiques, etc.) ;

Les sorties : ce sont les grandeurs calculées, soit à partir des données

d’entrée et des paramètres, soit par utilisation de formules et d’équations

de types empiriques ou analytiques.

En introduisant comme entrées dans le modèle les caractéristiques

géométriques du séchoir et les données mesurées au cours d’une journée du

rayonnement global d’un plan horizontal, on obtient en réponse l’évolution du

comportement optique, vis-à-vis du rayonnement solaire, de chaque façade et

de l’ensemble de la couverture du séchoir.

III. APPROXIMATIONS ET HYPOTHESES ADOPTEES POUR LA

MODELISATION

Malgré l’attention particulière qui a été portée pendant la campagne de

mesures au contrôle systématique de fonctionnement des instruments de

mesure et à la vérification permanente des mesures, il s’est avéré nécessaire de

tenir compte des causes d’erreurs qui affectent les données, qui sont

inévitables et qui peuvent être de deux natures : les erreurs systématiques

dues à une mauvais calibration du zéro d'un appareil, aux erreurs de méthode,

au vieillissement des composants, ..., et les erreurs aléatoires dues à une


53

éventuelle dérive d’un appareil ou d’un instrument de mesure, sous l’effet des

conditions extérieures (température, dilatation thermique, pression

atmosphérique, humidité, ...). La dérive correspond à la lente variation au

cours du temps d’une caractéristique d’un appareil ou d’un instrument de

mesure, le plus souvent dans les mêmes conditions de fonctionnement. Elle a

pour conséquence une modification au cours du temps du réglage de

l’ensemble des instruments qui lui sont connectés, d’où une variation

indésirable de la valeur du signal de sortie.

Afin que le modèle CESS puisse tourner sans aucune anomalie de calcul, nous

avons considéré un certain nombre d’hypothèses qui tiennent compte des

conditions climatiques et énergétiques sur le site considéré, et qui prennent en

considération les éventuels risques d’erreurs citées plus haut.

Ainsi, les corrections suivantes ont été appliquées au niveau du fichier de

données :

La valeur calculée du rayonnement diffus sur plan horizontal ne peut

en aucun cas être supérieure à celle du rayonnement global mesuré,

et qu’à la limite, elle est prise égale au rayonnement global sur plan

horizontal (cas d’un ciel couvert) ;

Pour un plan horizontal, le rayonnement direct est déduit par

différence entre le rayonnement global et le rayonnement diffus ;

Le rayonnement global d’un plan horizontal est nul pendant la période

nocturne correspondant à l’intervalle de temps compris entre le

coucher et le lever du soleil, et toute valeur mesurée ne respectant pas

cette condition est prise égale à zéro dans le fichier de données

mesurées utilisées en entrée ;

Chaque fois que la hauteur du soleil est inférieure à 5°, ou que l’angle

d’incidence est supérieur en valeur absolue à 90°, le rayonnement

diffus sur plan horizontal est nul ;

Les rayonnements diffus et direct d’une surface horizontale sont nuls

pendant la période nocturne, au même titre que le rayonnement

global d’un plan horizontal ;

Le rayonnement direct incident sur plan incliné, calculé à partir du

rayonnement direct incident sur plan horizontal, est pris nul pour une

hauteur de soleil nulle, et pour les angles horaires dont la valeur est en

dehors de l’intervalle du lever et du coucher.


54

IV. MODELISATION DES DIFFERENTES COMPOSANTES DES DENSITES

DES FLUX RADIATIFS SOLAIRES AU NIVEAU DU SECHOIR

IV.1 Méthodologie

Afin d’identifier le comportement énergétique solaire par les différentes façades

du séchoir, nous avons procédé, compte tenu des hypothèses avancées, de la

configuration du séchoir considérée, et pour les jours j retenus, à la

modélisation de toutes les composantes du rayonnement solaire.

En traversant l’atmosphère terrestre, le rayonnement solaire subi des

modifications dues à la présence des molécules gazeuses et des particules

solides ou liquides en suspension dans l'air. Une fois arrivé au sol, il sera

constitué de trois composantes : le rayonnement direct, le rayonnement diffus

et le rayonnement réfléchi. La résultante de ces trois composantes constitue le

rayonnement solaire global.

Trois phases de calcul sont effectuées dans le programme CESS pour calculer

les différentes composantes :

Dans une première phase, nous avons calculé pour un jour j donné de base

relative à la position du soleil vis-à-vis de la surface inclinée (Bargach M.N.,

2004). Ces données de base sont :

La déclinaison solaire à partir de la relation

284)) (j . (0,986 sin. 3,452 ; (Eq.III-1)

L’angle horaire du coucher du soleil sur l’horizontale ωo calculé à

partir de la relation ) tg (-tgcos w -1O ; (Eq.III-2)

La constante solaire Ion à partir de la relation

)j 0,986 ( cos 0,0033 1367(1 I on ; (Eq.III-3)

La hauteur h du soleil à partir de la relation :

(w) cos . )( cos . )( cos )( sin. )( sin (h) sin (Eq.III-4)

l’angle d’incidence des rayons du soleil sur la surface

inclinée calculé à partir de la relation :

) -(az cos . )( sin. (h) cos )( cos . (h) sin )( osc (Eq.III-5)

les angles horaires wsr et wss du lever et du coucher du soleil sur la

surface inclinée ;

L’azimut az du soleil calculé à partir des relations :

(h) cos

(w) cos . )( cos )(a ins z

(Eq.III-6)


55

(h) cos

)( cos )( sin- (w) cos . )( cos . )( sin )(a osc z

(Eq.III-7)

Avec :

est la latitude du lieu et w l’angle horaire du soleil en degré, calculé en

fonction du temps solaire vrai t à partir de la relation :

12) - t( . 51 w (Eq.III-8)

Dans la deuxième phase, et pour chaque surface du séchoir, on calcule à

chaque instant les différentes composantes direct, diffus et réfléchi Ib , Id

et Ir rayonnement global sur plan incliné.

Dans la troisième phase, on calcule à chaque instant les proportions du

rayonnement solaire global absorbé, transmis et réfléchi.

IV.2 Propriétés spectrales optiques

Dans les systèmes solaires, il est important de distinguer le comportement

optique des matériaux dans la gamme spectrale solaire (longueurs d’ondes

comprises entre 0,4 et 0,7 m), du comportement « radiatif » ou « thermique »

dans la gamme infrarouge lointain (longueurs d’ondes supérieures à 2 m).

L’optique géométrique est un outil précieux pour le traitement de la

propagation de la lumière (rayons lumineux), de la réflexion et de la réfraction.

Mais l’optique géométrique ne peut décrire les effets de polarisation, de

diffraction et d’interférences. Les surfaces diélectriques telles que le verre ne

reflètent que quelques pourcent, parce que la plupart de la lumière est

transmise, alors qu’un miroir en aluminium reflète dans l'optique environ 90%.

La réflectivité dépend aussi de la longueur d'onde et se produit au niveau de

l’interface entre deux milieux d'indices différents.

Dans notre cas, les caractéristiques radiométriques des matériaux de

couverture du séchoir influencent directement sur son bilan lumineux par le

coefficient de transmission dans le visible, et sur son bilan thermique par le

coefficient de transmission dans l’infrarouge. Plus le coefficient de transmission

est proche de 100% et celui de réflexion est proche de 0%, plus le séchoir est

économe en énergie, et par conséquent doté d’un bon « effet de serre » (Samrani

H., 2012).


56

Sous incidence normale, les parois simples, non traitées en surface, laissent

pénétrer de 85 % à 90 % du rayonnement solaire incident. Pour une incidence

quelconque, ces valeurs seront différentes, soit à cause des phénomènes de

réfraction optique liés à la relation entre angle d’incidence et angle

d’émergence, soit à cause de l’inclinaison du matériau dont le comportement

sera différent selon la différence des répartitions spatiales de l’éclairement sur

la voûte céleste, en relation avec l’état du ciel.

Comme cela a été signalé, le comportement d’un corps vis-à-vis du

rayonnement qu'il reçoit dépend de ses propriétés radiatives, qui varient avec

la longueur d’onde et la direction du rayonnement incident, et de la

composition spectrale de ce rayonnement. Dans la gamme spectrale optique,

nous considérons que les propriétés des vitres sont différentes et nous les

définissons, selon le cas, en fonction de l’angle d’incidence .

IV.2.1 Détermination des coefficients de transmission, de réflexion et

d’absorption pour la vitre du séchoir

Les lois de propagation de la lumière dans un milieu isotrope transparent sont

décrites par la théorie de l’optique ondulatoire, où le faisceau lumineux est

représenté par une onde électromagnétique plane polarisée )H,E(

, se

propageant rectilignement suivant une direction donnée.

Selon cette théorie, la conservation de l’onde )H,E(

au passage de la surface de

séparation des deux milieux isotropes entraine la conservation des flux

énergétiques et non celle des intensités lumineuses.

En désignant par , et les rapports des flux réfléchi, absorbés et transmis

respectivement par la surface de séparation sur le flux incident, on a par

définition :

1 (Eq.III-9)

A la surface de séparation s’il n’y a pas de phénomènes d’absorption; le

coefficient est égal à zéro, la relation précédente devient :

1 (Eq.III-10)

Pour le calcul des coefficients de réflexion et de transmission de l’onde

électromagnétique incidente )H,E(

, et afin de satisfaire aux conditions de

continuité des champs électrique

E et magnétique

H , il est commode de


57

considérer séparément leurs composantes parallèles E || et H ||, et

perpendiculaires E et H , par rapport au plan d’incidence de l’onde.

On définit ainsi les coefficients suivants obtenus à partir des formules de

Fresnel, et correspondant aux coefficients de réflexion et de transmission pour

les amplitudes des ondes réfléchies et transmises (Mathieu J.P., 1965) :

r) ( sin

) - ( sin -

21

21

: composante perpendiculaire du coefficient de réflexion de

l’onde ;

r||) ( tan

) - ( tan -

21

21

: composante parallèle du coefficient de réflexion de l’onde ;

t) ( sin

)( sin)( cos 2

21

21

: composante perpendiculaire du coefficient de

transmission de l’onde ;

t||) - ( cos ) ( sin

)( sin)( cos 2

2121

21

: composante parallèle du coefficient de

transmission de l’onde.

Les angles d’incidence 1 et de réfraction

2 sont liés par la relation de Snell et

Descartes :

)( sinn )( sinn 2211

(Eq.III-11)

Selon les indices de réfraction n1 et n2 des deux milieux transparents, les

composantes perpendiculaires et parallèles des coefficients globaux de réflexion

et de transmission sont donnés par les relations suivantes :

R = r2

2

21

21

) ( sin

) - ( sin

(Eq.III-12)

R|| = r|| 2

2

21

21

) ( tan

) - ( tan

(Eq.III-13)

T = t2

)( tan

)( tan

2

1

(Eq.III-14)


58

T || = t||2

)( tan

)( tan

2

1

(Eq.III-15)

Pour une lumière incidente naturelle, on définit les coefficients globaux et

à l’aide des relations suivantes :

= 2

1 (R + R||) (Eq.III-16)

= 2

1 (T + T||) (Eq.III-17)

Dans le cas du séchoir, les phénomènes d’absorption, quoi qu’ils soient faibles,

ne seront pas négligés. Les facteurs , et seront désignés respectivement

pour le cas du rayonnement direct et pour un angle d’incidence , par )(b ,

)(b et )(b .

IV.2.1.1 Détermination du coefficient de réflexion ρ

En faisant varier l’angle d’incidence 1 entre 0° et 90°, on détermine l’angle de

réfraction 2 à partir de la relation (III-11), avec n1 = 1 et n2 = 1,5.

En pratique, les salissures et les poussières, pouvant être déposé sur le vitrage,

agissent sur le flux transmis par une augmentation des valeurs du coefficient

de réflexion. Pour la détermination du coefficient de réflexion )( , nous avons

utilisé les relations (III-12), (III-13) et (III-16) déduites des formules de Fresnel.

La figure III.1 montre le profil de variation du coefficient de réflexion )(

obtenu à partir des calculs théoriques.

Figure III.1: Coefficient de réflexion théorique )( en de l’angle d’incidence.

0 15 30 45 60 75 90

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Re

flect

ion

co

eff

icie

nt

(deg.)


59

IV.2.1.2 Détermination du coefficient de transmission τ

Le vitrage utilisé, d’une épaisseur de 6 mm, absorbe une partie du

rayonnement transmis. Afin de pouvoir calculer, selon l’angle d’incidence , le

coefficient de transmission du vitrage, nous avons procédé à la mesure au

laboratoire, d’une part du rayonnement solaire incident en plaçant un

pyranomètre à l’extérieur du séchoir, juste avant le vitrage, et d’autre part du

rayonnement solaire transmis par le vitrage en plaçant un deuxième

pyranomètre à l’intérieur du séchoir juste après le vitrage. Le coefficient de

transmission est alors calculé à l’aide du rapport :

incident direct solaireflux

transmis direct solairefulx )(b

Pour les incidences possibles au cours de la période de mesure, la courbe de la

figure III.2 représente la variation de ce rapport en fonction de l’angle

d’incidence. Les valeurs du coefficient )( relatives aux angles d’incidences

non disponibles ont été obtenues par interpolation, notamment pour les faibles

valeurs de l’angle d’incidence.

Figure III.2 : Coefficient de transmission théorique (courbe en pointillés) et

expérimental (courbe en continu) )(b en fonction de l’angle d’incidence .

Une comparaison entre la variation du coefficient de transmission calculée à

partir des relations (III-14) et (III-15) et (III-17) et celle obtenue à partir des

mesures montre un écart, qui est dû essentiellement à l’effet de l’épaisseur du

vitrage qui génère un phénomène d’absorption d’une partie de l’énergie

incidente, chose qui n’est pas prise en considération dans les calculs

théoriques.

0 15 30 45 60 75 90

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Tra

nsm

issi

on

co

eff

icie

nt

(deg.)


60

Il faut noter par ailleurs que cet écart qui est en moyenne d’environ 10 % pour

les faibles valeurs de l’angle d’incidence , devient plus important (environ 15

%) pour les grandes valeurs de .

IV.2.1.3 Détermination du coefficient d’absorption

Comme le coefficient d’absorption doit obéir à la loi de conservation de

l’énergie incidente selon la relation suivante :

1 )( )( )( bbb (Eq.III-18)

Les valeurs de )(b sont calculées par une simple différence :

)( )( - 1 )( bbb

La figure III.3 représente les variations des trois coefficients de réflexion )(b ,

de transmission )(b et d’absorption )(b .

IV.2.2 Détermination des coefficients pour le cas du rayonnement solaire

diffus.

Les coefficients de réflexion )( d et le coefficient de transmission )( d sont

considérés constants et sont respectivement:

,1060 )60 ( )( bd

,7800 )60 ( )( bd

Le coefficient d’absorption )( d est donné par la relation suivante:

0,114 )( )( - 1 )( ddd (Eq.III-19)

Dans notre cas, ces valeurs sont obtenues pour un angle d’incidence égale à

62.5°, ce qui est en parfait concordance avec celles utilises dans la référence

(Nisen A.et al 1986).


61

Figure III.3: Les coefficients de transmission, de réflexion et d’absorption

retenus pour le rayonnement solaire direct en fonction de l’angle d’incidence .

Le tableau III.1 contient les valeurs retenues pour les trois coefficients de

réflexion, de transmission et d’absorption pour le direct )(b , )(b et )(b :

Angle d’incidence (en deg.) )(b )(b )(b

0 0.040 0.895 0.065 5 0.040 0.89 0.070 10 0.040 0.885 0.075 15 0.040 0.88 0.080 20 0.041 0.874 0.085 25 0.042 0.868 0.090 30 0.043 0.863 0.094 35 0.046 0.856 0.098 40 0.050 0.849 0.101 50 0.058 0.831 0.111 55 0.070 0.817 0.113 60 0.089 0.797 0.114 65 0.121 0.76 0.119 70 0.171 0.703 0.126 75 0.253 0.61 0.137 80 0.388 0.443 0.169 85 0.613 0.28 0.107 90 1 0 0

Table III.1: Valeurs retenues des coefficients de réflexion )(b , de transmission

)(b et d’absorption )(b .

IV.3 Rayonnement solaire direct

Le rayonnement solaire direct bI qui dépend de la hauteur du soleil et de l’état

du ciel, il est calculé dans le programme à partir de la relation :

)( osc . I I bnb (Eq.III-20)

0 15 30 45 60 75 90

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

(deg.)


62

où bnI est l’intensité du rayonnement solaire direct reçu par une surface

réceptrice normale aux rayons du soleil. Elle est calculée en fonction de la

hauteur h du soleil à partir de la relation :

(h) sin

I I bh

bn (Eq.III-21)

IV.4 Rayonnement solaire diffus

dI est le rayonnement solaire diffus qui dépend de l’état de clarté du ciel et de

la position du soleil dans le ciel. En considérant que l’atmosphère au-dessus

du récepteur est isotrope (pas de direction privilégiée du rayonnement diffus),

le rayonnement solaire diffus reçu par une surface quelconque est donné par la

relation :

2

)( cos 1 . I I dhd

(Eq.III-22)

dhI est la composante diffuse du rayonnement solaire d’une surface horizontale.

2

)( cos 1 est un facteur géométrique qui tient compte de la partie de la voûte

céleste vue par la surface réceptrice.

IV.5 Rayonnement solaire réfléchi

r I est le rayonnement solaire réfléchi par le sol environnant, calculé à partir

de l'expression suivante :

2

)( cos 1 . I . I ghr

(Eq.III-23)

ghI est le rayonnement solaire global reçu par une surface horizontale, et ρ le

coefficient de réflexion du sol ou albédo qui varie selon la nature du sol, et dont

la valeur moyenne est estimée à ρ = 0,25.

Le facteur géométrique 2

)( cos 1 tient compte de l’inclinaison de la surface

réceptrice.


63

IV.6 Rayonnement solaire global sur plan incliné

La somme des trois composantes bI , dI et rI permet d’obtenir, à chaque

instant, l’éclairement global d’une surface d’inclinaison et d’orientation

quelconques :

2

)( cos 1 . I .

2

)( cos 1 . I

(h) sin

)( osc . I I ghdhbhg

(Eq.III-24)

Dans cette expression, la composante globale ghI est mesurée au Laboratoire

d’Energie Solaire et d’Environnement de la Faculté des Sciences de Rabat, la

composante diffuse dhI est estimée dans le modèle avec une bonne

approximation à partir de la relation (Jannot Y., 2011):

4,0

dh (h) sin . 125 I (Eq.III-25)

et la composante directe ghI est déduite par différence entre la composante

diffuse:

hdhgbh I - I I

Pour chacune des façades de la couverture du séchoir, on calcule l’intensité du

rayonnement global incident :

iridibig I I I I (Eq.III-26)

L’intensité du rayonnement solaire global incident sur toute la couverture du

séchoir est alors calculée à chaque instant par pondération sur les quatre

surfaces Si :

4

1ii

4

1iigi

tg

S

I . S

I

(Eq.III-27)

Les intensités des rayonnements solaires incidents directs tbI , diffus tdI et

réfléchis trI sont calculées de la même façon :

4

1ii

4

1iibi

tb

S

I . S

I

;

4

1ii

4

1iidi

td

S

I . S

I

et

4

1ii

4

1iiri

tr

S

I . S

I

.


64

Les inclinaisons et orientations des quatre façades constituant la couverture

du séchoir sont données dans le tableau III.2 :

Surface du séchoir Inclinaison (en degré.) Orientation (en degré.)

1 (sud incliné) 34 0 2(sud vertical) 90 0

3(est) 90 -90 4(ouest) 90 +90

Tableau III.2 : Surfaces de la couverture du séchoir solaire

IV.7 Densité du flux total absorbé par les vitres du séchoir

Le comportement des vitres vis-à-vis du rayonnement qu’elles reçoivent dépend

de la composition spectrale de ce rayonnement. Comme le rayonnement global

tIglb est la résultante des trois composantes spectralement différentes dirtI , diftI

et reftI , les propriétés radiatives des vitres seront différentes. La fraction du

rayonnement solaire global incident absorbée par les vitres de la couverture,

sera donc donnée à chaque instant par l’expression suivante :

(Eq.III-28)

où )( b est le coefficient d’absorption du vitrage pour le rayonnement direct,

et )( d est le coefficient d’absorption du vitrage pour le rayonnement diffus.

Dans cette expression nous avons considéré que les compositions spectrales du

diffus et du réfléchi sont identiques, et que le comportement des vitres vis-à-vis

de ces deux composantes reste constant quelque soit l’incidence.

IV.8 Densité du flux total transmis par les vitres

La fraction du rayonnement transmis par les vitres est donnée à chaque

instant par l’expression :

(Eq.III-29)

où )( b et )( d sont les coefficients de transmission du vitrage

respectivement pour les rayonnements direct et diffus.

PARTIE B : Résultats numériques, expérimentaux et validation du modèle mathématique CESS

65

PARTIE B : Résultats numériques,

expérimentaux et validation du modèle

mathématique CESS

I. INTRODUCTION

Les données standard utilisées dans le modèle numérique CESS v1.0

correspondent au cas du séchoir solaire expérimental.

Trois types d’approches seront abordés par le modèle CESS v1.0:

1. Une approche géométrique permettant d’adopter la forme géométrique du

séchoir la plus convenable qui offre une énergie solaire transmise

maximale dans le séchoir et donc améliorer les conditions de séchage

solaire ;

2. Une approche comparative mettant en évidence la sensibilité du séchoir

aux deux paramètres structurels suivants :

l’orientation du séchoir qui, pour des considérations

astronomiques évoquées plus haut, doit être impérativement dirigé

vers le Sud géographique, mais qui peut, suite à une éventuelle

anomalie d’installation du séchoir, ou à la présence d’un obstacle

quelconque près du site de l’installation, être dévié légèrement vers

l’Est ou vers l’Ouest ;

l’inclinaison de la façade vitrée du toit dont la surface reçoit le

maximum de rayonnement solaire, comparativement aux autres

surfaces.

3. Une approche énergétique permettant une analyse détaillée des flux

solaires mis en jeu.

Grâce à la flexibilité du fonctionnement du modèle CESS v1.0, l’étude

paramétrique permettra d’apprécier l’influence de la variation de ces

paramètres structurels sur le rayonnement solaire transmis à l’intérieur du

séchoir et, par conséquent, sur son comportement énergétique.


66

II. APPROCHE GEOMETRIQUE

II.1 Dimensions du séchoir

Afin d’étudier l’impact de la forme géométrique du séchoir sur le profil de

variation du rayonnement global incident sur la couverture, nous avons associé

au séchoir un repère orthogonal (Oxyz) dont les axes sont parallèles aux trois

arrêtes du séchoir, et nous avons fait varier, à partir de la géométrie standard,

et selon une seule direction à la fois la valeur d’une dimension du séchoir, les

autres dimensions restant constantes (Kabidi K., 2014).

Les transformations opérées sur la forme de la couverture sont schématisées

par la figure III.4 :

Figure III.4 : Variation des dimensions du séchoir selon les trois axes ox, oy et oz.

Pour étudier le comportement énergétique du séchoir, en réponse aux

différentes formes géométriques du séchoir en tenant compte des conditions

climatiques du site de l’installation, nous avons utilisé les mesures horaires du

rayonnement solaire global ghI incident sur un plan horizontal, effectuées à

Rabat (latitude 34°N) au cours de la journée du 16 juillet 2012, et

correspondant aux conditions de ciel assez clair.

Les profils de variation, au cours de la journée d’étude, de l’éclairement solaire

global tgI incident sur la couverture standard (en pointillé), en comparaison à

l’éclairement solaire global incident sur la couverture modifiée (en traits

pleins) : (a) suivant Ox, (b) suivant Oy et (c) suivant Oz, sont illustrés sur la

figure III.5:

Variation suivant Oz Variation suivant Oy Variation suivant Ox

y

Géométrie standard

z

O x

x

y

z


67

Figure III.5 : Rayonnement solaire global incident sur la forme standard (courbe en pointillée) et sur la forme modifiée suivant ox, oy et oz (courbe trait plein).

Cette comparaison montre que les géométries (a) et (b) permettent de recevoir

une énergie quotidienne supérieure à celle reçue par la géométrie standard

(4,642 kWh/m2 pour la géométrie (a), 4,411 kWh/m2 pour la géométrie (b),

contre seulement 4,274 kWh/m2 pour la géométrie standard), alors que la

géométrie (c) ne permet de recevoir que 3,843 kWh/m2.

II.1.1 Variation dans la direction oz :

En fixant les dimensions du séchoir suivant les directions x et y à leurs valeurs

standard respectives de 1,5 m et 1,2 m, et en calculant l’irradiation solaire

globale quotidienne incidente sur la couverture du séchoir, en faisant varier

progressivement la hauteur z d’environ 0 à 5 m, on peut voir sur la courbe

(figure III.6) que pour z ~ 0, le maximum d’énergie quotidienne atteinte est de

5,777 kWh/m2, et que la variation de cette énergie quotidienne en fonction de

la hauteur z est strictement décroissante, rapidement pour les faibles valeurs

de z (chute de 26 % entre 0 et 1 m), et lentement pour les valeurs de z plus

grandes (chute de 2,3 % entre 4 et 5 m).

Figure III.6 : Variation de l’énergie quotidienne en fonction de la variation de la hauteur du séchoir.

0 1 2 3 4 5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

En

erg

ie q

uo

tidie

nne

(kW

h/m

2)

z (m)

4 6 8 10 12 14 16 18 20

0

100

200

300

400

500

600

(a)

Heure

(W/m2)

4 6 8 10 12 14 16 18 20

(b)

Heure4 6 8 10 12 14 16 18 20

(c)

Heure


68

D’un point de vue purement énergétique, le choix de la hauteur standard z = 1

m n’est pas le meilleur. Mais pour des raisons pratiques, cette hauteur est

valable puisqu’un espace minimum doit être ménagé pour pouvoir installer le

produit à sécher. On estime donc que la hauteur minimale z = 1 m qui assure

un bon compromis entre l’optimum d’énergie pouvant être récupérée et l’espace

nécessaire pratique, est acceptable, et sera fixée à cette valeur dans la suite de

notre étude.

II.1.2 Variation dans la direction Ox :

De la même façon, on fait varier la longueur du séchoir dans la direction des x

de 1 a 10 m. Ensuite, pour chaque valeur de x, on fait varier la largeur du

séchoir dans la direction des y. On calcule à chaque fois l’énergie quotidienne

totale reçue par la couverture.

Pour une valeur de x fixée, on constate que l’énergie quotidienne Eqt augmente

avec l’augmentation de y jusqu’à atteindre une valeur maximale Eqtm pour une

valeur de y = ym, puis diminue de nouveau.

Sur la figure III.7, nous avons tracé la variation de Eqt est obtenue en faisant

varier simultanément les dimensions du séchoir dans les deux directions x et y.

Figure III.7 : Variation de l’énergie quotidienne selon les directions des x

En reliant les points ym appartenant aux différentes courbes Eqt = f(y), on

obtient la courbe suivante représentant la variation de l’énergie quotidienne

maximale Eqtm correspondante à la largeur optimale du séchoir ym (figure III.8).

0 2 4 6 8 10 12 14 16

4.0

4.4

4.8

5.2

5.6

x=2 m

3

4

5

6

78

9

10

En

erg

ie q

uo

tidie

nne

(kW

h/m

2)

Largeur y (m)


69

Figure III.8 : Energie quotidienne maximale correspondante à la valeur optimale de la largeur du séchoir.

Il est clair d’après cette courbe qu’une augmentation importante des

dimensions du séchoir dans le sens des y n’entraîne pas une grande

augmentation de l’énergie quotidienne reçue.

La surface d’énergie quotidienne Eqt obtenue pour différentes valeurs des

dimensions x et y est représentée sur la figure III.9 :

Figure III.9 : Energie quotidienne en fonction de la variation de la longueur et de largeur du séchoir.

0 1 2 3 4 5 6

0

1

2

3

4

5

6

En

erg

ie q

uo

tidie

nne

maxi

ma

le

(kW

h/m

2)

Largeur optimale y (m)

Énerg

ie q

uoti

die

nne e

n k

Wh/m

2)


70

A première vue, on remarque que plus x augmente, plus on gagne en énergie

quotidienne reçue Eqt. Ceci s’explique par le fait que l’augmentation de x

entraîne celle des surfaces S1 et S2, orientées face au Sud, et recevant par

conséquent plus d’énergie, voir figure III.10.

Figure III.10 : Augmentation selon x à partir de la forme standard.

Les tests réalisés sur plusieurs configurations géométriques du séchoir autour

d'une forme standard d'un séchoir prototype installé au laboratoire et sous les

conditions climatiques de Rabat montrent que le choix d'une hauteur z

minimum de 1 m offre un bon compromis entre l'énergie quotidienne optimale

et l'espace suffisant pour satisfaire une utilisation pratique du séchoir. L'étude

a montré également que l'énergie reçue par le séchoir solaire est plus

importante avec les grandes valeurs de x. Le choix de x reste lié au budget du

projet et de ses objectifs. Une fois la longueur x est fixée, la largeur ym du

séchoir peut alors être déterminée à partir de la table III.3.

X(m) Y(m) Eqt (kWh/m2) X (m) Y (m) Eqt (kWh/m2) X (m) Y (m) Eqt(kWh/m2)

0.1 1.57 3.690 3.5 3.32 4.84337 6.9 4.37 5.217643

0.2 1.65 3.770 3.6 3.36 4.858981 7 4.39 5.225387

0.3 1.74 3.843 3.7 3.39 4.874181 7.1 4.42 5.233009

0.4 1.81 3.909 3.8 3.43 4.888988 7.2 4.45 5.24051

0.5 1.88 3.970 3.9 3.46 4.903419 7.3 4.47 5.247894

0.6 1.95 4.026 4 3.5 4.91749 7.4 4.5 5.255164

0.7 2.02 4.078 4.1 3.53 4.931218 7.5 4.53 5.262324

0.8 2.08 4.127 4.2 3.56 4.944615 7.6 4.55 5.269376

0.9 2.14 4.173 4.3 3.6 4.957697 7.7 4.58 5.276323

1 2.2 4.215547 4.4 3.63 4.970475 7.8 4.6 5.283167

1.1 2.26 4.25604 4.5 3.66 4.982962 7.9 4.63 5.289911

1.2 2.32 4.294333 4.6 3.7 4.995169 8 4.65 5.296558

1.3 2.37 4.330637 4.7 3.73 5.007106 8.1 4.68 5.30311

1.4 2.42 4.36513 4.8 3.76 5.018785 8.2 4.7 5.30957

1.5 2.47 4.397972 4.9 3.79 5.030214 8.3 4.73 5.315938

1.6 2.52 4.4293 5 3.82 5.041402 8.4 4.75 5.322219

1.7 2.57 4.459236 5.1 3.85 5.052359 8.5 4.78 5.328413

1.8 2.62 4.487888 5.2 3.88 5.063092 8.6 4.8 5.334523

1.9 2.67 4.515349 5.3 3.91 5.073609 8.7 4.82 5.34055

x

y

z

Forme

standard

x

y

z

Forme 2


71

2 2.72 4.541707 5.4 3.94 5.083918 8.8 4.85 5.346497

2.1 2.76 4.567039 5.5 3.97 5.094026 8.9 4.87 5.352366

2.2 2.8 4.591412 5.6 4 5.103939 9 4.9 5.358157

2.3 2.85 4.614892 5.7 4.03 5.113664 9.1 4.92 5.363874

2.4 2.89 4.637533 5.8 4.06 5.123206 9.2 4.94 5.369517

2.5 2.93 4.659388 5.9 4.09 5.132572 9.3 4.97 5.375088

2.6 2.97 4.680503 6 4.12 5.141768 9.4 4.99 5.380589

2.7 3.02 4.700922 6.1 4.15 5.150798 9.5 5.01 5.38602

2.8 3.06 4.720685 6.2 4.18 5.159667 9.6 5.03 5.391385

2.9 3.09 4.739828 6.3 4.2 5.16838 9.7 5.06 5.396683

3 3.13 4.758384 6.4 4.23 5.176944 9.8 5.08 5.401918

3.1 3.17 4.776385 6.5 4.26 5.18536 9.9 5.1 5.407088

3.2 3.21 4.793858 6.6 4.29 5.193634 10 5.13 5.412197

3.3 3.25 4.81083 6.7 4.31 5.20177

3.4 3.28 4.827326 6.8 4.34 5.209772

Table III.3 : Energie quotidienne en fonction aux valeurs optimums de la largeur et de la hauteur du séchoir.

La forme géométrique réduite que nous avons utilisée pour notre étude a été

inspirée de la littérature (Gough D.K., 1981) où l'aspect géométrique n'a pas été

suffisamment développé. Cependant, l’analyse que nous avons menée explique

davantage ce côté et montre que la géométrie du séchoir contribue à

l’augmentation de l'énergie solaire transmise dans le séchoir et donc à

l’amélioration des conditions de séchage solaire (Kabidi K. et al., 2013).

II.2 Profilés d’aluminium utilisés comme structure du séchoir

Contrairement à l’optique géométrique qui consiste à étudier la manière dont la

lumière se propage en ne considérant que la marche des rayons, l’optique

physique s’intéresse au comportement de la lumière, (ou d’une onde

électromagnétique, radioélectrique, …) lorsque l’onde rencontre un objet

(particules suspendues dans l’atmosphère) ou un obstacle de forme

discontinue (arête ou bordure d’une fenêtre, d’un mur, d’un bâtiment, …) de

dimension nettement supérieure à la longueur d’onde. C’est le cas de notre

séchoir dont la couverture est composée de surfaces vitrées, entourées par des

cadres en profilé d’aluminium.

En optique géométrique, seule une partie de l’écran recevant directement la

lumière en provenance d’une ouverture devrait être éclairée, alors qu’en

optique physique, le phénomène se complique puisque même la partie de

l’écran ne recevant pas directement la lumière est éclairée, avec une diminution

rapide de l’intensité lumineuse lorsqu’on s’éloigne du centre. Ceci est dû

principalement au phénomène de diffraction qui devient significatif lorsque les

dimensions de l’objet diffractant sont comparables à la longueur d’onde.


72

Dans cette partie de l’étude, on ne s’intéressera pas au phénomène de

diffraction qui pourrait accompagner le rayonnement solaire transmis à

l’intérieur du séchoir, puisque les dimensions des cadres en profilé

d’aluminium sont très grandes devant les longueurs d’ondes du visible solaire.

Une approche purement géométrique sera par contre nécessaire quant à l’étude

de l’effet des dimensions des cadres en profilé par rapport à la surface vitrée,

sur la quantité du rayonnement solaire transmis.

Les différentes façades du séchoir sont constituées d’une partie vitrée

transparente et d’une ossature en profilé opaque au rayonnement solaire,

représentant environ 22 % de la surface totale externe du séchoir. Ce

pourcentage n’est que de 13,5 % pour la surface sud inclinée, 20,5 % pour la

surface verticale face au Sud, et 28,4 % pour chacune des surfaces verticales

latérales Est et Ouest.

Nous avons calculé les pertes en énergie, au cours de la journée d’étude du 27

juillet 2013, qu’engendre l’ossature totale sur le global transmis par la

couverture en comparant le rayonnement global transmis sans ossature

(3409,8 Wh/m2) et avec ossature (2582,3 Wh/m2), (voir figure III.11).

Figure III.11: Rayonnement Transmis à l’intérieur du séchoir en tenant compte

de l’influence des profilés.

La comparaison entre le rayonnement global transmis à l’intérieur du séchoir

sans profilé d’aluminium avec celui en profilé permet de constater que la

présence des profilés cause une perte d’énergie de 23%. Ces pertes sont non

0

50

100

150

200

250

300

350

400

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23Ray

on

ne

me

nt

tran

smis

en

w/m

²

Heures

Rayonnement global transmis à l'intérieur du séchoir dans les deux cas avec ou sans profilé d'aliminium pour le 27 juillet 2013

Avec profilé

Sans profilé


73

négligeables relativement aux dimensions réduites du séchoir expérimental

utilisé.

Pour un séchoir industriel de dimensions normales possédant la même nature

géométrique que notre séchoir prototype, on considère que les surfaces

profilées sont négligeables par rapport à la surface totale et par conséquent, le

rayonnement transmis à l’intérieur du séchoir ne sera que peu affecté par la

présence des cadres en profilé.

III. APPROCHE COMPARATIVE

Pour réaliser une analyse approfondie sur le comportement énergétique du

séchoir en fonction de l’orientation et de l’inclinaison du séchoir, nous nous

sommes basés sur les mesures du rayonnement global sur plan horizontal

effectuées à Rabat pour la journée du 27 juillet 2013.

Nous allons évaluer le rayonnement solaire incident reçu par la face Sud

inclinée, surface supposée recevant le maximum du rayonnement

comparativement aux autres surfaces du séchoir, ainsi que l’énergie

quotidienne pour différentes valeurs de l’orientation et de l’inclinaison.

III.1 Influence de la variation de l’orientation du séchoir

En maintenant constante l’inclinaison à sa valeur standard de 34° (latitude

du lieu), nous avons calculé heure par heure et pour chacune des orientations

retenues, la densité du flux solaire transmis à travers la surface S1. Le tableau

III.4 regroupe les résultats de calcul, et la Figure III.12 montre, pour les trois

orientations : - 20°, 0° et + 20°, les profils de variation de cette densité au cours

de la journée du mois de juillet 2013.

HEURES

1 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

2 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

3 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

4 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

5 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

6 4.66 4.66 4.66 4.66 4.66 4.66 4.66 4.66 4.66

7 135.10 125.34 109.56 100.50 84.28 76.71 60.86 55.94 46.81

8 333.83 318.03 297.43 281.41 260.76 245.07 221.60 207.12 183.42

9 471.11 453.94 438.99 420.78 405.24 384.01 368.52 347.82 332.86

10 664.57 652.22 635.88 622.15 603.60 588.97 573.98 555.44 540.22

11 792.34 782.45 775.71 768.16 759.86 747.06 737.50 727.38 713.17

12 781.04 783.62 785.48 786.60 786.97 786.60 785.48 783.62 781.04


74

13 716.69 730.93 741.06 750.64 763.46 771.78 779.35 786.10 796.00

14 608.42 625.79 646.94 664.04 680.74 701.90 717.57 736.21 750.30

15 422.30 442.29 469.96 490.66 519.03 539.80 564.13 584.12 607.07

16 220.97 251.52 270.18 300.44 320.66 347.27 367.92 394.47 414.83

17 71.84 80.55 85.25 100.37 107.59 123.07 131.71 146.76 156.07

18 48.41 48.41 48.41 48.41 48.41 48.41 48.41 48.41 48.41

19 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

20 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

21 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

22 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

23 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

24 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

Tableau III.4 : Rayonnement transmis par la face sud inclinée du séchoir en fonction de l’orientation déduit pour la journée du 27 juillet 2013.

Figure III.12 : Variation du rayonnement transmis par la surface S1 (en W/m2) en

fonction de l’orientation .

Nous constatons que pour l’orientation , le profil de la courbe est centré sur

midi TSV, les deux autres profils sont décalés d’environ une heure autour de

midi : le profil correspondant à l’orientation - 20° est centré sur 11h00, alors

que celui correspondant à +20° est centré sur 13h00.

Ce résultat est tout à fait conforme avec la réalité puisqu’une surface orientée

vers l’Est reçoit plus d’énergie le matin, et inversement, une surface orientée

vers l’Ouest en reçoit plus l’après-midi.

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23

Ray

on

ne

me

nt

tran

smis

en

W/m

²

Heures

Rayonnement global transmis par la surface S1 en fonction de l'orientation du séchoir pour le 27 juillet 2013

-20°

0°

20°


75

Afin de quantifier l’impact, à savoir de l’orientation du séchoir sur l’énergie

solaire quotidienne transmise par la vitre inclinée du séchoir, nous avons

effectué une intégration de chacune des courbes ainsi obtenues (tableau III.5) :

Orientation du séchoir (en °)

- 20 - 15 -10 -5 0 5 10 15 20

Energie quotidienne (Wh/m2)

5271 5300 5310 5339 5345 5365 5362 5378 5375

Tableau III.5 : Energie quotidienne en fonction de l’orientation

Le résultat de cette étude montre que l’énergie quotidienne transmise est peu

influencée par l’orientation du séchoir ; valeurs quasiment constantes pour

toutes les orientations choisies. Nous pouvons alors conclure que, hormis le

phénomène de décalage observé par rapport à midi TSV des profils en fonction

de l’orientation, une légère déviation (accidentelle ou volontaire) du séchoir

autour de l’orientation Sud, lors de son installation, n’a pas d’effet sur l’énergie

solaire quotidienne transmise à l’intérieur du séchoir. La valeur 0° de

l’orientation est celle maintenue pour la suite de l’étude.

III.2 Influence de la variation de l’inclinaison de la face Sud inclinée du

séchoir

De la même façon que pour l’orientation du séchoir, nous avons fixé

l’orientation du séchoir à sa valeur standard = 0°, et nous avons fait varier

l’inclinaison de la surface S1 du toit, par pas de 5°, entre les valeurs 10° et 50°.

Le tableau III.6 regroupe le résultat du modèle CESS des calculs de la densité

du flux solaire transmis à travers la surface S1, et la Figure III.13 montre, pour

les trois inclinaisons choisies 10°, 34° et 50°, les profils de variation de cette

densité au cours de la journée d’étude. Pour les inclinaisons intermédiaires, les

profils seront de même allure mais interposés verticalement entre les premiers.

HEURE

S

= 10 = 15 = 20 = 25 = 30 = 35 = 40 = 45 = 50 = 34

1 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

2 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

3 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

4 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

5 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

6 4.97 4.97 4.97 4.97 4.97 4.97 4.97 4.97 4.97 4.97

7 124.7

3

114.2

3

109.6 104.5 99.05 86.07 80.70 65.70 61.67 87.11

8 308.9

1

303.7

1

296.7

8

288.2

0

273.2

6

261.8

3

249.0

0

226.8

4

212.3

0

264.2

3 9 449.7

2

446.5

1

440.5

5

431.8

9

417.8

2

404.1

0

382.5

3

364.4

3

339.1

6

407.0

4


76

10 655.5

6

654.3

9

648.9

4

636.0

5

622.2

8

600.2

5

578.7

1

550.1

9

518.0

6

604.0

9 11 810.7

6

811.6

2

802.9

4

793.0

0

773.8

0

749.6

4

724.4

5

690.9

7

652.0

1

757.9

4 12 842.8

2

844.4

6

836.1

8

822.3

5

803.1

4

778.7

6

749.4

5

715.5

1

675.8

6

783.2

4 13 812.3

1

813.1

7

804.4

7

794.5

1

775.2

7

751.0

7

725.8

3

692.2

9

653.2

6

759.3

8 14 735.4

5

734.1

1

727.8

9

713.1

8

697.4

7

672.3

3

647.7

7

615.2

3

578.5

6

676.7

2 15 572.5

0

568.2

0

560.2

4

548.6

7

529.8

6

511.5

3

482.6

9

458.5

1

424.7

4

515.4

6 16 376.1

3

369.4

2

360.5

0

349.4

3

330.1

7

315.4

4

298.9

1

270.3

4

251.6

1

318.5

4 17 143.0

4

133.0

2

128.6

5

123.8

1

118.5

4

106.1

6

101.0

4

86.72 82.87 107.1

5 18 50.20 50.20 50.20 50.20 50.20 50.20 50.20 50.20 50.20 50.20

19 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

20 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

21 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

22 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

23 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

24 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

Tableau III.6 : énergie quotidienne transmis à l’intérieur du séchoir en fonction de

l’inclinaison .

Figure III.13 : Variation du rayonnement transmis par la surface S1 (en W/m2) en

fonction de l’inclinaison

Les profils de la figure III.13 indiquent clairement que l’inclinaison de la

surface S1 du séchoir a un impact très important sur l’intensité du

rayonnement solaire transmis à l’intérieur du séchoir contrairement à l’effet de

l’orientation. En effet, en cette période de l’année, la hauteur du soleil atteint

des valeurs importantes au cours de la journée, l’angle d’incidence des rayons

-100

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23

Ray

on

ne

me

nt

qu

oti

die

nn

e e

n W

/m²

Heures

Rayonnement reçue par la face inclinée du séchoir en fonction des inclinaisons pour le 27 Juillet 2013

10°

45°

34°


77

du soleil est donc d’autant plus petit (son cos() étant plus grand) que

l’inclinaison de S1 est faible, et par conséquent, le rayonnement solaire incident

transmis par S1, est plus important pour les faibles inclinaisons de S1. Une

intégration de chacune des courbes ainsi obtenues, met en évidence l’impact de

la variation de l’inclinaison de la vitre sur l’énergie solaire quotidienne

transmise (tableau III.7).

Inclinaison

(deg.)

10 15 20 25 30 35 40 45 50

Energie quotidienne (kWh/m2)

6.226 6.156 6.025 5.873 5.679 5.428 5.162 4.816 4.514

Tableau III.7 : Variation de l’énergie quotidienne transmise par la surface S1 (en Wh/m2) en fonction de l’inclinaison

La figure III.14 permet de visualiser la variation de cette énergie en fonction de

l’inclinaison de la surface S1.

Figure III.14 : Comportement de l’énergie quotidienne transmis par la face Sud inclinée en kW/m² en fonction de l’inclinaison du séchoir.

Cette variation montre qu’une faible valeur de l’inclinaison de la surface S1, en

période d’été (le 26 juillet 2013), permet de transmettre un maximum d’énergie

solaire. Un gain de l’ordre de 10,3 % en énergie quotidienne transmise par S1

pour l’inclinaison = 10° par rapport à l’inclinaison standard = 34° peut donc

être réalisé.

4,0

4,5

5,0

5,5

6,0

10 15 20 25 30 35 40 45 50Ene

rgie

qu

oti

die

nn

e e

n K

Wh

/m²

Inclinaison en degré

Energie quotidienne en fonction de l'inclinaison du séchoir du 27 juillet 2013


78

Alors que pour une grande valeur d’inclinaison S1 ( = 50°) ; une perte

d’énergie de l’ordre de 16 % en énergie quotidienne transmise par rapport à =

34° a été constatée en cette période de l’année.

Ce résultat est conforme avec la théorie puisque, une surface orientée plein

Sud et inclinée de ≈ -15° permet de recevoir le maximum d’énergie en

période d’été, alors que la même surface, inclinée de ≈ +15° permet de

recevoir le maximum d’énergie en période d’hiver. Pour une période s’étalant

sur toute l’année, une inclinaison de = est plus appropriée.

IV. APPROCHE ENERGETIQUE

IV.1 Composantes du rayonnement sur plan horizontal

Comme nous l’avons déjà signalé auparavant, le programme CESS permet de

calculer, pour n’importe quel jour de l’année, le rayonnement solaire de toutes

les façades du séchoir conçu, construit et installé au laboratoire. Afin de

minimiser les effets, au cours d’une journée, des fluctuations aléatoires et

imprévisibles de l’état du ciel sur l’intensité du rayonnement solaire incident,

transmis, réfléchi ou absorbé par les composants du séchoir, la journée du 27

juillet 2013, correspondant aux conditions de ciel assez clair, a été retenue

pour l’exécution et la démonstration des possibilités d’analyse que le modèle

numérique peut effectuer. En introduisant dans le programme les valeurs

mesurées du rayonnement global d’un plan horizontal, on obtient les graphes

qui décrivent le comportement optique, vis-à-vis du rayonnement solaire, de

chaque façade du séchoir au cours de la dite journée.

Les courbes de la figure III.15 permettent de visualiser et comparer la variation

des composantes globale, directe et diffuse, reçues par une surface horizontale

placée à Rabat au cours de la journée du 27 juillet 2013. Seule la composante

globale est mesurée, les deux autres sont calculées par le modèle numérique

CESS.


79

Figure III.15 : Composantes du rayonnement solaire sur plan horizontal

Une intégration sur toute la journée de chacune des composantes mentionnées

sur la figure III.15 a permis de calculer les énergies quotidiennes

correspondantes. L’irradiation globale reçue est de 7085 Wh/m2 ; alors que

les proportions des composantes directe et diffuse dans le global sont de 82 %

pour le direct et 18 % pour le diffus.

Ces valeurs comme indiquées auparavant, correspondent à une journée d’été à

ciel clair. Une étude statistique pour différentes périodes et conditions

climatiques permettra de mieux conclure quant aux proportions réelles des

composantes directe et diffuse dans le global.

IV.2 Rayonnement solaire direct incident reçu par les différentes façades

du séchoir

La variation et le comportement des flux solaires vis-à-vis des autres surfaces

de la couverture du séchoir seront fournies au fur et à mesure dans la suite de

cette étude pour la même journée par le modèle numérique CESS v1.0.

Validation du modèle numérique

Afin de valider les performances du modèle CESS v1.0, nous avons entamé une

compagne de mesures au Laboratoire d’Energie Solaire et d’Environnement

pendant la période de l’été 2013. Cette compagne concernait la mesure du

rayonnement global sur plan horizontal à l’extérieur du séchoir, le

rayonnement global transmis à l’intérieur du séchoir, juste derrière la vitre

inclinée S1 et au niveau du sol du séchoir.

0100200300400500600700800900

1000

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23

Ray

on

ne

me

nt

sola

ire

en

w/m

²

Temps en heures

Composantes du rayonnement solaire reçues par une surface horizontale pour la journée du 27 Juillet 2013

Global

Diffus

Direct


80

Les données mesurées sont acquises à pas de 5 secondes, puis traitées par le

système pour avoir des données de fréquence horaire. Les données sont par la

suite enregistrées sous forme de fichiers au format texte et archivées d’une

manière automatique dans le système.

Le modèle numérique CESS v1.0 permet de calculer le rayonnement global

incident et transmis sur toutes les façades du séchoir et pour l’ensemble de la

couverture du séchoir. Ce qui nous a permis de faire une comparaison entre les

différentes composantes du rayonnement global avant et après transmission

par la couverture, et à plusieurs niveaux à l’intérieur du séchoir.

La figure III.16 présente les profils de variation des différentes composantes

mesurées dans le séchoir.

Une analyse rapide de ces courbes permet de constater qu’au niveau du sol du

séchoir, qui est l’endroit prévu pour installer le produit à sécher, le

rayonnement global est légèrement plus important que celui mesuré au niveau

de la vitre de toiture surtout pour la première partie de la journée. Alors qu’au

milieu de la journée, l’écart a tendance à diminuer pour les autres phases de la

journée.

Pour toute la journée, et en termes d’énergie, l’énergie quotidienne transmise à

l’intérieur du séchoir est de 10 % plus importante au niveau du sol qu’au

niveau haut sous la vitre inclinée du séchoir et est répartie d’une façon

symétrique au cours de la journée.

Figure III.16 : Composantes du rayonnement mesurées par le séchoir pour la journée du 26 juillet 2013

0100200300400500600700800900

1000

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23

Ray

on

ne

me

nt

en

W/m

²

Temps en heures

Composantes des Rayonnements solaires mesurées pour la journée du 26 juillet 2013

tranvitre

Horiz

transol


81

La figure III.17 représente l’évolution du rayonnement global sur plan incliné

mesuré et calculé par le modèle numérique. Les courbes montrent une parfaite

concordance des deux rayonnements ce qui confirme la performance des

résultats du programme et la possibilité de déduire cette composante à partir

des calculs. L’écart entre les énergies quotidiennes des deux composantes est

très faible et est ne dépasse pas 2%.

Figure III.17 : Rayonnement global incident calculé et mesuré pour la vitre inclinée du séchoir pour la journée du 27 juillet 2013

La figure III.18 représente l’évolution du rayonnement global transmis sur plan

incliné mesuré et calculé par le modèle numérique. Les courbes montrent aussi

une concordance très importante des deux composantes du rayonnement

mesuré par l’instrument et déduite par le modèle numérique. L’écart entre les

énergies quotidiennes des deux composantes est faible, il est de l’ordre de 17%.

0100200300400500600700800900

1000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Ray

on

ne

me

nt

en

w/m

²

Temps en heures

Rayonnement global incident sur plan incliné mesuré et calculé pour la journée du 27 juillet 2013

Glob plan inclinémesuré

Glob plan inclinécalculé


82

Figure III.18 : Rayonnement global transmis mesuré et calculé au niveau de la vitre inclinée du séchoir pour la journée du 27 juillet 2013.

Vitres verticales orientées Est et Ouest

La figure III.19 montre qu’au cours de la journée du 27 juillet 2013 (période

approximativement comprise entre 9h00 du matin et 16h00 de l’après midi), la

quantité du rayonnement direct incident sur plan horizontal est supérieur à

celles reçues par les surfaces orientée Est (S3) et orientée Ouest (S4). Ce constat

est dû au fait que, contrairement aux angles d’incidence des rayons solaires

sur les surfaces verticales Est ou Ouest, qui sont maximales en ce moment de

la journée, l’angle d’incidence des rayons solaires sur la surface horizontale est

faible.

En revanche, en début et en fin de journée, les surfaces verticales S3 et S4

reçoivent un rayonnement direct plus important que celui reçu par le plan

horizontal. Ceci est une conséquence directe des valeurs faibles des angles

d’incidence des rayons solaires sur ces surfaces.

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Ray

on

ne

me

nt

en

w/m

²

Temps en heures

Rayonnement transmis calculé et mesuré pour la journée du 27 juillet 2013

Transmis plan inclinécalculé

Transmis sous vitreinclinée mesuré


83

Figure III.19 : Rayonnements solaires directs incidents reçus par les surfaces orientées Est et Ouest et par le plan horizontal, pour la journée du 27 juillet 2013.

Nous constatons également qu’au cours de cette journée, l’intensité du

rayonnement direct reçu est plus importante pour la surface Ouest que pour la

surface Est.

Les valeurs mesurées au cours de cette journée montrent en effet que, pour

une irradiation quotidienne directe incidente sur plan horizontal de

5785.4Wh/m2 reçue par une surface horizontale, 3023 Wh/m2 sont reçus au

cours de l’après-midi (à partir du midi TSV jusqu’au coucher du soleil), contre

seulement 2763 Wh/m2 reçus avant midi. Ceci se répercute sur l’intensité du

rayonnement direct incident sur la façade Ouest, comparé à celui reçu par la

façade Est.

La comparaison des rapports, d’une part entre l’énergie solaire directe reçue

par la surface verticale orientée Est (1626.3 Wh/m2), et celle reçue le matin par

la surface horizontale, et d’autre part entre l’énergie solaire directe reçue par la

surface verticale orientée Ouest (1913.1 Wh/m2), et celle reçue l’après midi par

la surface horizontale, permet de confirmer la constance de la proportionnalité

de l’énergie solaire directe reçue alternativement par les deux surfaces S3 et S4,

par rapport à l’énergie quotidienne reçue par la surface horizontale :

% 60 3023

1.1913

2763

3.1626

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25

Ray

on

ne

me

nt

sola

ire

en

w/m

²

Temps en heures

Rayonnement direct incident reçu par les vitres est, ouest et la face horizontal

Face horizontal

Face est

Face ouest


84

Vitre inclinée orientée sud

Le graphe de la figure III.20 montre qu’en période d’été et particulièrement

pendant le mois de juillet, la surface vitrée inclinée S1 de 34 degrés et orientée

face au Sud reçoit, au cours de la journée, un rayonnement direct inférieur

mais aussi important au rayonnement direct incident sur plan horizontal.

Le rapport des énergies quotidiennes reçues respectivement par les deux

surfaces inclinée et horizontale est de l’ordre de 90%.

Le fait que le rayonnement direct sur plan horizontal reste supérieur tout au

long de la journée au rayonnement sur plan incliné est dû au fait que l’angle

d’incidence des rayons du soleil sur la surface horizontale est constamment

plus faible que l’angle d’incidence des rayons du soleil sur la surface inclinée

en cette période d’été. En période d’hiver, l’angle d’incidence pour la surface

horizontale est plus grand et par conséquent l’intensité du rayonnement

incident direct serait moins importante que celle du rayonnement direct

incident sur plan inclinée.

Figure III.20 : Rayonnement solaire direct incident pour les deux surfaces inclinées et horizontales pour la journée du 27 Juillet 2013.

Vitre verticale orientée sud

L’intensité du rayonnement direct reçu par la surface verticale orientée Sud est

faible, comparée au rayonnement direct incident sur plan horizontal pour la

journée du 27 juillet 2013 est représentée sur la figure III.21.

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Ray

on

ne

me

nt

en

wh

/m²

Temps eh heures

Rayonnement direct incident de la surface horizontal et la surface inclinée pour la journée du 27 Juillet 2013

Surfacve horizontale

Surface inclinée


85

Le rapport des énergies quotidiennes reçues respectivement par les deux

surfaces inclinée et horizontale est plus faible de 18% seulement.

Figure III.21 : Rayonnement solaire direct incident sur plan horizontal et sur la surface verticale face au Sud, pour la journée du 27 juillet 2013

Vitre verticale orientée nord

Le profil du rayonnement direct reçu par la surface orientée Nord montre

que cette dernière reçoit un rayonnement très faible comparé au

rayonnement sur plan horizontal (voir figure III.22). Nous signalons

également que ce rayonnement est négligeable par rapport aux autres

surfaces du séchoir solaire.

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23Ray

on

ne

me

nt

sola

ire

en

w/m

²

Temps en heures

Rayonnement solaire direct incident su le plan horizontal et le plan vertivla incliné

Face verticlae sud

Face horizontale


86

Figure III.22: Rayonnement solaire direct incident sur plan horizontal et sur la surface verticale face au Nord, pour la journée du 27 juillet 2013.

Le rapport des énergies quotidiennes reçues respectivement par la surface

verticale Nord et la surface horizontale est très faible; 2% seulement.

Nous déduisons alors que le rayonnement direct transmis par cette surface ne

contribue pas au bilan énergétique du séchoir, la vitre de la face Nord a été par

conséquent remplacée par une plaque alvéolaire en plexi glace, opaque et

isolante, à double parois en polycarbonate, avec un coefficient de transmission

thermique : Uw = 4,0 W.m-2.K-1.

Proportions des différentes composantes du flux solaire

Comme nous l’avons indiqué, le rayonnement solaire global arrivant au sol est

composé du direct, du diffus et du réfléchi. Selon la géométrie de la surface

réceptrice (qu’on définit par son inclinaison par rapport à l’horizontale, et par

son orientation par rapport au sud géographique), on parle du rayonnement

solaire incident sur une surface quelconque (qui peut être horizontale,

verticale, inclinée, orientée face au soleil, face au sud, face au nord, face à l’Est,

face à l’Ouest, ou d’orientation quelconque). Une combinaison de la géométrie

de la surface réceptrice (inclinaison et orientation) à chacune des trois

composantes directe, diffuse et réfléchie conduit à une nouvelle composante

qu’on appelle : composante directe horizontale, verticale, normale, face au sud,

etc., ou diffuse ou réfléchie, respectivement.

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24Ray

on

ne

me

nt

sola

ire

en

w/m

²

Temps en heures

Rayonnement solaire direct incident sur le plan horizontal et la face orientée nord

Face orientée nord

Face horizontale


87

Comme le séchoir est composé de quatre façades d’inclinaisons et

d’orientations différentes (la cinquième façade orientée Nord ne sera pas

considérée car il n’influe pas le bilan solaire du séchoir), il est nécessaire de

déterminer, à chaque instant de la journée d’étude choisie, et pour chacune

des façades, les quatre composantes incidentes : directe, diffuse, réfléchie et

globale. Ce qui augmente le nombre de composantes solaires à déterminer à

seize composantes.

En plus, le fait que les quatre parois constituant le séchoir sont en verre

transparent, le nombre de composantes solaires à déterminer augmente

encore, puisqu’il faut déterminer, pour chaque composante incidente, de

nouvelles composantes réfléchies, transmises et absorbées (soit un total de

soixante quatre composantes à déterminer).

En ramenant ces flux au flux solaire global mesuré sur plan horizontal, le

modèle numérique CESS permet de calculer les proportions de l’incident, du

réfléchi, de l’absorbé et du transmis par les différentes surfaces du séchoir.

La figure III.23 illustre les profils de variation, au cours de la journée du 27

juillet 2013, des quatre composantes incidente, transmise, réfléchie et

absorbée par l’ensemble de la couverture du séchoir. Le calcul effectué par le

programme utilise une pondération sur les quatre surfaces.

Figure III.23: Rayonnement solaire global incident, transmis, réfléchi et absorbé par la couverture du séchoir pour la journée du 27 juillet 2013

0

100

200

300

400

500

600

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23

Ray

on

ne

me

nt

sola

ire

glo

bal

en

w/m

²

Temps en heures

Composantes du rayonnement global reçu par l'ensemble de la couverture du séchoir

Incident

Transmis

Réfléchi

Absorbé


88

La connaissance de la proportion du flux solaire transmis à l’intérieur du

séchoir est d’une grande importance quant à la détermination de la

performance solaire du séchoir, et sa capacité à transformer l’énergie solaire

transmise en énergie thermique, indispensable pour le séchage des produits.

Plus cette proportion est importante, plus le séchage est efficace, et l’on définit

alors l’efficacité du séchoir par le rapport entre le global total transmis à

l’intérieur du séchoir, par unité de surface de la couverture, et le global total

incident sur la couverture, par unité de surface de celle-ci.

Le rayonnement solaire global réfléchi par le séchoir solaire vers l’extérieur ne

représente que 10 % de l’énergie totale quotidienne incidente sur la couverture.

Cette proportion étant faible, l’impact de l’énergie réfléchie sur le processus du

séchage n’est donc pas très influant. Cependant, un traitement antireflet de la

face externe des vitres demanderait des investissements supplémentaires, mais

pourrait contribuer à une diminution du global réfléchi, et par conséquent à

une augmentation du transmis, dans des proportions limitées.

En ce qui concerne la proportion du flux solaire absorbé par les parois du

séchoir, elle n’est que de 11 % de l’énergie quotidienne totale incidente sur la

couverture. Cette partie du flux absorbé contribue à augmenter la température

du séchoir et par conséquent à améliorer l’efficacité thermique du séchoir.

Pour ce qui est de la proportion du global transmis par les façades vitrées du

séchoir, elle représente 79 % du global incident sur la couverture. Elle est de ce

fait la plus importante comparée aux proportions du global réfléchi et absorbé.

Le modèle numérique permet de calculer la part de chaque façade du séchoir

dans le global transmis. Ces détails sont illustrés sur le tableau III.8:

Proportion en % du rayonnement transmis à travers chaque façade du séchoir relativement au rayonnement global transmis par l’ensemble de la

couverture.

Façade inclinée 62%

Façade verticale sud 10%

Façade verticale est 13%

Façade verticale ouest 15%

Tableau III.8 : Proportion du rayonnement global transmis par les différentes façades du séchoir.


89

Ces détails nous permettent de déterminer la surface qui contribue le plus à

transmettre le rayonnement à l’intérieur du séchoir.

Une première comparaison des quantités des flux transmis par les différentes

surfaces montre que la surface inclinée sud contribue le plus à avoir un

maximum d’énergie à l’intérieur du séchoir.

La figure III.24 montre la variation des profils du rayonnement transmis par

chacune des façades du séchoir en comparaison avec le rayonnement global

incident et transmis total par la couverture du séchoir.

Figure III.24 : Variation du rayonnement transmis par les surfaces inclinées sud (a), surface vertical sud (b), surface est (c) et surface ouest (d), du rayonnement incident et

transmis total de la couverture pour la journée du 27 Juillet 2013.

0

100

200

300

400

500

600

1 4 7 1013161922Ray

on

ne

me

nt

sola

ire

en

w/m

²

Temps en heures

Rayonnement transmis par la surface inclinée comparativement aux rayonnement global

incident et transmis Incident

Globaltransmis

Transmisparsurfaceinclinée

a

0

100

200

300

400

500

600

1 4 7 1013161922

Ray

on

ne

me

nt

sola

ire

en

w/m

²

Temps en heures

Rayonnement transmis par la surface verticale sud comparativement au global

incident et transmis

Incident

Globaltransmis

transmisverticalsud

b

0

100

200

300

400

500

600

1 5 9 13 17 21

Ray

on

ne

me

nt

sola

ire

en

w/m

²

Temps en heures

Rayonnement transmis par la surface verticale est comparativement aux

rayonnement global incident et transmis

Incident

Globaltransmis

transmisverticaleest

c

0

100

200

300

400

500

600

1 4 7 1013161922

Ray

on

ne

me

nt

sola

ire

en

w/m

²

Temps en heures

Rayonnement transmis par la surface verticale ouest comparativement aux rayonnement

global incident et transmis

Incident

Globaltransmis

Transmisverticaleouest

d


90

V. INTERFACE NUMERIQUE ET GRAPHIQUE DU LOGICIEL DEVELOPPE

Afin de traiter plusieurs simulations et exploiter les résultats d’une manière

exhaustive et conviviale, une interface graphique, simple et pratique a été

développée au sein du laboratoire. Cette interface a permis de visualiser les

différentes sorties du modèle, à savoir les différentes composantes des

rayonnements calculés par le logiciel (direct, transmis, absorbé et global) pour

les différentes éléments du séchoir, seulement par l’introduction de la date du

jour, la position et les caractéristiques géographiques du séchoir. Comme

étapes intermédiaires l’interface permet également de calculer et de visualiser

d’une manière interactive les différents résultats de calculs des paramètres de

positionnement du soleil (l’équation du temps, la déclinaison du soleil, l’azimut,

la hauteur du soleil, etc.).

Ainsi, les caractéristiques les plus intéressantes de l’interface sont :

- la fenêtre principale de l’interface est donnée par la figure III.25. Elle s’affiche

une fois l’interface se lance. Les boutons les plus importants permettent de

connaître l’objectif principal de l’interface, de savoir utiliser l’interface via le

help ainsi que la possibilité de charger une simulation.

Figure III.25 : Page principale de l’interface CESS pour le calcul du rayonnement.

-la page pour charger une simulation est donnée par la figure III.26. Cette page

permet d’introduire la position géographique du séchoir solaire (latitude,

longitude), la date et les caractéristiques du séchoir (longueur, largeur,


91

hauteur). Nous pouvons également parcourir le fichier contenant les données

mesurées et le télécharger. Le fichier d’entrée contient quatre colonnes (l’heure,

le rayonnement global mesuré sur plan horizontal, le rayonnement transmis

mesuré sous la vitre du plan incliné et le rayonnement transmis mesuré déposé

au sol du séchoir. Les surfaces des différentes faces du séchoir ainsi que leurs

inclinaisons et orientations sont déduites simultanément et automatiquement.

Figure III.26: Page de l’interface CESS pour l’introduction des données d’entrées.

- la page de l’interface pour le lancement du calcul. Le bouton « lancer » une

fois appuyé permet de faire le traitement et alimenter le fichier de sortie. Le

bouton généré « ok » informe l’utilisateur sur la fin des calculs et sur la

possibilité de visualiser les résultats. Deux modes de résultats sont disponibles

sous forme numériques dans des fichiers bien commentés et/ou sous forme

des graphes.


92

Figure III.27: page pour le lancement du calcul

-la page de la visualisation des données numériques permet de visualiser

l’ensemble des données de sorties numériques des différentes composantes du

rayonnement relatives à chaque face du séchoir et les rayonnements globaux

pour toutes les faces vitrées. Les données intermédiaires comprenant les

données astronomiques sont aussi calculées et enregistrés dans le fichier

numérique:

Figure III.26: page de l’interface permettant de visualiser les résultats graphiques du rayonnement pour une journée de données.


93

-la page de visualisation des sorties graphiques permet de parcourir les

principaux résultats du logiciel sous forme des graphes.

Figure III.28: page de l’interface permettant de visualiser les résultats numériques du rayonnement.

VI. CONCLUSION

La recherche de l’éclairement optimum a été l’objet principal de ce chapitre. Les

études menées au laboratoire ont permis d’adopter une orientation sud et une

inclinaison similaire à celle de la latitude du lieu qui est pour notre cas celle de

Rabat ; susceptible d’obtenir un meilleur bilan énergétique au sein du séchoir.

Les expériences et les simulations par le modèle développé au sein du

laboratoire ont permis de valider la performance du séchoir solaire construit de

telle manière à minimiser les déperditions énergétiques et acquérir un

maximum de rayonnement solaire transmis à l’intérieur du séchoir.

Les influences des paramètres tels que l’orientation, l’inclinaison, les profilés et

les dimensions géométriques du séchoir ont également contribuées à concevoir

une forme optimale permettant de satisfaire les besoins signalés.

L’influence saisonnière est un volet important à développer davantage pour les

études futures. La saison a certainement son impact sur la performance du

séchoir en plus des paramètres préalablement étudiés. D’autres scénarios

feront alors l’objet d’études en fonction des saisons permettant d’avoir un

séchoir solaire d’une meilleure performance.

Chapitre 4 : Description du séchoir solaire et de ses paramètres mesurées

94

Chapitre 4 : Description du séchoir

solaire et de ses paramètres

mesurées

I. INTRODUCTION

L’établissement du microclimat à l’intérieur du séchoir est la conséquence

directe d’interactions se produisant, d’une part entre les éléments constituant

le séchoir solaire (le vitrage, le sol, l’air intérieur, la tôle) et d’autre part entre

ces éléments et les variables liées aux conditions climatiques externes

(rayonnement solaire, température ambiante, vitesse du vent, humidité, etc.)

D’autres facteurs spécifiques au microclimat de la région doivent être pris en

considération (prédominance de la direction et amplitude de variation des

vents, les phénomènes tel que le brouillard, la brume, humidité, etc.).

Un compromis entre ces différents facteurs et une conception géographique

d’un séchoir solaire sont demandés pour maintenir une homogénéité des

températures et du potentiel hydrique, par conséquent éviter d’affecter

quantitativement les propriétés thermiques (conductivité, diffusivité, capacité

thermique, etc.).

La ventilation naturelle ou artificielle ou bien le chauffage pouvant être menées

séparément ou simultanément pour maintenir ou modifier le bilan thermique

nécessaire au bon développement des conditions du séchage.

Nous avons procédé à une série d’expérimentations où les températures, les

humidités relatives à l’extérieur et à l’intérieur du séchoir, les températures des

éléments du séchoir (vitrage, sol à différents niveaux, la tôle) et les différentes

composantes du rayonnement (rayonnement global sur plan horizontal et

incliné, le rayonnement direct, le rayonnement transmis sous la vitre et au sol)

sont mesurées.

Les mesures sont prises pour différentes situations et configurations (sans ou

avec tôle, sans ou avec ventilation naturelle ou forcée, etc.) pour permettre

d’analyser et de caractériser l’évolution des variables d’états, des flux radiatifs,

conductifs et convectifs et par conséquent déterminer le bilan énergétique et

thermique du séchoir solaire.


95

II. LE SITE DE L’INSTALLATION

L’installation, réalisée avec la contribution de l’équipe du laboratoire d’Energie

Solaire et d’Environnement de la faculté des sciences de Rabat, a fait l’objet des

essais expérimentaux et de mesures est localisée sur la terrasse du

laboratoire, située sur le littoral atlantique (latitude 34°05' N, longitude 06°47'

W) à une altitude de 65 m ou règne un climat de type méditerranéen. Une

description détaillée des différentes caractéristiques climatiques de la région a

fait l’objet d’étude dans les chapitres précédents.

Le dispositif expérimental mis en œuvre au cours de notre étude est composé

de deux séchoirs solaires ; un utilisé pour effectuer les mesures courantes et

l’autre sera un prototype témoin permettant de faire des études de

comparaisons et du calibrage.

Chaque séchoir utilise trois entités: le séchoir solaire, les instruments de

mesures et le système d’acquisition des données.

Le séchoir qu’on se propose d’étudier est de type direct. La couverture du

séchoir est constituée des faces vitrées d’épaisseur 6 mm, laissant passer le

rayonnement solaire. La figure IV.1 ci-dessous schématise une vue en

perspective des séchoirs utilisés.

Figure IV.1 : Vue en perspective du séchoir


96

Le séchoir contient les éléments suivants :

i. La face de toiture

Constituée d’un panneau vitré incliné de 34° (latitude du lieu) par rapport à

l’horizontale, et composée d’une partie fixe de dimension (145 cm x 150 cm).

ii. La face orientée Sud

Constituée d’un panneau vitré verticale de dimension (150 cm x 100 cm).

iii. La face orientée Est

Constituée d’un panneau composé de quatre châssis dont deux rectangulaires

fixes de dimensions (53 cm x 59 cm et 60 cm x 88 cm), d’un châssis à frappe

de dimension (53 cm x 23 cm) pour la ventilation naturelle, et d’un châssis

triangulaire.

iv. La face orientée Ouest

Face identique par symétrie à la face orientée Est

v. La face orientée Nord

Constituée d’un panneau vitré en plexi glace, d’une partie fixe de dimension (80

cm x 182 cm) et d’une porte en frappe de dimension (70 cm x 182 cm) avec

serrure. L’utilisation du plexi glace est justifiée du fait que la face Nord, comme

on le verra plus loin, ne contribue pas dans le bilan énergétique solaire du

séchoir.

Les profils aluminium utilisés pour la fabrication du séchoir sont de marque

NAFIDA, et sont assemblés par des pièces métalliques spéciales en inox, et

dissimulées.

Les assemblages à coupes d’onglets se font au moyen d’équerres, de tés (T),

etc., et sont fixés soit par vis et contre plaques à rampes, assurant un

resserrement de l’onglet, soit par empreinte de sertissage ou par calage.

Les vitrages sont fixés à l’aide des parcloses en profilés d’aluminium et joints

élastomères EPDM à clips.

Les joints horizontaux et verticaux sont traités par un produit type silicone

pour assurer une bonne étanchéité.

vi. Socle du séchoir

Le séchoir est posé sur un socle en béton, d’épaisseur 15 cm et de dimension

(180 cm x 150 cm), réalisé sur la terrasse du laboratoire. Un jeu de vis et de


97

chevilles permet de fixer le séchoir au socle. Des joints traités par un produit

type silicone assurent une bonne étanchéité à l’air et à l’eau.

vii. Extracteurs

Deux extracteurs de débit 98 m3/h et de puissance 14 W ont été installés, l’un

sur la face orientée Est, et l’autre sur la face orientée Ouest pour permettre une

bonne distribution de l’air dans le séchoir. Ces extracteurs sont fixés en haut

au même niveau. Ils sont alimentés par un câble 3 x 2,5 mm², posé sur des

buses de diamètre 13 mm et branché à un coffret électrique installé pour

l’occasion.

Les extracteurs sont commandés à l’aide d’une horloge programmable.

Ces extracteurs permettront d’avoir plus de chance de succès du séchage

comme seule la convection naturelle n’a pas une importante capacité

d’expulsion de l’humidité à cause du faible débit de l’air. L’idée est d’utiliser par

la suite un panneau photovoltaïque pour fournir l’énergie de ventilation

nécessaire. Cette façon de faire permettra à l’unité une autosuffisante en

énergie électrique.

viii. Tôle

Nous avons conçu une tôle en acier non galvanisé de dimension 110cmx47cm

et d’épaisseur 2 mm qu’on a peint en noir en plusieurs couches afin de garantir

une qualité meilleure et d’éviter tout endommagement qui peut être causé par

les alias climatiques. La tôle est assimilée à un corps noir, et joue le rôle

d’absorbeur idéal pour le séchoir. Le coefficient de transmission et de diffusion

peuvent être considérés négligeable alors que celui d’absorption est voisin de 1.

Avec ces considérations, on suppose que la tôle ne réfléchit pratiquement rien

et que par conséquent les vitres n’absorbent aucun flux arrivant sur la tôle.

La figure IV.3 représente les deux séchoirs réellement adoptés pour la suite de

l’étude :


98

Figure IV.3 : Séchoirs solaires prototypes

III. INSTRUMENTS ET PARAMETRES MESURES

III.1 Introduction

L’installation du séchoir est composée d’un ensemble d’instruments permettant

de mettre en place un dispositif expérimental capable de suivre et d’analyser,

en temps réel, l’évolution des variables énergétiques et thermiques : les

variables énergétiques concernant les différents flux solaires, et celles

thermiques concernant les températures des éléments du séchoir, la

température ambiante, l’humidité relative à l’intérieur et à l’extérieur du

séchoir, la vitesse et la direction du vent, etc.

III.2 Centrale d’acquisition

La centrale d’acquisition de données utilisée au cours de notre étude

expérimentale nommée CR10X (Campbell Scientific, 2005) est un produit de

Campbell Scientific entièrement programmable et est contenue dans un boîtier

étanche de faible encombrement. Le transfert de données entre la centrale

d’acquisition CR10X et le support informatique se fait à l’aide de l’interface

RS232 (SC532 ou SC32A).

L’alimentation électrique de la CR10X est externe, ce qui permet d’avoir

plusieurs options d’alimentation électrique.


99

L’alimentation électrique

L’alimentation électrique utilisée est comprise entre 9.6 et 16 volts en courant

continu. Une diode interne au bornier de la centrale protège celle-ci contre les

inversions de branchement à la batterie. L’autonomie de la centrale peut être

déterminée en divisant la capacité de la batterie (en ampère-heure) par la

consommation de la centrale.

Le bornier de raccordement

La centrale d’acquisition et le bornier de raccordement sont reliés

électriquement grâce aux deux connecteurs de type D situés à l’extrémité

gauche du boîtier de la centrale. Il possède deux rangées de barrettes de

connexion pour relier les câbles des capteurs, le contrôle et l’alimentation

électrique de la centrale et un port d’entrée/sortie 9 broches utilisé pour la

communication en mode série de la centrale d’acquisition de données. Le

bornier assure entre autre une protection contre les courants transitoires et

l’inversion de polarité.

Les barrettes de connexions possèdent 48 branchements possibles. Chaque

possibilité est repérée par une lettre, un chiffre ou une combinaison des deux.

Ces 48 branchements sont subdivisés en différents groupes et ayant des

fonctions bien définies (les connexions sur le bornier, les sorties d’excitation

commutée, les entrées d’impulsions, les ports d’entrées sorties numériques, les

masses analogiques, bornes d’alimentation électrique 12 Volts et masse, les

sorties 5 Volts) .

Les deux barrettes de connexion se trouvant sur le dessus de la centrale

permettent de brancher non seulement l’alimentation électrique, mais surtout

tous les capteurs et dispositifs que l’on désire interroger ou commander. A côté

de ces deux barrettes de connexion, il existe aussi un connecteur à 9 broches

qui est destiné plus particulièrement aux dispositifs de communication, aux

modules mémoire, au clavier ainsi qu’à un ordinateur.

Programmation de la CR10x

La centrale d’acquisition CR10X doit être programmée avant d’entamer la

moindre action. Un programme est une suite d’instructions, entrées dans une

table de programme qui possède un intervalle d’exécution qui lui est attribué

déterminant sa fréquence d’exécution.

Les instructions sont exécutées séquentiellement du début à la fin. Après avoir

exécuté toutes les instructions de la table, la CR10X attend jusqu’à la fin de

l’intervalle d’exécution, puis exécute à nouveau la table à partir du début.


100

L’intervalle d’exécution de la table détermine généralement l’intervalle de

mesure des capteurs. L’intervalle de traitement et/ou de stockage des données

est distinct de l’intervalle d’exécution de la table. Cet intervalle peut être

équivalent à l’intervalle d’exécution (échantillonnage), ou à un intervalle

permettant d’effectuer des sauvegardes de résumés de traitement de données

chaque heure, chaque jour, ou à des intervalles plus longs, voire irréguliers.

Mémoire interne de la CR10x

La mémoire est considérée comme un nombre fini d’emplacements de stockage

des données. Lorsque tous les emplacements sont utilisés, le stockage

recommence à partir de l’origine de la mémoire. Ce type d’organisation, appelé “

mémoire tournante ”, permet de ne pas perdre les données les plus récentes, en

considérant que les données les plus anciennes ont été sauvegardées

auparavant.

La central d’acquisition CR10X standard a 128 ko de mémoire programme

(EEPROM) qui stocke le système d’exploitation et les programmes élaborés, et

128 ko de mémoire statique accessible aléatoirement (SRAM) utilisée pour les

données et pour l’exécution des programmes. Le stockage des données peut

être étendu avec un flash EEPROM optionnelle.

La taille des deux zones mémoires additionnelles (mémoire système et mémoire

programme) est fixe. La mémoire peut être réallouée entre les zones pour

s’adapter aux différents besoins de l’acquisition et des traitements.

La mémoire statique est composée de cinq zones de la SRAM, à savoir:

Mémoire d’entrée : contient le résultat des mesures et des calculs.

Mémoire intermédiaire : Certaines instructions de traitement et la

plupart des instructions de traitement de sauvegarde utilisent la

mémoire intermédiaire pour les résultats temporaires.

Mémoire finale : Les valeurs finales traitées y sont stockées pour le

transfert vers l’imprimante pour le module mémoire ou pour une

collecte par télécommunication.

Mémoire système : utilisée pour des tâches avancées comme la

compilation des programmes et le transfert de données. On note que

l’utilisateur n’a pas accès à cette mémoire.

Mémoire programme : C’est la mémoire disponible pour les

programmes rentrés par l’utilisateur dans les tables de programme.

Echange d’information


101

L’échange et la communication de données se fait via un appareil externe

connecté au port série d’entrée/sortie du bornier. Cela peut être soit

l’écran/clavier portable CR10KD de Campbell Scientific, soit un terminal ou un

ordinateur avec l’interface RS232 (SC32A).

Le progiciel de support PC208 (sous DOS) ou PC208W (sous Windows) de la

centrale d’acquisition de données de Campbell Scientific permet l’utilisation des

ordinateurs PC pour la communication avec la CR10X. Il contient un éditeur de

programme, un émulateur de terminal de télécommunications, un programme

de compression de données, et des logiciels pour récupérer les données des

modules mémoire.

Dans notre cas la CR10X est liée à un ordinateur avec un logiciel de support

sous Windows.

Le programme de la CR10X est utilisé sous forme d’instructions numérotées

qui agissent sur la nature des données d’entrée/sortie, les temps de

sauvegarde et sur l’exécution du programme (boucles, tests conditionnels, etc.)

III.3 Variables énergétiques

La mesure et l’identification des différentes densités de flux solaires mis en jeu

dans l’établissement du bilan du séchoir permettront de vérifier un certain

nombre d’hypothèses, et par la suite de mettre au point un modèle numérique

capable de prévoir avec grande précision les différentes composantes du

rayonnement au sein du séchoir construit.

Pyranomètres

Le rayonnement global solaire reçu par une surface plane sous un angle solide

de 2π stéradian est mesuré par le pyranomètre. Il peut être également utilisé

pour mesurer le rayonnement réfléchi par le sol ou le rayonnement diffus dans

l’atmosphère, s’il est accompagné d’une bande pare-soleil qui masque le

rayonnement direct. L’unité dans le système SI est le (W/m²).

Le pyranomètre est constitué d’une thermopile comportant 64 thermocouples

de type cuivre constantan qui mesurent la différence d’énergie reçue par une

surface noire et une blanche. Une coupelle en verre limite la perte de chaleur

par convection et les effets perturbateurs du vent.

Les fuites thermiques vers le boîtier et les éventuels échauffements trop

importants de la thermopile peuvent être évités en mettant en place un cache

conçu pour cet effet. Une cartouche contenant un produit desséchant (le

silicagel par exemple) se fixe sous la surface réceptrice de l’instrument. Le


102

produit desséchant limite la condensation interne sous la coupelle afin de

minimiser les erreurs qui pourraient entacher les mesures.

Afin d’estimer le coefficient solaire du vitrage du séchoir, nous avons installé,

dans deux endroits dégagés, deux pyranomètres de type SP LITE, l’un à

l’intérieur et au milieu du séchoir, et l’autre à l’extérieur. Le pyranomètre

installé à l’intérieur du séchoir est posé sur une plate forme horizontale fixée

par un mât de 1,1 m de hauteur environ (voir figure IV.1). Un niveau à bulle

solidaire du corps de l’instrument permet de régler l’inclinaison à l’aide de vis

de calages à molette. Le pyranomètre horizontal installé à l’extérieur fait partie

de l’instrumentation de la station météo automatique du laboratoire (SHARMA et

al. 1972).

En addition à ces deux pyranomètres, deux autres pyranomètres de même type

ont été installés, l’un à l’intérieur au niveau bas du séchoir, endroit prévu pour

poser le produit à sécher, l’autre sur un plan incliné, de même inclinaison que

la face de toiture du séchoir, permettant de mesurer le rayonnement global

incident sur la surface de toiture. Ce dernier pyranomètre fait partie de

l’instrumentation de la station automatique du laboratoire (SHARMA et al.

1972).

Paramètres mesurées

Les pyranomètres que nous avons installés, nous ont permis de mesurer les

différentes densités de flux solaires, à savoir :

le rayonnement global sur plan horizontal à l’extérieur du séchoir ;

le rayonnement global sur plan incliné à l’extérieur du séchoir ;

le rayonnement global sur plan horizontal à l’intérieur en haut du

séchoir ;

le rayonnement global sur plan horizontal à l’intérieur en bas du

séchoir.

Le logiciel d’acquisition de données EDLOG (Campbell Scientific, 2005)

nous a permis de collecter les données des différents rayonnements

via un ordinateur.

III.4 Variables thermiques

III.4.1 Le vent

La direction et la force sont mesurées par la girouette et l’anémomètre

respectivement. Les deux instruments sont rassemblés dans le même moniteur

portant l’appellation Girouette de Young. La rotation de l’hélice à quatre

palettes hélicoïdales entraîne six aimants, et permet à une bobine, installée sur


103

la partie centrale non tournante du support principal, d’induire un signal

sinusoïdal de fréquence proportionnelle à la vitesse du vent.

La position de la girouette est transmise par un potentiomètre de précision de

10 kΩ qui nécessite une tension d’excitation régulée. Le signal de sortie est

directement proportionnel à l'angle azimut qui varie de 0 à environ 360°.

La vitesse du vent est donnée en m/s alors que la direction est donnée selon la rose du 36. (Rose C.W., Sharma M.L., 1984).

III.4.2 La température

III.4.2.1 l’extérieur du séchoir

La température à l’extérieur du séchoir est mesurée par une sonde HMP45C

fabriquée par Campbell Scientific (Samrani H., 2012). Cette sonde rassemble

deux capteurs : un pour la mesure de la température et l’autre pour la mesure

de l'humidité relative. Elle est placée dans l’abri URS1 qui est fixé en haut d’un

mât vertical de 6 m de haut, installé à la station automatique du Laboratoire

(figure IV.4). La figure IV.4 représente le dispositif de mesure sonde + abri :

Figure IV.4 : le dispositif de la mesure de la température sonde + abri

III.4.2.2 A l’intérieur du séchoir

Les températures à l’intérieur du séchoir sont mesurées à l'aide de

thermocouples type K constitués par le couple de conducteurs [Nickel 10%

Chrome (+) / Nichel 5% Aluminium (-)]. La jonction des deux matériaux de

natures différentes conduit, par effet Seebeck, à l'établissement aux bornes du

thermocouple d'une force électromotrice f.e.m, proportionnelle à la température

de jonction Tj. Connaissant la température de référence Trth correspondant à la

température du point de connexion du thermocouple à l'unité centrale

d'acquisition, la température de jonction est alors déterminée par la relation

(BARGACH M.N., 2000)


104

j rth

seeb

femT T

Où αseeb est le coefficient de Seebeck relatif au type du thermocouple. Pour le

type K, la variation du coefficient αseeb dans la gamme de températures allant

de 0 à 100 °C est presque linéaire, et sa valeur qui reste constante est égale à

40 V/°C (HWLETT-PACKARD, 1983).

L'emplacement de boite de jonction (ou bloc de connexions) dans un endroit

proche des points de mesures, permet de réduire la quantité des

thermocouples nécessaires à mettre en place entre chaque point de mesure de

température et le système d’acquisition de données. Ce dernier étant

constamment à la température de référence.

Avec une boite de jonction, les thermocouples sont installés seulement entre

chaque point de mesure et la boite de jonction. La liaison avec l'unité

d'acquisition est assurée ensuite par un câble téléphonique contenant autant

de paires que de points de mesures. Connaissant la température Tb de la boîte

de jonctions qu'on mesure directement par un thermocouple, les températures

Tk des points de mesures peuvent être alors déterminées par la correction

suivante :

Tk = Tmes+ Tb-Trth

Où Tmes est la valeur de la température lue directement par le système

d'acquisition aux bornes du câble téléphonique. La figure IV.5 illustre la boite de jonction avec les différentes connexions.

.

Figure IV.5 : Boite de jonction utilisée au niveau du laboratoire.


105

III.4.3 L’humidité

III.4.3.1 Humidité à l’extérieur du séchoir

L’humidité à l’extérieur du séchoir est mesurée grâce à la sonde HMP45C de la

station automatique du laboratoire (SHARMA et al. 1988). Elle est caractérisée

par sa bonne fiabilité et sa stabilité à long terme. Aussi sa faible consommation

en courant et sa grande précision permettent d’avoir des données de bonne

qualité.

III.4.3.2 Humidité à l’intérieur du séchoir

Dans le cas où l'on suppose que l'air humide est un gaz parfait on peut

appliquer au mélange air sec et vapeur d'eau la loi de Dalton : la pression

totale de l'air humide est la somme des pressions partielles des constituants

(vapeur d’eau et air sec).

Lorsque l’air contient une quantité maximale de vapeur d’eau à une

température donnée, on parle de pression de vapeur saturante, Pv,e-sat. La

vapeur proche de la surface des éléments du séchoir est à la pression de

vapeur saturante et à la température de surface. L’écart entre ces deux

pressions est un des termes moteurs pour l’évaporation de l’eau du produit que

l’on appelle pouvoir évaporatoire.

L’humidité relative à l’intérieur du séchoir Hr, exprimée en pour cent,

représente le rapport entre la pression partielle, Pv,e et la pression de vapeur

saturante, Pv,e.sat . Elle a une valeur de 100% lorsque l’air est saturé. A

différence de l’humidité relative, l’humidité absolue correspond à la masse de

vapeur d’eau contenue par 1 kilogramme d’air sec, elle est exprimée alors en

kgw/kgas.

En début de séchage, il est très important d’utiliser des humidités de l’air

importantes afin de ne pas créer des conditions trop rigoureuses. Les faibles

humidités confèrent à l’air un pouvoir d’évaporation important donc, la surface

du produit va sécher très rapidement, et ça peut provoquer un blocage de la

circulation de l’eau à cause de la dureté de la surface (défaut de cémentation).

Puis, le front de séchage se déplace vers le centre du matériau et la production

de vapeur augmente la pression interne en provoquant l’effondrement des

parois (défaut de collapse), (CHALAL N., 2007).

Au cours du processus du séchage solaire, il est donc important de pouvoir

quantifier l’humidité contenue dans l’air à l’intérieur du séchoir, de suivre son


106

évolution et de savoir réguler et maîtriser son niveau pour garantir un

environnement favorable des séchages des produits.

Pour effectuer des mesures de l’humidité relative à l’intérieur du séchoir

construit, nous avons alors conçu un psychromètre à l’aide de deux

thermocouples. La soudure de l’un est placée à l’ombre et à l’air libre et permet

de mesurer la température sèche Ts. La soudure de l’autre thermocouple est

placée au même endroit mais entourée par une mousseline imbibée d’eau pour

la mesure de la température humide Th.

A partir de la connaissance des deux valeurs de la température Ts et de la

température Th, on détermine l’humidité relative à l’intérieur du séchoir à

l’aide, soit par le rapport des pressions de vapeur saturantes, soit par la

formule psychrométrique.

III.4.3.3 La méthode de rapports de pressions saturantes

Le calcul de l’humidité relative est donnée par de la relation suivante (Samrani

H., 2012) :

)T(P

)TT()T(PW

ssat.e.v

hshsat.e.vr

(Eq.IV-1)

avec )(.. TP satev : Pression de la vapeur d'eau saturante à la température T

Calculée à partir de la relation :

)

T

1

T

1(.AExp.P)T(P

oosat.e.v

(Eq.IV-2)

avec A = (M . Lv)/R

M : Masse molaire de l'eau, M = 0,018 kg/mol ;

Lv : Chaleur latente de vaporisation de l'eau Lv =2,26.106 J/kg ;

R : Constante des gaz parfaits, R = 8,31447 J.K-1.mol-1 ;

P0: La pression atmosphérique, Po = 1013 mbar ;

T0= 373,15 K : Température d'ébullition de l'eau à la pression atmosphérique

Po.

: Coefficient psychrométrique = 75 (Pa.k-1) ;

Ts: Température sèche en Kelvin ;

Th: Température humide en Kelvin.

Les résultats de cette méthode ont été comparés aux résultats de la méthode

Ponthus (Ponthos, 2000) et ont montrés un écart ne dépassant les 1% comme


107

valeur maximale. Les mêmes résultats ont été également confrontés aux

résultats utilisant les formules psychrométriques. Cette dernière comparaison

a conduit à des écarts atteignant les 2% comme valeur maximale.

Pour la suite de notre étude nous serons limités aux formules décrites ci-

dessus pour le calcul de l’humidité relative.

III.4.3.4 Méthode psychrométrique

L’humidité relative dans ce cas est donnée par les tensions de vapeur selon

l’expression suivante :

(Eq.IV-3)

Avec

E(P) = Ewp(Tw) – (7.9 / 10000) * (1+0.000944* Tw) * P * (T – Tw)

Ewp(T) = F(P) *Ew(T)

F(P) = 1.0016 + 3.15 / 1000000 x P – (0,0074 / P)

Ew(T) = 6.112 * Exp[(17.62 * T) / (243.12 + T)]

P est la pression réduite à 0°c en Hpa;

T est la température du thermomètre sec;

Tw est la température du thermomètre mouillé.

III.4.3.5 Validation des méthodes pour le calcul de l’humidité

Afin de choisir, dans notre étude, la méthode qui donne plus de précision pour

le calcul de l’humidité relative, nous avons réalisé une comparaison entre les

résultats de calcul des deux méthodes, les mesures effectuées par le

psychromètre de la station automatique installé sur la terrasse du Laboratoire

d’Energie Solaire et d’Environnement et les formules de (Ponthos, 2000).

Pour valider la précision des méthodes utilisées pour le calcul de l’humidité à

l’intérieur du séchoir, nous avons procédé à une expérimentation pour la

journée du 31 juillet 2013. Les deux thermocouples pour la mesure de la

température sèche et mouillée ont été mis à l’extérieur du séchoir pour avoir le

maximum possible les mêmes conditions de mesures que celle du

psychromètre de la station automatique installée au laboratoire et pour pouvoir

faire des comparaisons valables.

Les résultats de cette expérience sont montrés dans la figure IV.6. Nous

constatons d’abord une forte concordance entre les calculs effectuées par les

formules psychrométrique et celle du milieu avec un maximum d’écart de

seulement 2% ; néanmoins on note que les calculs du milieu sont plus

proches des mesures de la station. L’écart observé entre les mesures et les


108

valeurs calculés peut être expliqué par les incertitudes liées des mesures et à

par l’emplacement des instruments.

Figure IV.6: Validation de l’humidité relative pour la journée du 31 juillet 2013.

Le calcul de l’humidité relative à l’intérieur du séchoir a été effectué selon la

méthode de Ponthos en se basant sur les mesures de la température sèche et

humide à l’intérieur du laboratoire. Les résultats de cette méthode ont été

confrontés au calcul psycho et au calcul du milieu selon les formules

explicitées ci-dessus. Les valeurs des humidités calculées selon les trois

méthodes sont très proches les unes des autres, un écart sensible maximum de

l’ordre de 4% est néanmoins observé au milieu de la journée. Les comparaisons

avec les formules de Milieu confirment une parfaite similitude des résultats

avec une différence faible qui ne dépassent même par les 2%. Le calcul

psychrométrique dans la plupart des cas sous estime un peu les valeurs de

l’humidité relative calculés par les deux autres méthodes, voir figure IV.7.

70

75

80

85

90

95

100

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

Hu

md

ité

re

lati

ve e

n %

Temps en Heure

Validation du calcul de l'humidité relative à l'extérieur du séchoir pour la jounrée du 31 Juillet 2013

Station Automatique

Calcul psycro

Humdité Milieu


109

Figure IV.7 : Humidité relative calculée à l’intérieur du séchoir pour le 1 et le 2 août 2013.

D’après les expériences effectuées pour le calcul des humidités relatives, nous

constatons que les formules utilisées dans la méthode du milieu donnent des

résultats plus proches aux mesures et aux valeurs calculées par Ponthos.

Par la suite, nous allons nous baser pour les autres phases de l’étude sur la

méthode du milieu pour le calcul l’humidité relative.

III.4.3.6 Humidité absolue

L’humidité absolue Wa (kgkg) est définie par le rapport entre la masse d’eau

contenue dans l’air humide (mv) sur la masse de l’air sec (ma).

(Eq.IV-4)

La masse mv est rapportée à la masse de l’air sec et non pas à la masse

totale du mélange du fait que, dans les applications, ma reste constante alors

que mv peut varier à cause des phénomènes de la condensation et/ou de

l’évaporation.

L’humidité absolue Wa peut être déduite à partir de l’humidité relative Wr, en

utilisant la formule suivant :( Duvernoy J. et Dubois A., 2006)

(Eq.IV-5)

Mv et Ma étant respectivement les masses molaires de la vapeur d’eau et de l’air

sec, nous avons :

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

100

1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45

Hu

mid

ité

re

lati

ve e

n %

Temps en heures

Calcul de l'humidité relative pour les journées du 1 et du 2 aout 2013

Calculpsychrométrique

Calcul milieu

P.Ponthus


110

où T est la température exprimée en Kelvin et Pat est la pression

atmosphérique exprimée en Pascal.

et Pvsat est la pression de vapeur saturante de l'eau exprimée en Pa et obtenue

à partir de la relation suivante:

TPvs

9,52045058,25exp (Pvs en Pa) (Eq.IV-6)

D’après Perré (Perré P., 1994), la relation précédente donne la pression de

vapeur saturante avec une erreur relative qui reste inférieure à 3% dans la

plage de température 0°C - 100°C.

La figure IV.8 représente la variation de l’humidité absolue calculée à partir des

données mesurées de la température et de l’humidité relative à l’intérieur du

séchoir. Les valeurs maximums de l’humidité absolue se situent au milieu des

journées pour atteindre des valeurs de l’ordre de 80g/kg d’air sec. La valeur

minimale de l’humidité absolue calculée au cours de cette période est 12.284

g/kg air sec prise tôt le matin.

Pour montrer l'influence de la variation de la température de l'air à l’intérieur

du séchoir sur la variation de l'humidité relative à l'intérieur du séchoir solaire,

nous avons représenté sur la figure IV.9, l'évolution de la température et celle

de l'humidité relative de l’air intérieur en pourcentage. Nous constatons que

ces deux variables varient de façon opposée. En effet, l'augmentation de la

température de l'air au début de la journée par effet de serre entraîne une

diminution progressive de son humidité relative qui atteint son minimum au

milieu de la journée au moment où la température à l’intérieur du séchoir est

à son maximum. L’après midi correspond à une diminution de la température

induite par la diminution du rayonnement solaire. Cette diminution implique

une augmentation parallèle de l’humidité relative pour atteindre ses valeurs

maximales à la fin de la journée et pendant la nuit.


111

Figure IV.8 : Variation de l’humidité absolue à l’intérieur du séchoir.

Figure IV.9: Variation de la température et de l’humidité relative à l’intérieur du séchoir.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

1 25 49 73 97 121 145

Hu

md

ité

ab

solu

e e

n g

/kg

Temps en heures

Humidité absolue à l'intérieur du séchoir du 7 au 13 aout 2013

Humidité absolue àl'intérieur du séchoir

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lati

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n %

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re e

n °

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Temps en heures

Température et humidité relative à l'intérieur du séchoir du 7 au 13 aout 2013

Température àl'intérieur duséchoir en °C

Humidité relative àl'intérieur duséchoir en %

Chapitre 5 : Résultats expérimentaux du séchoir

112

Chapitre 5 : Résultats

expérimentaux du séchoir

I. INTRODUCTION

Afin d’étudier d’une manière concrète la performance du séchoir, nous avons

construit et installé un deuxième séchoir prototype. Le but est de pouvoir

comparer objectivement les résultats expérimentaux dans les mêmes

conditions climatiques et géographiques, et par la suite mesurer l’apport du

séchoir prévu pour le séchage du produit. Dans le séchoir A, le sol est composé

de deux couches, la première couche est formée du bêton armé d’épaisseur 7

cm alors que la deuxième couche est formée du liège d’épaisseur 5 cm. Une

tôle peinte en noir, d’épaisseur 2 mm et qui représentent le 1/3 de la surface

totale du sol du séchoir et est déposée sur le sol du séchoir.

Le séchoir prototype B a été construit d’une manière à garder les mêmes

caractéristiques géographiques (dimensions, orientations, inclinaisons,

matières, etc.). Le sol du séchoir B est composé uniquement d’une seule

couche formée de bêton de même épaisseur que celle du séchoir A.

Les deux séchoirs vont permettre par la suite de faire des analyses crédibles

plus avancées sur les paramètres météorologiques qui ont un impact direct sur

le bilan thermique du séchoir et qui sont principalement la température,

l’humidité et le vent . Ces paramètres concerneront les différents éléments du

séchoir à savoir : le vitrage, le sol, la tôle et l’air intérieur du séchoir.


113

PARTIE A : TEMPERATURE ET HUMIDITE

II. TEMPERATURES DES DIFFERENTS ELEMENTS DU SECHOIR

II.1 Température à l’intérieur du séchoir

Les courbes de la figure V.1 représentent les évolutions de la température de

l'air Ti à l'intérieur des séchoirs A et B pour la période de mesures du 7 au 13

aout 2013: Sur la même figure, nous avons représenté l’évolution de la

température de l'air extérieur Te. Il ressort de ces courbes que l'évolution de Te

pour les deux séchoirs suit celle du rayonnement solaire reçu par les

différentes faces des séchoirs (figure V.2). Les pointes maximales du

rayonnement solaire se situent au alentour du 13 heures avec comme valeur

maximale 918 W/m² le 8 aout 2013. Généralement l’intensité maximale était

voisine de 870 W/m² au cours de la période de mesures.

Les deux séchoirs représentent les mêmes tendances d’évolution qui sont

marquées par des pics maximums de la température qui se situe au voisinage

du midi (milieu de la journée) alors que le minimum des températures se

produit principalement au cours de la nuit où les températures commencent à

diminuer sensiblement. Nous observons que pour des valeurs de la

température ambiante situant entre 23.25°C et 38. 29 °C durant la période de

mesure, la température à l’intérieur du séchoir peut franchir facilement des

valeurs très élevées dépassant les 63 °C. Le séchoir A avec les considérations

préalablement citées, gagne en terme de température par rapport au séchoir B

surtout au milieu de la journée avec un gain en température de 7.2 °C

enregistré à Midi le jour du 10 Aout 2013. Néanmoins, on note qu’au cours de

la nuit, le séchoir A perd facilement un peu plus quelques degrés de

températures comparé au séchoir B. pour les autres moments de la journée,

les deux séchoirs se comportent pratiquement de la même manière.

D’une manière générale, le séchoir A représente, selon les résultats (un écart

très positif de la température à l’intérieur du séchoir par rapport à celle de l’air

ambiant), un apport thermique très significatif et très important favorisant

ainsi les conditions nécessaires pour un bon séchage solaire. L’écart entre la

température à l’intérieur du séchoir A et celle à l’extérieur dépasse les 31 °C à

13 heures le 13 aout 2013. La nuit, l’écart devient négatif franchissant les 10

°C comme le cas du 9 aout à 3 heures du matin.

La courbe de tendance générale sur la figure montre une pente positive de

+0.04 °C tout au long des sept jours de mesures.


114

Figure V.1 : Températures de l’air intérieur dans les deux séchoirs solaires et température de l’air extérieur mesurées pour la période allant du 7 au 13 aout 2013.

Figure V.2 : Rayonnement solaire reçu par le séchoir du 7 au 13 aout 2013

II.2 Température du sol à l’intérieur des séchoirs solaires

Les courbes de la figure V.3 représentent les évolutions de la température du

sol Ts à l’intérieur des séchoirs A et B pour une durée d’une semaine du 7 au

13 aout 2013: Sur la même figure, nous avons tracé la température de l'air

ambiante Te dans le but de se situer dans les conditions météorologiques

durant la période de mesures. Il ressort de ces courbes que la température du

sol dans le séchoir A atteint de très hautes valeurs durant cette période, la

0

5

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1 25 49 73 97 121 145

Tem

pé

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n °

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Temps en heures

Températures de l'air intérieur des deux séchoirs et température de l'air ambiante du 7 au 13 aout 2013

Séchoir A

Séchoir B

Température del'air extérieur

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200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1 24 47 70 93 116 139 162

Inte

nsi

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ayo

nn

em

en

t e

n W

/m²

Temps en heures

Rayonnement solaire pour la période du 7 au 13 aout 2013

Rayonnement solaire


115

valeur maximale est de 73 °C enregistrée le 12 Aout 2013 à 12 heures le matin

alors que pour le séchoir B le maximum obtenu est de 59.8 °C à 11 heures le

matin dans le même jour. Donc un écart noté de plus de 13 °C. Le sol à

l’intérieur du séchoir a par conséquent des valeurs très élevées de la

température par rapport à celle de l’extérieur au milieu des journées. Cette

augmentation dans notre cas a aboutie à 42.2 °C d’écart le 12 Aout à midi.

On observe également qu’au cours de la nuit et plus précisément aux

premières heures du matin, la température du sol descend sensiblement par

rapport à la température ambiante pour le séchoir A que pour le séchoir B. La

présence du liège dans le séchoir A a empêché le transfert de chaleur vers le

sol et au surface profond contrairement au séchoir B. La nuit, le sol dans le

séchoir A a été par conséquent plus froid que dans le séchoir B.

Pendant la nuit, la température du sol reste voisine de celle ambiante pour le

séchoir B.

La tendance générale au cours des sept jours est positivement plus importante

pour le séchoir A que pour le séchoir B.

Figure V.3 : Températures du sol deux séchoirs solaires et température de l’air extérieur mesurées pour la période allant du 7 au 13 aout 2013.

II.3 Température du vitrage des deux séchoirs

Les courbes de la figure V.4 représentent les évolutions de la température du

vitrage des séchoirs A et B pour une durée d’une semaine de mesures du 7 au

13 aout 2013: Tv. Pour faire référence à la température ambiante, nous avons

tracé sur la même figure la température de l'air ambiante Te.

0

10

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1 25 49 73 97 121 145

Tem

pé

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Temps en heures

Température du sol dans le sechoir A et B pour la période du 7 au 13 aout 2013

Séchoir A

Séchoir B

Température ambiante


116

Les températures de vitrage des deux séchoirs A et B sont très voisines surtout

durant la nuit. Durant le jour et surtout au milieu des journées, la température

du vitrage du séchoir A est plus élevée par un maximum d’écart de 4 °C

enregistré le 10 Aout à 15 heures.

La valeur maximale du vitrage obtenue a été de 59.6 °C à 11 heures le matin.

La température du vitrage reste remarquablement supérieure à celle de la

température ambiante, par contre la nuit il y a une inversion et la température

extérieure reste sensiblement supérieure à la température des vitrages des

deux séchoirs.

Figure V.4 : Evolution de la température du vitrage des deux séchoirs solaires et température de l’air extérieur mesuré pour la période allant du 7 au 13 aout 2013

II.4 Température de la tôle

Pour le séchoir A nous avons placé une tôle d’aluminium dans l’objectif de

maximiser l’absorption du rayonnement solaire reçu durant la journée qui

sera transformée en chaleur et par suite contribuer positivement au bilan

thermique du séchoir et améliorer les conditions du séchage. Sur la figure V.5,

nous avons représenté l’évolution de la température de la tôle au sein du

séchoir solaire. Nous constatons que le pic de la température a frôlé plus que

85 °C le 10 aout à 14 heures. La moyenne des pics journaliers se situent au

tour de 80 °C. Comme pour tous les autres éléments du séchoir, la

température de la tôle baisse de quelques degrés comparativement à la

température ambiante durant la nuit.

0

10

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1 25 49 73 97 121 145

Tem

pé

ratu

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n °

C

Temps en heures

Température du vitrage pour les deux séchoirs durant la période du 7 au 13 aout 2013

Séchoir A

Séchoir B



117

Figure V.5 : Evolution de la température de la tôle des deux séchoirs solaires et température de l’air extérieur mesurées pour la période du 7 au 13 aout 2013

II.5 Comportement thermique du séchoir vis-à-vis de ses ouvertures

Afin d’étudier le comportement du séchoir et de son bilan thermique, nous

avons envisagé plusieurs scénarios possibles qui dépendent la position des

fenêtres. Les journées représentant les mêmes conditions environnementales

sont utilisées pour faire des comparaisons logiques sur l’évolution de la

température à l’intérieur du séchoir au cours de 48 heures de mesures.

Le 28 et le 29 juillet 2013 ainsi que le 1 et le 2 aout 2013 ont subi une

évolution de la température ambiante qui est similaire d’une moyenne qui

voisine 27.5 °C et d’une tendance linéaire de 0.06 durant deux jours de

mesures. Pour la première période nous avons laissé les fenêtres fermées alors

que pour la deuxième période, les fenêtres sont restées ouvertes pour voir

l’influence de la ventilation naturelle sur la variation de la température à

l’intérieur du séchoir.

Les courbes sur la figure V.6 représentent l’évolution de la température à

l’intérieur du séchoir pour les deux scénarios ainsi que la température

ambiante correspondante. Nous observons que la fermeture de la fenêtre

permet d’avoir des températures plus élevées surtout durant le jour. Pour la

nuit l’écart par rapport à la température ambiante reste sensiblement la même

pour les deux cas. L’écart positif obtenu est de plus de 30 °C par rapport à

l’extérieur pour le premier scénario. Durant la nuit, on note comme même une

perte en température pour ce scénario avec un écart négatif.

0

10

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30

40

50

60

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80

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1 25 49 73 97 121 145

Tem

pé

ratu

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n °

C

Temps en heures

Température de la tôle du 7 au 13 Aout 2013

Température le la tôle



118

Figure V.6 : Evolution de la température à l’intérieur des deux séchoirs solaires pour deux situations différentes

Le 3 et le 4 aout 2013 ainsi que le 11 et le 12 aout 2013 représentent la même

évolution de la température extérieure d’une moyenne d’approximativement de

30 °C et un écart des températures maximales de moins de 1 °C pour les deux

jours. La tendance linéaire voisine 0.15 pour les deux scénarios. Pour la

première période nous avons laissé les deux fenêtres grandes ouvertes alors

que pour la deuxième période les deux fenêtres ont été laissées peu ouvertes

pour déclencher une faible ventilation naturelle.

De même les courbes sur la figure V.7 représentent l’évolution de la

température à l’intérieur et du séchoir pour les deux scénarios ainsi que la

température de l’air ambiante correspondante. Nous observons que l’ouverture

de la fenêtre permet un échange important de l’air intérieur avec l’air extérieur

et par conséquent la température à l’intérieur n’a pas excédé 50 °C durant les

48 heures. Par contre dans le scénario 2, les températures ont dépassées 61 °C

à l’intérieur du séchoir et le maximum d’écart par rapport à l’extérieur a frôlé +

30 °C dans ce cas. Pour le premier scénario cet écart a été seulement de 22 °C

en 24 heures.

Durant la nuit les pertes sont plus importantes quand les deux fenêtres sont

totalement ouvertes.

0

10

20

30

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60

1 12 23 34 45

Tem

pé

ratu

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Heures

Fenêtres fermées 28-29 Juillet 2013

Tex

Tin

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10

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1 12 23 34 45

Tem

pé

ratu

re e

n °

C

Heures

Une fenêtre fermée 1-2 Aout 2013

Tin


119

Figure V.7 : Evolution de la température de l’air intérieur des deux séchoirs solaires pour deux cas différents.

En conclusion, l’expérience nous confirme qu’un maximum d’échange d’air

intérieur avec l’air extérieur cause une perte des degrés importants de la

température à l’intérieur du séchoir de plus de +10 °C le jour. Par conséquent,

garantir un échange optimum de cet air permet de mieux paramétrer

l’évolution thermique à l’intérieur du séchoir et par conséquent améliorer les

conditions du séchage. Nous signalons que cet échange aura également une

influence simultanée sur l’humidité relative à l’intérieur du séchoir solaire.

L’évolution de l’humidité fera l’objet du prochain paragraphe.

III. HUMIDITE A L’INTERIEUR DU SECHOIR SOLAIRE

Pour différentes périodes, nous avons calculé l’humidité relative à l’intérieur du

séchoir à partir des mesures. Tenant compte au maximum des erreurs pouvant

affecter la qualité de la donnée dues aux instruments de mesures, nous avons

représenté des courbes sur l’humidité intérieur pour différents scénarios

comme pour le cas de la température.

D’après la figure V.8, nous observons que la disposition des fenêtres influe la

variation de l’humidité à l’intérieur du séchoir. Cette influence est caractérisée

par une augmentation de l’humidité relative durant la nuit qui dépasse celle de

l’air ambiante. Ce cas est observé principalement pour le séchoir avec des

fenêtres fermées ou quasiment fermées. Pour des fenêtres ouvertes ou moitié

0

10

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1 12 23 34 45

Tem

pé

ratu

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n °

C

Heures

Fenêtres grandes ouvertes 3-4 Aout 2013

Tin

0

10

20

30

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70

1 12 23 34 45

Tem

pé

ratu

re e

n °

C

Heures

Fenêtres peu ouvertes 11-12 Aout 2013

Tin


120

ouvertes, l’humidité relative durant la nuit est très voisine de celle mesurée à

l’extérieur.

Durant le jour, pour des fenêtres peu ouvertes ou fermées, nous constatons

des valeurs de l’humidité durant le jour qui descendent à des valeurs de moins

de 50% (47.6 % pour des fenêtres fermées) alors que pour les autres cas la

valeur minimale absolue de l’humidité relative est de 55%.

Nous avons enregistré durant ces 48 heures, un écart maximal absolu par

rapport à l’humidité environnante de - 43% ce qui représente des conditions de

séchage favorable.

L’objectif est d’aboutir à des valeurs faibles de l’humidité à l’intérieur du

séchoir durant le jour mais au même temps il faut maintenir des valeurs

raisonnables durant la nuit afin d’éviter le phénomène de la condensation qui

aura comme effet l’augmentation de la durée du séchage.

40,0

60,0

80,0

100,0

1 12 23 34 45

Hu

mid

ité

en

%

Heures

Fenêtres fermées 28-29 Juillet 2013

Hex

Hin

40,0

60,0

80,0

100,0

1 12 23 34 45

Hu

mid

ité

en

%

Heures

Une fenêtre fermée 1-2 Aout 2013

Hin


121

Figure V.8 : Evolution de l’humidité relative à l’intérieur des séchoirs pour différents scénarios.

IV. PARAMETRES HUMIDITE ET TEMPERATURE A L’INTERIEUR DU

SECHOIR

Afin d’analyser simultanément l’évolution de la température et de l’humidité à

l’intérieur du séchoir, nous avons tracé sur la même figure les deux paramètres

pour les mêmes périodes correspondant aux scénarios cité préalablement.

Les zones d’intersections représentent la durée journalière dont laquelle nous

avons un maximum de rayonnement solaire. Les températures sont dans leurs

maximums et les humidités dans leurs minimums. Nous constatons que pour

les scénarios avec les fenêtres fermées ou quasiment fermées, la durée

favorisant le séchage est plus longue entre 9 et 18 parfois 19 heures, alors que

pour les autres cas, l’humidité commence à augmenter et la température à

diminuer un peu plus tôt que dans les premiers cas vers 17 heures de la

journée. Aussi, nous observons qu’avec une ventilation naturelle non

négligeable (échange air intérieur/extérieur important) l’amplitude

température-humidité est la plus faible comparée aux autres scenarios.

Il ressort clairement que le maximum de valeurs de la température à l’intérieur

du séchoir coïncide avec l’ensemble des scénarios aux valeurs minimales de

l’humidité relative à l’intérieur du séchoir solaire et vis versa. Des températures

avec plus de 61 °C sont associées avec des humidités voisines à 50 %.

40,0

60,0

80,0

100,0

1 12 23 34 45

Hm

idit

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n %

Heures


Hex

Hin

40,0

60,0

80,0

100,0

1 12 23 34 45

Hu

mid

té e

n %

Heures


Hin


122

La figure V.9 schématise clairement les constatations décrites sur la

température et sur l’humidité à l’intérieur du séchoir pour les différentes

périodes de mesures.

Figure V.9 : Températures et humidités relatives à l’intérieur du séchoir.

0

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1 13 25 37

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egr

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mid

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Heures

Fenêtes fermées 28-29 Juillet 2013

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0

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1 13 25 37

Tem

pé

ratu

re e

n d

egr

é

Hu

mid

té e

n %

Heures

Seule fenêtre ouvetre 1-2 Aout 2013

Hum Intérieur Temp intérieure

0

10

20

30

40

50

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0

20

40

60

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100

1 13 25 37

Tem

pé

ratu

re e

n d

egr

é

Hu

mid

té e

n %

Heures


Hum Intérieure Temp interieure

0

10

20

30

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60

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0

20

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1 13 25 37

Tie

mp

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ture

en

de

gré

Hu

mid

té e

n %

Heures


Hum Intérieure Temp intérieure


123

V. PERFORMANCES DU SECHOIR SOLAIRE

La performance du séchoir solaire dépend fortement des conditions climatiques

de la région, particulièrement la température, l’humidité et l’ensoleillement.

Dans notre cas, pour des variations de la température moyennées entre 20 et

35 °C et des humidités dépassant les 60%, nous avons pu obtenir des

températures à l’intérieur du séchoir installé dépassant les 70°C au milieu des

journées dans les différentes situations expérimentées et des humidités de

faible pourcentage atteignant les 30%.

L’annexe n°1 décrit d’une manière détaillé les différents modèles des séchoirs

expérimentés dans le monde afin de faire une comparaison des performances

avec le séchoir dont on dispose au sein de notre laboratoire.

VI. CONCLUSION

D’après les expériences menées sur le séchoir solaire construit au laboratoire

d’Energie Solaire et d’Environnement et les expériences menées par les

chercheurs sur les séchoirs décrits dans l’annexe n°1, nous constatons que le

séchoir représente une bonne plateforme adéquate pour le séchage des

produits bois ou agroalimentaires. L’étude sur les variables d’état du séchoir

ont permis de constater que le séchoir donne la possibilité d’avoir des

températures très intéressantes pour le séchage qui pourra dépasser la

température ambiante de plus de 30°C, une humidité relative à l’intérieur du

séchoir basse et qui représente environ 40 % de moins par rapport à celle

extérieure et une température de la tôle qui avoisine les 80°C.

Faisant référence aux séchoirs solaires expérimentés dans les paragraphes

précédents et sachant les conditions climatiques de Rabat se caractérisent par

un climat sub-humide et des températures moyennes avoisinantes les 30°C en

saison d’été; le séchoir a démontré sa capacité de séchage dans des conditions

favorables et adéquates.


124

PARTIE B : VENTILATION

I. INTRODUCTION

Le ventilateur électrique est utilisé dans les séchoirs solaires pour garantir un

débit d’air constant quelles soit les conditions météorologiques et

climatologiques de la région. Il assure une circulation importante de l’air

permettant une efficacité des séchoirs solaires par l’augmentation de la vitesse

de séchage des produits installés dans les séchoirs sans altérer leurs qualités.

L’objectif de ce chapitre est de réaliser des tests expérimentaux en utilisant le

système de ventilation pour mesurer au concret son influence sur la

température et sur l’humidité à l’intérieur du séchoir solaire.

II. EFFET DE LA VENTILATION

En plus de la chaleur qui est un facteur nécessaire pour le séchage, la qualité

et la quantité d'air qui circule sur et à travers les produits à sécher détermine

le taux et la vitesse de séchage. Le taux d'humidité, désigné sous l'appellation

d'humidité absolue, contenue dans l'air utilisé pour le séchage est important.

Le terme d'humidité relative en pourcentage est plus utilisé. Il résulte de la

division de l'humidité absolue par la quantité maximale d'eau qui peut être

contenue dans l'air, lorsqu'il est saturé. Un taux de 100% de l’humidité relative

est un air entièrement saturé, il ne peut absorber d'humidité supplémentaire.

Un air humide, à basse température lorsqu'il sera chauffé, aura une plus

grande capacité à absorber de l’eau (Swetman T., 2007).

L’air autour des produits à sécher se charge en humidité au fur et à mesure

que le produit s’évapore, sa capacité d’absorption tend à diminuer. Maintenir

une hausse température et un taux d’humidité plus faible permettra à l’air de

conserver son potentiel évaporant et les produits sécheront plus rapidement s’il

est renouvelé par un courant d’air naturel ou par un ventilateur électrique. Le

vent est connu par son accélération du séchage comme c’est le cas des

ménagères.

Comme nous avions cité au préalable, deux modes de ventilation sont

possibles :


125

II.1 Ventilation naturelle

Dans le séchoir solaire, la ventilation s’effectue naturellement. L’air chaud plus

léger monte et sort par les deux châssis situés sur la partie supérieurs du

séchoir. Cet air est remplacé par de l’air froid pénétrant. Il s’établit ainsi un

courant d’air mais avec un débit de l’air restant encore faible et insuffisants

dans les régions de forte humidité et/ou au cours des saisons connues des

valeurs très élevées de l’humidité tels la saison d’hiver. La solution de la

cheminée reste une solution intermédiaire qui permet d’augmenter le débit de

l’air ; son efficacité dépend de sa hauteur et de sa section. En effet, le plus

grand avantage des séchoirs solaires équipés d’une cheminée est que aucune

source d’énergie supplémentaire n’est nécessaire mais l’inconvénient est que

les dimensions de la cheminée sont limitées en raison de la charge que le vent

peut exercer sa hauteur ce qui entraine une limitation sur la différence

hydrostatique de pression entre le bas et le haut de celle-ci. Ces contraintes ont

une conséquence directe sur la limitation du débit d’air.

II.2 Ventilation forcée

Dans certaines configurations de séchage, surtout pour des produits de grande

résistance à l’eau, il est préférable d’imposer des débits d’air plus importants

que ceux mis en jeu par la convection naturelle ou par la cheminée. Ce débit

est assuré par un système mécanique qui est le ventilateur. Le ventilateur

électrique qui utilise une autre source d’énergie électrique comme c’est le cas

de notre étude assure un débit d’air plus élevé et permanent et il a une

importance capacité d’expulsion de l’humidité contrairement à la convection

naturelle. Ceci dit, la migration de l’eau dans certains produits reste liée à

d’autres aspects plus complexes.

Un ensemble d’auteurs se sont intéressés à l’amélioration de ce type de

procédés par la modification de la conception des capteurs ou en associant

différents modes de transfert (Ekechukwu O. V. et al. 1999). Nous pouvons

également signalé que l’efficacité du séchoir solaire peut être augmentée par le

stockage de chaleur pour la réutiliser en période de faible ensoleillement, le

recyclage de l’air de séchage ou la production d’eau chaude comme activité en

parallèle (Zeigler Th. et al. 1999).


126

III. CARACTERISTIQUE DU VENTILATEUR UTILISE

Deux ventilateurs ont été installés sur la partie supérieure sur le même niveau

du séchoir solaire, un sur la face est et l’autre sur la face ouest. Les deux

appareils ont un débit de l’air de 98 m3 par heure chacun et une puissance de

14W. Ils sont posés sur des buses de 13 mm et sont branchés à un coffret

électrique installé par l’occasion via des câbles.

Pour maitriser et faciliter leurs fonctionnements, les deux ventilateurs sont

commandés grâce à une horloge programmable.

IV. EXPERIMENTATION

IV.1 Présentation

Pour maîtriser et étudier l’impact de la ventilation sur la qualité du séchage,

nous avons utilisé les deux séchoirs décrits dans les chapitres précédents. Les

deux séchoirs représentent les mêmes caractéristiques géographiques, soumis

aux mêmes conditions climatiques et sont exploités à vide sans tôle ni la

couche du liège et ceux dans la même période. Les deux séchoirs sont soumis

aux mêmes conditions météorologiques (rayonnement global, températures et

humidités, etc..). L’objectif est alors d’analyser d’une manière objective l’effet de

la ventilation sur les variables d’états contrôlant le séchage solaire en utilisant

les séchoirs solaires installés sur la terrasse du laboratoire d’Energie Solaire et

d’Environnement.

IV.2 Période de mesures

Nous avons réalisé plusieurs compagnes de mesures durant le mois de

décembre 2013 et le mois de janvier 2014. La comparaison inter compagnes

nous a permis de choisir la période la plus stable et la plus valable en se

référant aux autres mesures des stations automatiques météorologiques.

Dans une première phase, nous avons installé et utilisé le ventilateur d’une

manière continue dans le séchoir A. Le séchoir B restait sans ventilation forcé

afin de pouvoir étudier l’influence de la ventilation.

Une deuxième phase consistait à faire fonctionner le ventilateur pour une

période bien déterminée, seulement quatre heures pendant la nuit à partir de

19 heures. L’objectif est de rentabiliser l’utilisation du ventilateur d’une part et

de mesurer l’influence du ventilateur sur la qualité du séchage d’autre part.


127

Voir le comportement thermique du séchoir durant la saison d’hiver permet

également de voir la performance du séchoir durant cette période généralement

dominée par des températures basses, des humidités élevées ; un temps froid,

humide, pluvieux et moins ensoleillé. En effet le mois de janvier de l’année

2014 à Rabat a connu un cumul des précipitations de 109.4 mm qui dépasse

la normale de 41%. La température moyenne durant ce mois a été de 12.8°C

légèrement supérieure à la normale de +0.8°C sachant que la valeur la plus

basse était de 2.8°C et la valeur la plus haute était de 28.4°C. Le vent

dominant à Rabat le mois de Janvier a été d’ouest sud ouest WSW avec une

pointe maximale de 23 m/s-1.

Les paramètres mesurés pris en compte pour cette étude sont les

températures : ambiante, les températures sèches et humides à l’intérieur des

deux séchoirs, les humidités relatives et la composante du rayonnement global

mesuré sur plan horizontal.

IV.3 Ventilation continue

IV.3.1 Températures

L’évolution de la température à l’intérieur des deux séchoirs A et B ainsi que la

température du milieu extérieure sont présentées durant la deuxième décade

du mois de janvier 2014 dans la figure V.17 ci-dessous :

Figure V.17 : Température du séchoir A (avec ventilation continue), température du séchoir B (sans ventilation) et température ambiante en °C durant la période 11-20

Janvier 2014.

0

10

20

30

40

50

60

1 24 47 70 93 116 139 162 185 208 231

Tem

pé

ratu

re e

n °

C

Temps en heures

Température ambiante, à l'intérieure du séchoir A et du séchoir B pour la période allant du 11 au 20 Janvier 2014


Temp int sech A

Temp int Sech B


128

La période de mesures de 10 jours s’est caractérisée par des températures

ambiantes de faibles amplitudes diurnes et qui ne dépassaient pas comme

maximum journalier la valeur de 17 °C. Mais nous constatons que pour les

deux séchoirs, la température à l’intérieur est très importante malgré les

conditions climatiques extérieures. L’écart par rapport à l’extérieur peut

dépasser le 32°C; ce qui représente un gain thermique et un indice de

performance du séchoir même en hiver très significatif sachant également que

le maximum de rayonnement reçu au cours de cette phase n’a dépassé 570

W/m² (figure V.18).

Figure V.18 : Rayonnement global reçu sur plan horizontal en W/m² durant la deuxième décade du mois de janvier 2014.

En termes de ventilation, au milieu des journées et durant toute la période, la

température à l’intérieur du séchoir est moins importante dans le cas de

ventilation alors que sans ventilation cette valeur est plus élevée. La

température maximale a atteint 48,6 °C à 13 heures le 12 du mois alors qu’elle

était de 40,8 °C à 14 heures le même jour. Cette journée la température

maximale ambiante était de 16,23 °C seulement. La ventilation avait pour effet

favoriser l’échange air intérieur air extérieur et par conséquent diminuer la

température de l’air intérieur de quelques degrés dans le séchoir B ; dans notre

cas une diminution qui a voisiné les 8°C.

Durant la nuit, le séchoir sans ventilation garde des valeurs acceptables de la

température à l’intérieur qui reste faible mais supérieures à celle de la

température ambiante. En général, nous constatons que la ventilation continue

a peu d’influence sur la température à l’intérieur pendant la nuit. Les

0

100

200

300

400

500

600

1 24 47 70 93 116 139 162 185 208 231

Ray

Glo

b e

n W

/m²

Temps en heures

Rayonnement Global reçu sur plan horizontal pour la période allant du 11 au 20 Janvier 2014

Ray Glob H


129

températures dans les deux cas restent très voisine les unes des autres et dans

la plus part des cas supérieures à la température du milieu extérieure.

Le séchoir A avec ventilation pourra dans certains cas fait descendre la

température d’environ 3 °C par rapport à la température intérieure dans le

séchoir B. Le minimum de la température se situe dans les deux séchoirs tôt la

matinée.

La figure V.19 ci-dessous représente l’évolution des écarts de la température

intérieure du séchoir A et B par rapport à celle de la température du milieu

extérieur. Nous remarquons que, dans la plupart des cas, le comportement de

ces écarts est positif et il dépasse dans cette compagne de mesures les 30°C.

L’écart par rapport au séchoir A (avec ventilation continue) est moins important

aux milieux des journées alors que celui par rapport au séchoir B (sans

ventilation) ; cette différence est moins visible voir nulle durant les autres

moments de la journée à quelques exceptions.

Figure V.19 : écart de la température intérieure des séchoirs A et B relatif à la température ambiante en °C du 11 au 20 Janvier 2014.

IV.3.2 Humidité

Pour la même période de mesures nous avons tracé les humidités relatives

des séchoirs A, le séchoir B ainsi l’humidité relative du milieu extérieure

(voir figure V.20). Une semaine de mesure nous a permis d’analyser

l’évolution de l’humidité relative avec ou sans ventilation. La période s’est

caractérisée par un temps humide avec des valeurs d’humidité supérieure à

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

1 24 47 70 93 116 139 162 185 208 231

Ecar

t e

n °

C

Temps en heures

Ecart de la température à l'intérieur des deux séchoirs par rapport à la température ambiante du 11 au 20 Janvier 2014

TA-Text

TB-Text


130

70% et atteignant les 100%. Le séchoir B (sans ventilation) arrive à

diminuer l’humidité pendant le jour à plus de 23 % alors ce pourcentage, ne

dépasse pas les 9% pour le séchoir A durant toute la période de mesures et

qu’on reste supérieure de l’humidité extérieure. Par contre, nous notons

que pendant la phase nocturne, l’humidité relative à l’intérieure des deux

séchoirs est supérieure à celle mesurée à l’extérieure. On a tendance à

observer un phénomène de condensation chose qui est désagréable pour le

séchage. La ventilation a permis de jouer un rôle positif et d’extraire un taux

non négligeable de l’humidité vers le milieu extérieure. Plus de 6%

d’humidité de moins a été enregistré pendant la nuit. Un ventilateur d’un

débit plus important permettra d’avoir une grande capacité d’aspirer l’air

humidité vers l’extérieur en gardant un taux acceptable d’humidité au sein

du séchoir lors de la mise en placement du produit à sécher (voir figure

V.21). Les mêmes mesures sont à réaliser pendant la saison d’été pour voir

un peu plus en détail l’impact du ventilateur pendant cette saison. Cette

étude permettra de choisir la période optimale pour une meilleure

performance du séchoir.

Figure V.20 : Evolution de l’humidité relative des deux séchoirs ainsi que l’humidité

relative extérieure du la semaine du 11 au 17 Janvier 2014.

50%

60%

70%

80%

90%

100%

1 24 47 70 93 116 139

Hu

mid

ité

re

lati

ve e

n %

Temps en heures

humidité relative des deux séchoirs A et B et l'humidité extérieure pour la période allant du 11 au 17 Janvier 2014

Hum Int Sech A

Hum Ext

Hum Int Sech B


131

Figure V.21 : Ecart d’humidités en % entre le séchoir A (avec ventilation) et le séchoir B (sans ventilation) pour la période du 11 au 17 janvier 2014.

IV.4 Ventilation nocturne

IV.4.1 Température

Comme pour la première période de mesures, l’intensité du rayonnement

dépasse rarement les 600 W/m² durant toute la période avec comme valeur

maximale de 637.5 W/m² enregistré à 14 heures le 2 Février. Les deux périodes

étaient très voisines en termes de conditions météorologiques figure V.22.

Figure V.22 : Rayonnement solaire pour la période du 26 Janvier au 2 Février 2014

-35%

-30%

-25%

-20%

-15%

-10%

-5%

0%

5%

10%

1 24 47 70 93 116 139

Ecar

t d

'hu

mid

ité

en

%

Temps en heures

Ecart entre l'humdité des Séchoirs A et B pendant la période 11-17 Janvier 2014

Ecart Humdité Séchoir A-B

0

100

200

300

400

500

600

700

1 24 47 70 93 116 139 162 185

Ray

Glo

b e

n W

/m²

Temps en heures

Rayonnement Global reçu sur plan horizontal pour la période allant du 26 Janvier au 2 Fevrier 2014

Ray Glob H


132

La température suit l’évolution et l’intensité du rayonnement solaire en cours

de la période de mesures. Avec des températures ambiantes oscillant entre

16,23 °C le 26 Janvier à 13 heures comme valeur maximale et 9.64 °C comme

valeur minimale enregistré le même jour à 7 heures du matin, nous constatons

que l’écart entre les températures à l’intérieur des deux séchoirs est moins

important au milieu des journées dans le cas de la ventilation continue; 5,86

°C contre 8,42 °C. Pendant la nuit les températures des deux séchoirs sont

plus au moins fluctuantes dans le cas de la ventilation continue et l’écart a

atteint +2,92 °C à 19 heures le 31 Janvier par rapport au séchoir sans

ventilation. Cet écart ne dépassait par les 0,08 pour le cas de la ventilation

continue (figure V.23). Il est important de signaler qu’en période d’hiver les

températures à l’intérieur des deux séchoirs restent supérieures à celle de l’air

ambiante même pendant la phase nocturne.

Figure V.23 : Température ambiante, à l’intérieur du séchoir A (avec ventilation), et à l’intérieur du séchoir B 5sans ventilation) du 26 Janvier au 2 Février 2014

IV.4.2 Humidité

Pour l’évolution des humidités, nous constatons que sans ventilation les

valeurs des humidités relatives sont plus basses au milieu des journées que

dans le cas avec ventilation continue ou intermittente. La nuit, des valeurs

fluctuantes des humidités mais qui restent inférieures de celle mesurée à

l’extérieure. La ventilation la nuit a permis d’extraire de l’air humide vers

l’extérieur pour arriver des valeurs de l’humidité de moins de 8% par rapport à

l’humidité dans le séchoir B le 30 Janvier à 23 heures. Pendant le jour se

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

1 24 47 70 93 116 139 162 185

Tem

pé

ratu

re e

n °

C

Temps en heures

Température ambiante, à l'intérieure du séchoir A et du séchoir B pour la période allant du 26 Janvier au 2 Fevrier 2014

Temp int sech A

Temp int Sech B



133

comporte de la même manière dans les deux séchoirs avec des écarts

semblables au cas de la ventilation continue ; 29 % de moins par rapport au

séchoir A comme valeur maximale le 28 Janvier à 16 heures (figure V.24).

Figure V.24 : Ecart entre les humidités relatives en % entre les séchoirs B (sans ventilation) et le séchoir A (avec ventilation la nuit).

V. CONCLUSION

L’évolution journalière de la température et de l’humidité suit d’une manière

systématique l’évolution de l’énergie solaire globale qui chute pendant l’après

midi avec la diminution de l’intensité lumineuse et reprend la matinée avec

l’augmentation de l’intensité lumineuse. Le processus de séchage pendant la

période nocturne devient plus lent comparativement aux autres périodes à

cause des pertes de chaleur et le taux faible de l’évaporation de l’humidité. La

ventilation forcée est un moyen de remédier à ces inconvénients et d’améliorer

le processus de séchage. Les études menées dans ce chapitre ont permis de

conclure qu’une ventilation continue peut jouer le même rôle que celui de la

ventilation fonctionnement uniquement la nuit vu que les résultats ont montré

qu’on peut avoir pratiquement le même constat. Pendant la nuit la ventilation

arrive à faire diminuer l’humidité et par conséquent augmenter le taux

d’évaporation de l’air. Le fonctionnement du ventilateur pendant une période

déterminée permet de rentabiliser la consommation énergétique. Cette étude

expérimentale a montré que le séchoir à la capacité d’obtenir des températures

de plus de 32 °C par rapport l’extérieur et des humidités d’environ moins de

30% par rapport à l’extérieur.

La même étude est à effectuer pendant d’autres saisons et plus

particulièrement la saison d’été pour voir la réponse du comportement du

-35%

-30%

-25%

-20%

-15%

-10%

-5%

0%

5%

10%

1 24 47 70 93 116 139 162 185

Ecar

t d

'hu

mid

ité

en

%

Temps en heures

Ecart entre l'humdité des Séchoirs A et B pendnat la période 26 Janvier au 02 Fevrier 2014

Ecart Humdité Séchoir B-A


134

séchoir avec ou sans ventilation. Le choix de ventilateur est à revoir de telle

façon à pouvoir maitriser le débit de l’air et avoir un débit optimale. Les

différents voies d’alimentation du ventilateur est à étudier également pour

optimiser son coût de fonctionnement ; les panneaux photovoltaïques pourra

être une bonne alternative.

Chapitre 6 : Bilan thermique du séchoir solaire

135

Chapitre 6 : Bilan thermique du

séchoir solaire

I. INTRODUCTION

Dans ce chapitre nous allons décrire les différents flux énergétiques

intervenant dans le calcul du bilan thermique du séchoir et qui correspondent

aux transferts de chaleur par conduction, convection, rayonnement solaire et

thermique et aux transferts de masse entre les éléments du séchoir et le milieu

extérieur. Les échanges radiatifs, conductifs et convectifs des différents

éléments du séchoir solaire seront décrits à travers des expressions et des

équations permettant une compréhension des phénomènes mis en jeu au cours

du processus de séchage.

II. BILAN THERMIQUE

La thermodynamique décrit la quantité d’énergie qu’un système doit échanger

avec le milieu extérieur pour passer d’un état d’équilibre à un autre. En effet

un système est un corps délimité par une frontière matérielle ou fictive qui le

sépare du milieu extérieur et via laquelle les échanges de chaleur et de masse

se font.

Le comportement thermique d’un système est résumé par son bilan thermique.

Celui-ci, représente la différence entre l’ensemble des flux reçus et celui des

flux perdus entre deux instants t1 et t2. En d’autre terme, il présente la

variation de l’énergie interne de chaque élément du système entre les deux

instants.

Le bilan thermique évoque la notion de flux énergétique en W qui correspond à

la quantité de chaleur, échangée par unité de temps entre deux éléments. Cette

quantité peut aussi être rapportée à l’unité de surface, et dans ce cas on parle

de la densité du flux exprimé en W.m-2.

En définissant un système (S) par ses limites dans l’espace, les différents flux

de chaleur qui influent sur l’état du système peuvent être schématisés comme

suit (Bargach M. N., 2000) (figure IV.1):


136

Figure IV.1 : Le système S et les différents flux échangés

Avec :

Фe un flux de chaleur entrant en W;

Фs un flux de chaleur sortant en W;

Фst un flux de chaleur stocké en W;

Фg un flux de chaleur généré en W.

En appliquant le premier principe de la thermodynamique :

∑ ∑

le bilan énergétique sera donné par l’équation suivante :

∑ ∑ ∑ ∑ (Eq.VI-1)

Chacun des termes du premier membre de cette équation peut s’exprimer en

fonction d’un seul mode de transfert de chaleur ou de plusieurs modes

simultanés.

Il existe trois principaux modes de transfert de chaleur : la conduction, la

convection et le rayonnement. La conduction implique un contact physique

entre des corps solides échangeant de la chaleur, alors que la convection se

produit lorsqu'un liquide ou un gaz est en contact avec une source plus chaude

au plus froide; il se produit alors un mouvement de l'ensemble des molécules

du fluide transportant la chaleur vers les zones les plus froides. Le troisième

mode qui est le rayonnement ne nécessite ni contact ni présence d'aucune

matière entre les deux corps.


137

III. TRANSFERTS DE CHALEUR PAR CONVECTION

III.1 Nature des échanges par convection

Ce mode de transfert résulte d’un mouvement d’ensemble du fluide. La

convection a donc lieu dans les fluides gaz ou liquides. Elle est souvent

caractéristique de l’échange à la frontière entre un solide et un fluide et est

donc très liée à l’écoulement du fluide mais aussi aux géométries d’échange et

aux états de surface. On distingue la convection forcée dans laquelle le fluide

est mis en mouvement par un apport d’énergie extérieur (pompe, ventilateur,

etc.), la convection naturelle dans laquelle le fluide prend son énergie au

mouvement (variation de masse volumique associée à une variation de

température).

Afin d’estimer les rapports des termes de convection, la méthode de l’analyse

dimensionnelle permet de déterminer de manière simple les coefficients

d’échanges convectifs pour la plupart des problèmes rencontrés dans la

pratique.

La loi physique représentative des échanges convectifs entre un fluide en

circulation dans un domaine confiné est généralement explicite par rapport au

nombre adimensionnel de Nusselt Nu qui permet de comparer le transfert par

convection devant le transfert par conduction dans le fluide et est

proportionnel au coefficient d’échange. Sa valeur est d’autant plus élevé que le

transfert par convection est important.

L’analyse dimensionnelle convient à chercher des relations avec des grandeurs

sans dimensions avec des expressions homogènes. Cette analyse permet de

déterminer d’une manière simple le coefficient d’échange convectif (Jean-Luc

Battaglia J. L. et al., 2010):

Pour la convection forcée, l’expression du nombre de Nusselt Nu est

donnée par la relation suivante:

Pour la convection naturelle, Nu est donnée par la relation:

Avec :


138

Pr est appelé nombre sans dimension de Prandlt, qui compare les forces

d’inertie et les forces visqueuses :

(Eq.VI-2)

Re est le nombre adimensionnel de Reynolds qui caractérise le régime

d’écoulement (laminaire ou turbulent) et compare la diffusion de masse devant

la diffusion thermique :

(Eq.VI-3)

Gr est le nombre de Grashof sans dimension qui résulte de l’application de

l’analyse dimensionnelle à la convection naturelle, et compare les forces

visqueuses devant les forces de gravités. Il caractérise les mouvements

occasionnés dans le fluide par les gradients thermiques. Ce nombre joue un

rôle semblable à celui du nombre du Reynolds en convection forcée :

(Eq.VI-4)

Avec :

: la masse volumique du fluide en kg.m-3;

: la viscosité cinématique du fluide en m2.s-1;

: la viscosité dynamique du fluide en kg.m-1.s-1;

: la conductivité thermique du fluide en W.m-1.K-1;

: coefficient thermodynamique intervenant dans la convection thermique, il

représente la dilation thermique =

en k-1 ;

: Chaleur spécifique du fluide à pression constante J.kg-1.K-1;

: L’écart de température entre la surface du solide et le fluide en k ;

: La vitesse de déplacement du fluide en m.s-1 ;

: La longueur caractéristique de la surface du solide en m.

Suivant le type de convection, la nature de l’écoulement et selon les conditions

et les méthodes expérimentales, des formulations sont proposées en

littératures pour le calcul du nombre de Nusselt en fonction des nombres

adimensionnels Pr (Prandtl), Gr (Grashof) ou Re (Reynolds). Les expressions

utilisées dans notre étude sont celles tirées des ouvrages classiques (Monteith J.

L., 1973) et (Campbell G. S., 1977) pour une température de l’air de 20 °C et

sous une pression 105 Pa.


139

III.1.1 Cas de la convection naturelle

La convection naturelle est la forme d’échange convectif la plus souvent

observée. Les transferts par convection naturelle résultent du mouvement du

fluide provoqué par les différences de densité dues aux variations dans l’espace

de la température. La convection naturelle peut être observée à la surface d’un

solide immergé dans un fluide d’extension infinie ou dans un espace confiné.

En convection naturelle les échanges sont nettement moins intenses qu’en

convection forcée. Comme elle est due uniquement aux différences de masses

volumiques ou d’humidités, la convection naturelle, explique les mouvements

des grandes masses d’air autour de la Terre, les actions de vents, la formation

des nuages et des courants océaniques. Elle se fait par une ascension d’air

chaud tandis que l’air plus frais descend et est aspiré pour remplacer l’air

chaud.

La nature du régime d’écoulement du fluide (laminaire ou turbulent) est

déterminée d’une manière empirique et pour des conditions bien déterminées

par :

a) Régime turbulent

(Eq.VI-5)

b) Régime laminaire

(Eq.VI-6)

III.1.2 Cas de la convection forcée

La convection forcée est observée très souvent en pratique dans les échangeurs

de chaleur de tous les genres comme par exemple pour la récupération de

chaleur dans les collecteurs solaires, dans les systèmes de refroidissement de

machines thermiques. Ces systèmes impliquent deux types d’écoulements :

- écoulement externe : l’écoulement du fluide n’est pas confiné dans un

domaine ;

- écoulement interne : le fluide s’écoule dans un domaine confiné (tube,

conduite, etc.), le mouvement du fluide est crée par une différence de pression.


140

Pour ce type de convection, on détermine la nature du régime d’écoulement du

fluide (laminaire ou turbulent) par :

a) Régime turbulent

(Eq.VI-7)

b) Régime laminaire

(Eq.VI-8)

III.1.3 Transition de régime

Des critères sont utlisés pour permettre de mesurer la transition entre

convection naturelle et convection forcée et /ou entre écoulement naturelle et

écoulement turbulent. Nous signalons que dans la zone intérmédiare où les

deux natures de convection coexistent, la contribution dominante sera choisie

selon que l’écoulement forcé facilite ou entrave l’écoulement naturel (Bargach

M.N., 2000). Le schèma suivant regroupe les différents ctritères fixés pour

déterminer le passage d’un régime à un autre :

Figure VI.2 : Schéma décrivant les différents critères de transition utilisés

III.2 Densités de flux convectifs

Les densités de flux convectif correspondent au transfert d’énergie, par unité de

temps, par déplacement d’un fluide en contact avec un solide (convection

Convection naturelle

Si

Ecoulement laminaire

Si

Ecoulement turbulent

Si

Ecoulement laminaire

Si

Ecoulement turbulent

Convection forcée Si

Si


141

sensible) ou un transfert de masse de vapeur d’eau contenue dans le fluide ou

dans le solide par évaporation ou condensation (convection latente).

III.2.1 Echanges convectifs sensibles

Ce mode de transfert se fait entre la surface d’un solide et d’un fluide, l’énergie

se transmet par déplacement du fluide. Le transfert par convection est régi par

la loi de Newton selon l’équation suivante :

( ) (Eq.VI-9)

: Flux de chaleur par convection en W;

: Coefficient d’échange convectif en W.m-².K-1 ;

: Écart de température entre la surface du solide et le fluide en K;

S : surface d’échange en m2.

Le coefficient d’échange convectif est calculé par la relation suivante :

; il dépend d’une façon non linéaire de la différence de température

entre le solide et le fluide, de la vitesse de déplacement du fluide et de ses

propriétés thermophysiques, de la géométrie et de la rugosité de la surface du

solide. Sa valeur dépend également du type d’échange considéré.

Il est en fonction :

du nombre adimensionnel de Nusselt Nu (qui caractérise l’importance

de la convection par rapport à la conduction) ; lui-même calculé en

fonction des autres nombres caractéristiques Grashof Gr, Prandtl Pr

ou Reynolds Re;

de la conductivité thermique de l’air pour une température de 20 °C

(25.9 10-3 W.m-1.K-1);

de la longueur caractéristique d en m.

III.2.2 Echanges convectifs latents

Ce mode de transfert concerne les transferts d’énergie par transfert de masse

entre la paroi d’un solide et le fluide, sous l’effet :

• d’une condensation sur la paroi de vapeur d’eau contenue dans l’air ;

• d’une évaporation d’eau présente sur la surface du solide.


142

Les échanges convectifs latents dus à la condensation sont donnés par la

relation suivante :

(Eq.VI-10)

Où:

Ws est l’humidité saturante au niveau du solide, définie comme étant

l’humidité absolue d’un air saturé de vapeur d’eau à la température de la paroi

(kg de vapeur d’eau / kg d’air sec) ;

Wf est l’humidité absolue de l’air (kg de vapeur d’eau / kg d’air sec) ;

Clat est chaleur massique de vaporisation (J.kg-1) donnée par la relation :

Clat=4185.5 (597-0.56.T) ;

T est la température en K;

hm est le coefficient de transfert massique entre la surface du solide et le fluide

(J.kg. m-2.K-1). Il est lié au coefficient de transfert hv par l’expression suivante :

(Eq.VI-11)

Le: nombre de Lewis donnée par le rapport entre la diffusivité thermique et la

diffusivité moléculaire, sa valeur est 0,83 à une température de l’air à T=20°C

et sous une pression P=105 Pa;

Cva: chaleur massique de l’air humide (J.kg-1.K-1) donnée par :

Cpa : chaleur massique de l’air sec (=1004 J.kg-1.K-1) ;

Cpv : chaleur massique de la vapeur d’eau (=1862 J.kg-1.K-1);

W : humidité absolue de l’air en (kg/ kg d’air sec).


143

IV. TRANSFERTS DE CHALEUR PAR RAYONNEMENT

IV.1 Expression de flux radiatif

Le transfert d’énergie par rayonnement se fait sous forme d’ondes

électromagnétiques sans déplacement de matière et sans contact entre les

objets ou les milieux qui échangent l’énergie.

L’intensité du rayonnement émis est donnée par la loi de Stefan-Boltzmann :

(Eq.VI-12)

Cette relation montre que la relation liant le flux à la température pour le

transfert de chaleur par rayonnement est non linéaire, exposant 4 de la

température. Il se différencie des processus de transfert par conduction et par

convection qui eux sont linéaires. La température est exprimée en Kelvin.

L’émission ou l’absorption du rayonnement par une surface dépend beaucoup

de son environnement (présence d’autres surfaces en face par exemple). Il est

alors nécessaire de prendre en considération le flux de chaleur net échangé

entre ces surfaces rayonnantes, et déterminer la fraction de l’émission totale à

partir de chacune d’elles qui atteint les autres et se trouve absorbée.

Lorsqu’il s’agit seulement de surfaces opaques aux IR (R = 0), tout le

rayonnement incident est absorbé ou réfléchi (R + R = 1) et nous n’avons à

tenir compte dans ce cas que de la relation géométrique entre les surfaces.

Pour deux surfaces S1 et S2 de deux corps noirs séparées par un milieu

transparent aux IR (l’air par exemple), nous avons :

la puissance rayonnée par la surface S1, qui atteint la surface S2 :

(Eq.VI-12)

la puissance rayonnée par la surface S2, qui atteint la surface S1 :

(Eq.VI-13)

Le facteur de forme F12 décrit dans le paragraphe suivant correspond à la

fraction d’espace occupé par la surface 2 dans l’espace total vu par la surface1.

Il est compris entre 0 et 1.


144

Il n’existe pas de solutions simples aux problèmes du rayonnement thermique

échangé entre deux ou plusieurs surfaces de formes souvent complexes, mais

des solutions plus ou moins simplifiées basées sur l’association de formes

géométriques plus simples.

Une équation générale donnant la puissance rayonnée de la surface S1 vers la

surface S2 a été proposée par V.D.I. Wärmeatlas:

4

2 - T4

1 T.

21.F

12).F

2-ε1).(

1-ε1 - (1

12.F

1.S

2.ε

1σ.ε

12R

Q

(Eq.VI-14)

Avec :

la constante de Stefan Boltzman= 5,67 10-8 (W.m-2.K-4);

1 et 2 sont les émissivités des corps 1et 2;

F12 facteur de forme qui dépend uniquement des conditions géométriques;

T1 et T2 les températures des corps S1 et S2 en K.

IV.2 Facteur de forme

IV.2.1 Définition

Le facteur de forme est une quantité purement géométrique, il dépend

uniquement de la forme et de la position relative des surfaces. Il correspond à

la fraction d'énergie issue d'une surface qui arrive sur une autre surface. Soit

Fij le facteur de forme entre deux éléments de surface Si et Sj (Perrot O., 2011):

directionslestoutesdansittantquitotaleEnergie

jatteignantideprovenantEnergieij

S

SS F

(Eq.VI-15)

IV.2.2 Expression analytique

Le calcul du facteur de forme peut être toujours ramené à celui d’un double

intégral de surface à partir de la définition :


145

On utilise la formule de Bouguer pour déterminer le flux échangé entre dS1 et

dS2:

(Eq.VI-16)

L’angle solide sous lequel on voit la surface S2 est donné par la relation:

2

2

l

2θcosdS12dΩ

(Eq.VI-17)

L1 est la luminance de la surface S1 calculée à partir de la loi de Lambert :

M L1

M est l’émittance qui correspond au flux total émis par unité de surface de la

source en W.m-2.

IV.2.3 Propriétés et calcul des facteurs de forme

Le calcul de facteur de forme se ramène dans la plupart des cas au calcul

d’une intégrale double. Cependant en utilisant les propriétés déduites de la

définition du facteur de forme on peut déterminer l’expression de facteur de

forme sans procéder au calcul de l’intégrale.

Réciprocité, nous avons pour deux surfaces i et j la relation de

réciprocité suivante :

(Eq.VI-18)

∫ ∫


146

La conservation de l’énergie nous conduit à la relation d’additivité

suivante :

(Eq.VI-19)

Lorsque tout le rayonnement issu de la surface S1 atteint la surface

S2 (influence totale) :

(Eq.VI-20)

Pour une enceinte close de n faces, le rayonnement émis par la

surface i atteint les surfaces j pour j compris entre 1 et n, nous avons

l’expression suivante:

∑ (Eq.VI-21)

IV.2.4 Détermination des facteurs de forme

On peut déterminer les facteurs de forme :

en considérant des formes géométriques simples ;

en utilisant les relations d’additivité et de réciprocité ;

pour des surfaces convexes on a Fii = 0 ;

pour des surfaces Si et Sj séparées par une distance x et de

dimensions très grandes devant x on peut appliquer la formule de

Hottel (Perrot O., 2011) :

(Eq.VI-22)


147

Pour des surfaces parallèles S1 et S2 nous avons les relations suivantes :

F12 = F21 1 (Eq.VI-23)

F12 = 1 et F11 = 0

F21 = S1/S2 et F12=S1/S2

F22=1-F21=1-S1/S2

Facteurs de forme pour deux surfaces en " influence totale " nous les

expressions suivantes :

Pour des surfaces perpendiculaires:

En dimension 2, le facteur de forme entre deux faces (ici A1

et A2) correspond à la somme des longueurs des deux cordes

croisées (connectant les deux extrémités de chaque face)

moins la somme des cordes «non croisées» joignant les

extrémités des segments des deux faces considérées

S

2

S

1

90°

°

S1

°

S1

°

S2

S1

h

l

L


148

[ (

) (

) √ (

√ )]

{[

( )( )

] [

( )

]

[ ( )

]

} (Eq.VI-24)

Avec :

et

h, L et l sont respectivement la hauteur, la longueur et la largeur du séchoir

considéré.

V. TRANSFERTS DE CHALEUR PAR CONDUCTION

Ce mode de transfert se fait au sein d’un milieu solide sous l’influence d’une

différence de température et sans déplacement de matière. La propagation de la

chaleur se fait selon deux mécanismes : par les électrons libres et par les

vibration des atomes ou molécules.

La conduction repose sur l’hypothèse de Fourier qui stipule que la densité de

flux est proportionnelle au gradient de la température. Elle est positive dans le

sens des températures décroissantes et quantifiable pour une paroi plane,

homogène et à faces parallèles par l’expression :

(T)grad

Le flux conductif à travers la section S, est donné par la relation :

o1 T - T

e

λ S- S

(Eq.VI-25)

: flux de chaleur transmis par conduction (W) ;

: densité de flux par unité de surface (W.m-2) ;

: conductivité thermique du milieu (W.m-1.K-1) ;

S : aire de la section de passage de flux (m2);

e : distance de séparation dans la direction x de flux (m).


149

L’étude du bilan thermique du séchoir nécessite une description physique du

séchoir en identifiant les différentes éléments soumises aux modes de

transferts de chaleur et une description des flux qui interviennent lors de ces

transferts avec les systèmes d’équations y associées.

VI. DESCRIPTION DU SYSTEME PHYSIQUE

VI.1 Principe

Le séchoir utilisé est un système ouvert qui échange de la matière et de

l’énergie avec l’extérieur (figure VI.3).

La variabilité des conditions climatiques et météorologiques d’Environnement

extérieur influe et rend complexe l’étude du comportement thermique du

séchoir et de ses composants.

Afin d’approcher la réalité des échanges thermiques existants entre le séchoir

et l’extérieur ainsi qu’entre les différents éléments du séchoir, nous avons opté

pour une modélisation de ces échanges thermiques par des modèles physiques.

La résolution mathématique et numérique de ces modèles permet de décrire le

comportement thermique du séchoir et de ses composants.

Figure VI.3 : Schéma représentant le séchoir solaire installé au laboratoire

L l

h

H


150

VI.2 Eléments du séchoir

Pour calculer le bilan thermique, il importe d’énumérer l’ensemble des

éléments constituant le séchoir ainsi que les variables d’état dont les plus

représentatives sont la température et l’humidité de l’air.

Le tableau VI.1 suivant décrit les différents éléments du séchoir :

Les éléments du système Variables d’état

Nomenclature

Vitres formant la couverture transparente du séchoir

Tv Températures des vitres en (°K)

Sol Ts Température du sol en (°K) Tôle jouant le rôle absorbeur

Tt Température de la plaque absorbeur en (°K)

Air Intérieur Ti Température de l’ai intérieur en (°K) Wi Humidité absolue de l’air Intérieur en g

de vapeur d’eau par Kg d’air sec (g/Kg)

Tableau VI.1: Eléments du séchoir solaire

VII. LES DENSITES DE FLUX ECHANGES ENTRE LES ELEMENTS DU

SECHOIR SOLAIRE

Le bilan thermique sera décrit pour chaque élément, ainsi que le bilan global

du système. Pour s’y faire nous allons exprimer les différents flux qui régissent

l’ensemble des échanges thermiques au niveau du séchoir solaire. Les

transferts vont être décrits en se basant sur la densité de flux exprimé en W.m-

2.

VII.1 Densités de flux radiatifs solaires échangés

VII.1.1 Calcul des densités de flux radiatifs solaires

VII.1.1.1 Densité de flux radiatif solaire absorbé par le vitrage

Le comportement des vitres du séchoir vis-à-vis du rayonnement solaire

qu’elles reçoivent dépend de la composition spectrale de ce rayonnement.

Comme la composante totale Iglbt du rayonnement global incident sur toute la


151

couverture du séchoir est la résultante des trois composantes spectralement

différentes : les composantes totales des rayonnements directe Idirt, diffuse Idift

et réfléchie Ireft, reçues à chaque instant par toute la couverture, les propriétés

radiatives des vitres seront différentes.

Le rayonnement solaire absorbé par le vitrage est composé de la fraction du

rayonnement solaire direct incident reçu absorbé par les vitres du séchoir et le

rayonnement réfléchi par le sol est absorbé par les vitres.

La densité du flux total absorbée par les vitres du séchoir est alors donnée par

la relation suivante:

srssiavsav QQQ

(Eq.VI-26)

siavQ est la fraction du rayonnement solaire global incident absorbée par les

vitres de la couverture en W.m-2, est donc donnée à chaque instant par

l’expression suivante :

(Eq.VI-27)

b est le coefficient d’absorption du vitrage pour le rayonnement direct ;

d est le coefficient d’absorption du vitrage pour le rayonnement diffus.

Dans cette expression nous avons considéré que les compositions spectrales du

diffus et du réfléchi sont identiques, et que le comportement des vitres vis-à-vis

de ces deux composantes reste constant quelque soit l’incidence.

srsQ est le rayonnement transmis en W.m-2 par les vitres et qui sera réfléchi par

le sol du séchoir vers le vitres qui est donnée par la relation :

Q...Sv

SvsQ stvssvdsrs

(Eq.VI-28)

vd est le coefficient d’absorption de la vitre pour le rayonnement diffus ;

ss est le coefficient de réflexion du sol ;

Svs est la surface visible du sol du séchoir en m2;


152

Sv est la surface de couverture transparente du séchoir en m2 ;

est la fraction du rayonnement réfléchi par le sol et absorbée par les vitres

est exprimée en fonction du rayonnement transmis par les vitres donnée par la

relation suivante :

(Eq.VI-29)

b est le coefficient de transmission du vitrage pour le rayonnement direct ;

d est le coefficient de transmission du vitrage pour le rayonnement diffus.

VI.1.1.2 Densité de flux radiatif solaire absorbé par le sol

Suite à l’existence de la tôle d’aluminium au dessus de la surface du sol du

séchoir, les rayons solaires passeront uniquement vers la partie visible du sol.

La densité de flux absorbée ne concernera alors que cette partie. Par

conséquent la relation est donnée par l’expression suivante :

Q..

S

SQ stvss

v

vssas

(Eq.VI-30)

sasQ est la densité de flux absorbée par le sol en W.m-2 ;

ss est le coefficient d’absorption du sol.

VII.1.1.3 Densité de flux radiatif solaire absorbé par la tôle

De même que la surface du séchoir, la densité du flux absorbée la tôle

d’aluminium est donnée par la relation suivante :

Q..S

SQ stvst

v

alSat (Eq.VI-31)

sasQ est la densité de flux absorbée par la tôle d’aluminium en W.m-2;

st est le coefficient d’absorption de la tôle.


153

VII.1.2 Densités des flux radiatifs Infrarouges

Les densités de flux radiatifs infrarouges correspondent aux rayonnements

émis par les différents éléments du séchoir dans le domaine de grandes

longueurs d’ondes. Chaque élément est assimilé à un corps dont les propriétés

physiques sont supposées être uniformes.

VII.1.2.1 Calcul des facteurs de forme

Pour le calcul des facteurs de forme relatifs au séchoir solaire construit, nous

avons considéré des configurations géométriques connues dans la littérature et

permettant de se rapprocher mieux le double intégrale de surface. Les

dimensions et surfaces du séchoir sont représentées dans le tableau VI.2 :

Faces Dimensions Surfaces

(m2)

Longueur

Largeur/Hauteur 1

Largeur/Hauteur 2

v1 (sud inclinée)

1.5 1.4

2.10

v2 (sud verticale)

1.5 1

1.50

v3 (est) 1.2 1 1.82 1.69

v4 (ouest) 1.2 1 1.82 1.69

v5 (nord) 1.5 1.82

2.73

Sol (S) 1.5 1.2

1.80

Tôle (t) 1.5 0.47

0.71

Sol apparent (Sa)

1.5 0.73

1.10

Tableau VI.2 : Dimensions du séchoir considérées pour le calcul des facteurs de forme

Pour la surface inclinée sud et le sol, nous avons appliqué la formule de

HOTTEL (Eq.VI-22); les résultats obtenus sont récapitulés dans le tableau

VI.3 :

Facteurs de Forme

v1 – S 0.329303548 S - v1 0.384187473

v1 - Sa 0.184576401 Sa - v1 0.353982138

v1 – t 0.144727148 t- v1 0.431102142

Tableau VI.3 : Facteurs de forme calculés relatifs à la surface sud inclinée v1.

Pour la surface sud verticale v2, la formule (Eq.VI-24) a été utilisée pour le

calcul du facteur de forme avec le sol et la tôle qui forment deux plans


154

verticaux ; le facteur de forme entre vitre inclinée et le sol apparent est déduit à

partir de la relation d’additivité (Eq.VI-19).

La relation de réciprocité (Eq.VI-18) permet d’avoir les facteurs de forme des

différentes surfaces avec la vitre inclinée.

Le tableau VI.4 récapitule les différents résultats obtenus après tout calcul

fait :

Facteurs de Forme

v2 – S 0.24 S - v2 0.20

v2 - Sa 0.09 Sa- v2 0.12

v2 – t 0.15 t- v2 0.33

Tableau VI.4 : Facteurs de forme calculés relatifs à la surface sud verticale v2.

La même chose a été faite pour la face nord du séchoir et le sol, nous avons

considéré la formule (Eq.VI-24) comme les surfaces forment ont un arrêt

commun et forment un angle perpendiculaire. Le facteur de forme entre la

surface nord et la tôle étant cette fois ci déduit de la relation d’additivité (Eq.VI-

19)

La relation de réciprocité (Eq.VI-18) permet d’avoir les facteurs de forme des

différentes surfaces avec la vitre sud verticale.

Les résultats des calculs sont résumés dans le tableau VI.5 suivant :

Facteurs de Forme

v5- S 0.16 S – v5 0.24

v5- Sa 0.12 Sa- v5 0.30

v5 – t 0.04 t- v5 0.14

Tableau VI.5 : Facteurs de forme calculés relatifs à la surface sud verticale v5.

Pour les surfaces Est et Ouest, nous avons appliqué la formule (Eq.VI-20)

relative à un volume fermé de n faces. Les résultats globaux sont récapitulés dans le tableau VI.6 suivant :

Facte

ur d

e fo

rme

Facteurs de forme relatifs au sol du séchoir

S – v1 S – v2 S – v3 S – v4 S – v5 v1 - S v2 - S v3 - S v4 - S v4 - S

0.38 0.20 0.09 0.09 0.24 0.33 0.24 0.14 0.14 0.16

Facteurs de forme relatifs à la tôle t – v1 t – v2 t– v3 t – v4 t – v5 v1 - t v2 - t v3 - t v4 - t v4 - t 0.43 0.33 0.05 0.05 0.14 0.14 0.15 0.33 0.33 0.04

Facteurs de forme relatifs au sol apparent Sa – v1 Sa – v2 Sa – v3 Sa – v4 Sa – v5 v1 - Sa v2 - Sa v3 - Sa v4 - Sa v4 - Sa 0. 35 0.12 0.11 0.11 0.30 0.18 0.09 0.30 0.30 0.12

Tableau VI.6 : Facteurs de forme servant pour le calcul des densités de flux radiatifs.

VII.1.2.2 Densité de flux radiatif échangé entre le vitrage et le sol du séchoir


155

VII.1.2.2.1 Densité de flux radiatif échangé entre le vitrage et le sol du

séchoir sans tôle

La densité du flux radiatif échangée entre la vitre i et le sol du séchoir sans

absorbeur est donnée par la relation :

44.

)1)(1(1... svi

svivissvi

vissviRvis TT

FF

FQ

(Eq.VI-

32)

RvisQ est la densité de flux radiatif échangé entre la vitre vi et le sol en W.m-2.

v et s sont les émissivités du vitrage et du sol;

Fvis et Fsvi sont les facteurs de forme vitrage-sol et sol-vitrage calculés par

application des formules prédéfinies aux paragraphes précédents;

En utilisant la relation d’additivité des facteurs de forme, nous avons :

donc

VII.1.2.2.2 Densité de flux radiatif échangé entre le vitrage et le sol apparent

De même la densité de flux radiatifs entre le vitrage et le sol apparent est

donnée par la relation :

4

1i

4sa

4vi

savivisasv

visasvRvsa TT.

FF)1)(1(1

F...Q

Eq.VI-33)

RvsaQ est la densité de flux radiatif échangé entre la vitre vi et le sol apparent

sa exprimée en W.m-2.

visaF et saviF sont les facteurs de forme vitrage sol apparent et vis versa.

Pour la surface du sol et pour toutes les surfaces vitrées du séchoir nous avons

adopté comme émissivité la valeur 0,92.


156

VII.1.2.3 Densité de flux radiatif échangé entre le vitrage et la tôle

Pour pouvoir calculer les facteurs de forme relatif à la tôle d’une manière exacte

et précise, nous avons supposé que la tôle est déposée sur le sol du séchoir du

côté de la face sud du séchoir (emplacement optimum pour capter plus

d’énergie). La longueur de la tôle est prise égale à celle du séchoir alors que sa

largeur varie selon le besoin et suivant la largeur du séchoir.

Dans ces conditions nous allons appliquer les mêmes formules utilisées plus

haut, et plus précisément celle de deux faces perpendiculaires et celle de Hottel

.

L’expression de la densité de flux radiatif entre le vitrage et la tôle est donnée

par la relation suivante :

(Eq.VI-34)

RvtQ est la densité de flux radiatif échangé entre la vitre vi et tôle exprimée en

W.m-2 ;

v et t sont les émissivités du vitrage et de la tôle;

tvivit FetF sont respectivement les facteurs de formes vitrage-tôle et tôle-vitrage.

VII.1.2.4 Densité du flux radiatif échangé entre le vitrage et l’air extérieur

Cette densité concerne les échanges radiatifs d’une part entre le vitrage et le sol

environnant et d’autre part entre le vitrage et la voûte céleste. La densité de

flux total est donnée par la somme :

Avec

QRvse est la densité de flux entre le vitrage et le sol environnant :

RvcRvseRve QQ Q

4

i

4t

4vi

tvivittv

vittvRvt TT.

FF)1)(1(1

F...Q


157

4se

4vvsesevRvse TT.F...Q

(Eq.VI-

35)

Tv et Tse sont respectivement la température du vitrage et du sol environnant.

QRvc est la densité de flux entre le vitrage et la voute céleste :

4c

4vvccvRvc TT.F...Q

(Eq.VI-

36)

est le facteur de forme entre le vitrage et le sol environnant calculé par

l’expression (Bargach, 2000):

(Eq.VI-37)

est le facteur de forme entre le vitrage et la voûte céleste calculé par

l’expression (Bargach M.N., 2000):

(Eq.VI-38)

: Surface de la couverture;

: Surface du sol du séchoir;

cT : La température apparente en K de la voute céleste donnée par la relation

8

F - 1 T

8

F T T cn

sccn

sdc

(Eq.VI-39)

Tsd : la température d’un ciel couvert estimée à partir de la relation d’Arinze

(Arinze E. A. et al. 1984) :

Tsd = Ta + 6 (Eq.VI-40)


158

Tsc : la température d’un ciel clair estimée à partir de la relation de

Swinbank en K (Swinbank W. C. 1963)

Tsc = 0.0552 (Ta)3/2 (Eq.VI-41)

Ta : la température ambiante en K ;

Fcn : le facteur de couverture nuageuse compris entre 0 pour un ciel très clair

et 8 pour un ciel complètement couvert.

VII.1.2.5 Densité de flux radiatif échangé entre le sol et le vitrage

La densité de flux radiatif échangé entre le sol apparent du séchoir et la

couverture est calculé à partir de relation :

4

1i

4vi

4sa

visasavivs

savivsaRsav TT.

FF)1)(1(1

F...Q

(Eq.VI-42)

est le facteur de forme entre le surface apparente et la vitre vi.

VII.1.2.6 Densité de flux radiatif échangé entre le sol et la voûte céleste

(Eq.VI-43)

v est le coefficient de transmission radiatif des vitres, sa valeur est trés faible

étant donnée l’aspect opaque du verre aux infrarouges, et par conséquent la

densité du flux est néligeable.

VII.1.2.7 Densité de flux radiatif échangé entre la tôle et le vitrage

(Eq.VI-44)

et vitF sont les facteurs de forme entre la tôle et la vitre vi calculé dans le

tableau VI.6.

VII.1.2.7 Densité du flux radiatif échangé entre la tôle et le ciel

)T-.(T..Q 4c

4svsRse

4vi

4t

vittvivt

tvi4

1ivtRtv TT.

F.F)1)(1(1

F...Q

)T-.(T..Q 4c

4tvtRtc


159

(Eq.VI-45)

v est le coefficient de transmission radiatif des vitres, sa valeur est trés faible

étant donnée l’aspect opaque du verre aux infrarouges, et par conséquent la

densité du flux est néligeable.

On note que les échanges radiatifs entre le sol et la tôle sont considérées

négligeables (comme première approche, le sol étant en contact avec la tôle et le

transfert se fait uniquement par conduction);

VII.2 Densités de flux convectifs

VII.2.1 Convection sensible

VII.2.1.1 Densité du flux convectif entre le vitrage et l’air intérieur

La densité de flux convectif sensible entre les vitres et l’air intérieur QCvai est

donnée par la relation:

aivcvaicvai TT.hQ (Eq.VI-46)

Avec :

v

ucvai

L

.Nh

hcvai est le coefficient d’échange convectif en W.m-2.K-1;

est la conductivité thermique de l’air (25.9 10-3 W.m-1.K-1);

Lv est la longueur caractéristique des vitres en m :

Nu est le nombre adimensionnel de Nusselt.

VII.2.1.2 Densité du flux convectif entre le vitrage et l’air extérieur

La densité de flux convectif sensible entre le vitrage et l’air extérieur QCve est


TeTv.hQ cvecve (Eq.VI-47)


160

hcve est le coefficient d’échange convectif entre le vitrage et l’air extérieur en

W.m-2.K-1;

vT et eT sont respectivement la température du vitrage et de l’air extérieur.

VII.2.1.3 Densité de flux convectif entre le sol l’air intérieur

La densité de flux convectif sensible entre le sol et l’air intérieur QCvi est donnée

par la relation:

)TiTs.(hQ csicsi (Eq.VI-48)

hcsi : coefficient d’échange convectif entre le sol et l’air intérieur en W.m-2.K-1;

Ts est la température du sol en K ;

Ti est la température de l’air intérieur en K.

VII.2.1.4 Densité de flux convectif entre la tôle et l’air intérieur

La densité de flux convectif sensible entre la tôle et l’air intérieur QCti est

donnée par la relation: (Eq.VI-49)

hcti est le coefficient d’échange convectif entre la tôle et l’air intérieur en W.m-

2.K-1;

Ti est la température de l’air intérieur en K ;

Tt est la température de la tôle en K.

VII.2.1.5 Densité de flux convectif entre l’air intérieur et le vitrage

La densité de flux convectif sensible entre l’air intérieur et le vitrage QCiv est


)TvTi(hQ civCiv

(Eq.VI-50)

hciv est le coefficient d’échange convectif entre l’air intérieur et le vitrage en W.m-

2.K-1;

Ti est la température de l’air intérieur en K ;

Tv est la température du vitrage en K.

Ti)-(Tt.hQ cticti


161

VII.2.1.6 Densité de flux convectif entre l’air intérieur et l’air extérieur

Le renouvellement d’air constitue un échange thermique sous forme de vapeur

d’eau entre l’air intérieur et l’air extérieur.

La densité de flux convectif latent entre l’air à l’intérieur et à l’extérieur du

séchoir est donnée par la relation (Elkannafi.A, 2002) :

(Eq.VI-51)

Avec :

S : surface du séchoir en m2;

V : Volume d’air à l’intérieur du séchoir en m3;

Cvai : chaleur massique d’air humide à l’intérieur du séchoir (J.kg-1.K-1);

Cvae : chaleur massique d’air humide à l’extérieur du séchoir (J.kg-1.K-1);

Ro : masse volumique de l’air en kg.m-3 ;

D : débit horaire d’évacuation d’air (Volume/Heure) donnée par la formule :

(Eq.VI-52)

Le débit horaire dépend du taux des fuites dans le séchoir Df, du débit horaire

dû à une ventilation naturelle Dvn et du débit horaire dû à une ventilation

forcée Dvf.

Le taux de fuite Df représente les défauts d’étanchéité du séchoir. Il peut être

calculé en utilisant la relation suivante (Elkannafi A., 2002):

Df1 et Df2 sont des constantes.

Vve est la vitesse du vent à l’extérieur du séchoir.

Le débit horaire dû à une ventilation naturelle correspond à une ouverture des

ouvrants du séchoir, il est calculé en fonction de la vitesse de l’air à l’intérieur

du séchoir et de la section totale des clapets So par la relation suivante :

(Eq.VI-53)


162

Le débit horaire dû à une ventilation forcée est variable selon la puissance du

ventilateur utilisé (Lakhrati F., 2003).

VII.2.2 Convection latente

VII.2.2.1 Densité de flux convectif latent entre le vitrage et l’air intérieur

La densité de flux convectif latent entre les vitres et l’air intérieur est donnée

par la relation :

ivmlatLvi WW.h.CQ (Eq.VI-54)

Avec :

Clat: chaleur latente de vaporisation (J.kg-1) donnée par la relation : Clat=4185.5

(597-0.56.T) et T : température en K;

Wv: Humidité saturante à la température Tv des vitres (kg/kg);

Wi: Humidité absolue de l’air en (kg/ kg d’air sec);

et hm est le coefficient de transfert massique entre les vitres et

l’air exprimé en J.kg. m-2.K-1;

Le: nombre de Lewis donnée par le rapport entre la diffusivité thermique et la

diffusivité moléculaire0.83 à une température de l’air à T=20°C et sous une

pression P=10-5 Pa;

Cva: chaleur massique de l’air humide (J.kg-1.K-1) donnée par :

Cpa : chaleur massique de l’air sec (=1004 J.kg-1.K-1) ;

Cpv : chaleur massique de la vapeur d’eau (=1862 J.kg-1.K-1);

W : humidité absolue de l’air en (kg/ kg d’air sec).

VII.2.2.2 Densité de flux convectif latent entre le vitrage et l’air extérieur

La densité du flux convectif latent entre les vitres et l’air extérieur est donnée

par la relation :

(Eq.VI-55)

ev.mlatLve WWh.CQ


163

Le coefficient de transfert massique entre les vitres et l’air exprimé est donné

par la relation suivante :

. est le coefficient d’échange

convectif entre le vitrage et l’air extérieur.

VII.2.2.3 Densité de flux convectif latent entre le sol et l’air intérieur

De même la densité de flux convectif latent entre le sol et l’air intérieur est

donnée par la relation suivante :

(Eq.VI-56)

Avec :

Ws : humidité de saturation à la température du sol (kg/kg);

Wi : humidité absolue de l’air intérieur en (kg/ kg d’air sec) ;

et hm et sont les coefficients de transfert massique et

convectif entre le sol et l’air intérieur.

VII.2.2.4 Densité de flux convectif latent entre l’air intérieur et le vitrage

La densité de flux convectif latent entre l’air intérieur et les vitres est donnée

par la relation :

(Eq.VI-57)

Avec :

Wv : humidité de saturation à la température du vitrage (kg/kg);




VII.2.2.5 Densité de flux convectif latent entre l’air intérieur et le sol

La densité de flux convectif latent entre l’air intérieur et le sol est donnée par

la relation :

(Eq.VI-58)

ismlatLsi WW.h.CQ


164

Avec :

Ws : humidité de saturation à la température du sol (kg/kg);




VII.2.2.6 Densité de flux convectif latent entre l’air intérieur et la tôle

La densité de flux convectif latent entre l’air intérieur et la tôle est donnée par

la relation :

(Eq.VI-59)

Avec :

Wt : humidité de saturation à la température de la tôle (kg/kg);



convectif entre l’air intérieur et la tôle.

VII.2.2.7 Densité du flux convectif latent entre l’air intérieur et l’air extérieur

Le renouvellement d’air constitue aussi un champ d’échange massique sous

forme de vapeur d’eau entre l’air intérieur et l’air extérieur.

La densité de flux convectif latent entre l’air à l’intérieur et à l’extérieur du

séchoir est donnée par la relation :

(Eq.VI-60)

Avec

V : Volume d’air à l’intérieur du séchoir en m3;

S : Séchoir du séchoir en m2;

D : débit de l’air à l’intérieur du séchoir en m3;

Roi : masse volumique d’air intérieur en Kg.m-3;

Roe : masse volumique d’air extérieur en Kg.m-3;

Clati : chaleur latente de vaporisation d’eau à la température de l’air intérieur

en J.Kg-1;


165

Clate : chaleur latente de vaporisation d’eau à la température de l’air extérieur

en J.Kg-1;

VII.3 Densités de flux conductifs

VII.3.1 Densité de flux conductif à travers le sol

VII.3.1.1 Densité de flux conductif de la première couche

La densité de flux conductif est donnée par la relation suivante :

(Eq.VI-61)

s1 : le coefficient de conductivité de la première couche du sol (liège) du

séchoir exprimé en W.m-1.K-1;

Es : épaisseur de la couche du sol en m;

Ts1 : tempérautre de la première couche du sol en K.

Ts2 : tempérautre de la deuxième couche du sol en K.

VI.3.1.2 Densité du flux conductif de la deuxième couche

La densité de flux conductif est donnée par la relation suivante :

(Eq.VI-62)

s : le coefficient de conductivité de la deuxième couche du sol (béton) du

séchoir exprimé en W.m-1.K-1;

Es2 : épaisseur de la couche du sol en m;

Ts2 : tempérautre de la deuxième couche du sol en K.

Tsp : tempérautre de la couche profonde en K.

VII.3.2 Densité de flux conductif à travers les vitres

Les vitres peuvent être considérées comme des corps à faible épaisseur et par

conséquent leur résistance conductive est faible par rapport à celle convective,

ce qui donne un nombre de Biot inférieur à 0.1 (

). Rcond et Rconv sont

respectivement les résistances conductives et convectives des vitres données

respectivement les termes

. Avec ces conditions, la température est

uniforme au niveau des vitres et par conséquent le flux conductif est

négligeable (De Halleux D., 1984).

2s1s1s

1s1ds TT.

EQ

sp2s2s

2s2ds TT.

EQ


166

VII.3.3 Densité de flux conductif à travers la tôle

La tôle est assimilée à une couche mince et la différence de la température

entre les deux faces de la tôle est nulle. Par conséquent, la densité de flux

conductif Qdt est considérée nulle.

VII.3.4 Densité de flux conductif à travers la tôle et le sol

stt

tdts TT.

EQ

(Eq.VI-

63)

t : le coefficient de conductivité de la couche superficielle de la tôle du

séchoir W.m-1.K-1;

Es : épaisseur de la tôle en m;

Ts : tempérautre du sol du séchoir en K.

VII.3.5 Densité de flux conductif à travers les profilés d’aluminium du

séchoir

pepi

p

pdp TT.

EQ

(Eq.VI-64)

p : le coefficient de conductivité du profilé d’aluminium W.m-1.K-1;

Ep : épaisseur de la tôle en m;

Tpi : tempérautre de la face de la paroi intérieure en K.

Tpe : tempérautre de la face de la paroi extérieure en K.

VIII. BILAN THERMIQUE DU SECHOIR

Pour chaque élément du séchoir, on applique les bilans énergitiques qui

constituent les régles d’évolution de l’état du séchoir pendant une durée de

temps. L’application du bilan conduit à des équations, dite équations d’état,

dans les lequelles on exprime que la somme algébrique des flux échangés entre

un élément et les autres est égale à la variation d’énergie interne de cet élément

par rapport au temps. Cette variation qui correspond à l’énertie de l’élément,

reflète la proportion de la variable d’état associée à cet élément à évoluer plus

ou moins rapidement. On définit une équation par variable d’état. On peut

prendre en compte un éventuel terme source de chaleur.


167

VIII.1 Bilan du vitrage

L’état thermodynamique de la couverture est caractérisée par sa température

Tv comme variable d’état. L’équation du bilan thermique du vitrage est donnée

par l’équation suivante :

(Eq.VI-65)

Cv est la capacité thermique surfacique de la vitre en J.m-2.K-1.

Figure VI.4 : L’ensemble des flux entrants et sortant relatif au vitrage

VIII.2 Bilan du sol

VIII.2.1 1ère couche du sol

(Eq.VI-66)

VIII.2.2 2ème couche du sol

Avec

Cs1 et Cs2 sont les capacités thermiques de la 1ère et la 2ème couche du sol.

VIII.3 Bilan de la tôle

(Eq.VI-67)

Qcve+QLv

e

QSAv

QRvt QRvs

QRve

v

Qcvi+

Qcve


168

Avec

Ct : la capacité thermique de la tôle

VIII.4 Bilan de l’air intérieur

Deux bilans décrivent l’air intérieur, le premier est un bilan thermique

correspondant à la variation de la tempéraute comme variable d’état, le

deuxième est le bilan hydrique relatif à la variation de l’humidité absolus de

l’air intérieur :

L’état thermodynamique de l’air intérieur étant défini par deux variblaes d’état :

sa température Ti et son humidité Wi. Deux bilans seront donc formulés :

VIII.4.1 Bilan thermique

Le bilan thermique de l’air intérieur est donnée par la relation suivante :

(Eq.VI-68)

Avec

Ccva : la capacité spécifique volumique de l’air en J.m-3.K-1;

V : volume de l’air en m-3 ;

S : Surface du séchoir en m-2 ;

QCx est un terme regulateur de chauffage de l’air à l’intérieur du séchoir.

VIII.4.2 Bilan hydrique

Le bilan hydrique de l’air intérieur est donnée par la relation suivante :

(Eq.VI-69)

QLx est un terme regulateur d’humidité de l’air à l’intérieur du séchoir.

Chapitre 7 : Modélisation numérique du comportement thermique du séchoir solaire

169

Chapitre 7 : Modélisation numérique

du comportement thermique du

séchoir solaire

I. INTRODUCTION

Une nouvelle approche numérique et un modèle sur le comportement

thermique du séchoir solaire construit au laboratoire sont proposés dans ce

chapitre. Un code numérique a été développé afin de prédire l’évolution des

variables d’états des différents éléments du séchoir. Ce code a pris en

considération plusieurs contraintes et plusieurs conditions lui permettant de

s’adapter aux différentes situations et à être plus flexible à l’utilisation. La prise

en détail des facteurs de formes décrites précédemment dans l’approche

numérique a fait nettement améliorer les résultats du modèle.

Ce modèle numérique fut validé à partir des données expérimentales prises

sur site, sur des périodes et sous des conditions météorologiques différentes.

La correspondance satisfaisante entre les résultats obtenus expérimentalement

et les résultats de la simulation numérique confirme la validité de l’approche

adoptée. L’interface graphique développée dans cette étude a permis une

représentation du modèle sous un format agréable, facile à utiliser et à

paramétrer. En outre, plusieurs simulations numériques peuvent se faire

simultanément et selon les besoins de l’utilisateur.

II. CONCEPTS DE BASE DU MODELE NUMERIQUE SOLAR DRYER

Le principe du modèle numérique consiste à la résolution des équations du

bilan global du séchoir solaire et qui concerne:

La définition d’un noyau informatique de base pour lequel seront indiqués les

choix fondamentaux relatifs aux structures des données et aux méthodes de

résolution ;


170

L’illustration de la méthodologie de construction et la mise en point du

programme informatique. Sa fonctionnalité de base est de déterminer à partir

d’un état donné à l’instant t du séchoir un nouvel état à l’instant .

Les paramètres d’entrée du modèle informatique correspondent aux paramètres

d’entrée du modèle physique, ils sont composés de :

Paramètres primaires, représentent les données brutes et sont classés en deux

catégories de base : paramètres structurels et conjoncturels ;

Paramètres secondaires puisqu’ils sont calculés par le modèle à partir des

paramètres primaires.

Les paramètres structurels sont liés à la structure du séchoir et demeurent

constants au cours d’une simulation ; ils correspondent aux propriétés

géométriques et physiques du séchoir. Les paramètres conjoncturels sont

susceptibles de varier au cours de la simulation ; ils correspondent

essentiellement aux paramètres climatiques tels que la température de l’air

ambiant, l’humidité relative, la vitesse du vent, le rayonnement, etc.

Du point de vue numérique, l’état du système est parfaitement déterminé par

la connaissance des variable d’état du séchoir, à savoir dans notre cas, la

température du vitrage Tv, la température du Sol des deux couches Ts1 et Ts2,

la température de la tôle Tt, l’humidité et la température de l’air intérieur Wi et

Ti.

Du point de vue thermique, l’état global du système doit intégrer les intensités

des flux échangés à partir des calculs effectués à l’instant t-1 de l’ensemble des

paramètres secondaires.

III. ORGANIGRAMME DU PROGRAMME NUMERIQUE

Le programme numérique développé sous Fortran peut être décrit simplement

sous forme de bloques principales : la lecture des données et initialisation des

variables, la définition des sous programme principales pour les calculs

intermédiaires de l’ensemble des paramètres avec les différents tests et cas

possibles, l’implémentation de la méthode de résolution numérique adoptée

pour les différentes équations du bilan du séchoir, et l’écriture des résultats

des simulations dans différents fichiers. L’organigramme suivant synthétise le

principe de l’approche numérique adoptée dans ce travail :


171

Figure VII.1 Organigramme du modèle numérique sur le comportement thermique du séchoir solaire

III.1 Données d’Entrée

le rayonnement solaire global absorbé par la tôle d'aluminium (W/m2)

le rayonnement solaire global absorbé par le sol (W/m2)

le rayonnement solaire global absorbé par le vitrage (W/m2)

la température de l’air extérieur (°C)

la vitesse du vent (m/s)

l’humidité relative de l’air (%).


172

III.2 Données de Sortie

La température de l’air intérieur

La température du vitrage

La température de la tôle

La température du sol (couche 1 et 2)

L’humidité absolue et relative de l’air intérieur

Densités des flux thermiques.

Sept principaux sous programmes (subroutines) font partis du programme

principal. Ils représentent un ensemble d’instructions permettant d’optimiser,

organiser et de calculer certaines variables appelées d’une façon répétitive :

III.3 Subroutines

Subroutine PRESTAT

Valeurs d’entrée : la température et la température de référence.

Valeur de sortie : la pression saturante

Subroutine HUMABS

Valeurs d’entrée : la température, la température de référence, la pression

atmosphérique, la pression saturante et l’humidité relative.

Valeur de sortie : l’humidité absolue.

Subroutine LATENT

Valeurs d’entrée : la température.

Valeur de sortie : la chaleur latente de vaporisation de l’eau.

Subroutine CHAMAS

Valeurs d’entrée : la chaleur massique de l’air, la chaleur massique de la

vapeur d’eau et l’humidité absolue.

Valeur de sortie : la chaleur massique.

Subroutine MASVOL

Valeurs d’entrée : la masse volumique de référence, la pression

atmosphérique, la pression de référence, la température, la température de

référence et l’humidité absolue.

Valeur de sortie : la masse volumique de l’air.


173

Subroutine EMITTANCE

Valeurs d’entrée : émissivité de chaque élément, les facteurs de forme, les

surfaces.

Valeur de sortie : la puissance rayonnée entre éléments du séchoir solaire.

Subroutine HUMSAT

Valeurs d’entrée : la température, la température de référence, la pression

atmosphérique et la pression saturante.

Valeur de sortie : l’humidité saturante.

IV. LA RESOLUTION NUMERIQUE DU SYTEME D’EQUATIONS AVEC LA

METHODE RUNGE KUTTA D’ORDRE 4

Les équations du bilan global du séchoir solaire forment un système

d’équations différentielles du premier ordre de type :

Parmi les nombreux algorithmes de résolution de ce type d’équations, notre

choix s’est porté sur la méthode de Runge-Kutta. (Annexe n°2)

Pour le système d’équations d’écrivant le bilan du séchoir solaire, nous avons :

{


174

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

D’une manière générale, nous avons les équations :

Les coefficients : sont calculés

à partir des flux radiatifs, convectifs et conductifs. Les variables d’états des

différents éléments du séchoir sont donnés par les relations :


175

V. L’APPLICATION « SOLAR DRYER »

V.1 Principe générale

Afin de permettre à l’exploitant de manipuler d’une manière simple est

conviviale le modèle numérique réalisé sous Fortran, nous avons conçu une

application qui fonctionne sous Windows avec plusieurs interfaces graphiques.

L’application permet d’étudier la performance du comportement thermique des

séchoirs solaires directs et d’effectuer les différentes simulations et scénarios

théoriques en fonction de la géométrie, des caractéristiques des éléments, des

conditions climatiques, etc.

L’application appelée Solar Dryer est élaborée en utilisant le langage Borland

Delphi 7 (cf. Annexe 3) pour offrir une interface de gestion intelligence

des Entrées et Sorties. Elle représente un avantage d'être "AUTONOME"

puisqu'elle ne nécessite aucun package supplémentaire à installer pour la faire

exécuter.

Les principales fonctionnalités de l’application Solar Dryer sont :

Réalisation des simulations sur les Séchoirs Solaires avec la simple

gestion de tous les paramètres et variables d'entrée.

Possibilité de sauvegarder les paramètres de chaque simulation et de la

réutiliser en cas de besoin.

Visualisation automatique des résultats sous format graphique avec la

possibilité d’imprimer et de sauvegarder sous format image.

Sorties dans des fichiers sous format texte, exploitables par la suite sous

Excel ou autre.

Comparaison simultanée des résultats des simulations et la possibilité de

confrontation avec les mesures expérimentales de la même période.

Analyse statistique des résultats : calcul de l’erreur relative et du

coefficient de corrélation.


176

Aide détaillée sur le principe de l’utilisation de l’application.

V.2 Description de l’application

V.2.1 Installation de l’application

Pour installer l'application sur un l’ordinateur, il suffit de lancer le

fichier "setup.exe" et de suivre les instructions d’installation (figure VII.2).

Figure VII.2 : Processus de l’installation de « Solar Dryer Simulator v1.1 »

V.2.2 Capacités hardware requises

Au fur et à mesure que la durée de simulation augmente, le temps d'exécution

augmente, pour cela un minimum de capacité en CPU et en mémoire est

requis:

Pentium 4 et plus ;

Mémoire 512 et plus ;

Capacité de stockage nécessaire pour les fichiers de sorties.


177

V.2.3 Menu principal

Figure VII.3 : fenêtre principale

V.2.4 Réalisation d’une nouvelle Simulation

Dans le menu principal, dans Gérer des simulations --> Nouvelle

simulation

Figure VII.4 : Barre d’outils


178

Une fenêtre s'affiche dans laquelle l'utilisateur est invité à introduire tout les

paramètres nécessaires pour effectuer la simulation. Chaque paramètre est

décrit à droite de la fenêtre avec son unité. Les variables en bleu sont

introduits par défaut alors que les variables en vert représentent des

paramètres intermédiaires calculés par le programme numérique et qui

servent comme entrée à d’autres fonctions (figure VII.5).

Figure VII.5 : manipulation des paramètres de la simulation

V.2.5 Saisie des paramètres de la simulation

Les paramètres sont classés dans plusieurs onglets selon différentes

catégories:

1. Paramètres générales;

2. Paramètres de la couverture du séchoir;

3. Paramètres de la tôle;

4. Paramètres de l'air;

5. Paramètres du sol;

6. Paramètres d'intégration.

V.2.6 Validation

Une fois la saisie des paramètres est effectuée, on clique sur le bouton

« Valider ». Cette action permet de déclencher le calcul de l’ensemble des

paramètres dont le label est en couleur verte et de générer un fichier


179

temporaire fichier_data.txt dont il sera comme donnée d'entrée pour le

programme principal.

V.2.7 Sauvegarde des paramètres

Pour sauvegarder tout les paramètres d’une simulation, il suffit de cliquer sur

le bouton « Sauvegarder param.simulation » et donner un nom au fichier de

sortie (figure VII.6).

Figure VII.6 : Sauvegarde des paramètres de simulations

V.2.8 Lancement de la Simulation

Le lancement de la simulation se fait par le bouton « Lancer le Calcul », à ce

stade l’utilisateur peut choisir de tenir en compte ou non des nouveaux

facteurs de forme en cochant ou décochant le checkbox en bas du bouton du

lancement. Le calcul de la simulation se termine une fois avoir apparaître le

message box "Terminé !" (figure VII.7).


180

Figure VII.7 : lancement du calcul

V.2.9 Sauvegarde des résultats

Le bouton « Sauvegarder l'Output » permet d’enregistrer les résultats de la

simulation dans un fichier texte (figure VII.8).

Figure VII.8 : sauvegarde de la simulation


181

V.2.10 Visualisation graphique des résultats

Pour visualiser les résultats d'une simulation, dans la barre du Menu principal,

il existe le bouton « Visualiser la sortie d’une simulation » (figure VII.9).

Figure VII.9 : Menu de visualisation des sorties

Après l'utilisateur est demandé à charger le répertoire des fichiers contenant

les sorties de la simulation sauvegardées précédemment (Bouton : Fichier de

sortie de la simulation)

Une fois lancé, une fenêtre s'ouvre contenant plusieurs rubriques donnant

chacune les paramètres susceptibles à visualiser, à imprimer ou à sauvegarder

sous format graphique.

Les principales rubriques concernent :

Les coefficients d'échanges entre les différents éléments du

séchoir solaire;

L'humidité relative et absolue ;

Les températures des éléments du séchoir ;

Les densités des flux convectifs, radiatifs et conductifs qui interagissent

entre les composantes du séchoir.


182

Visualiser une simulation

La fenêtre ci-dessus représente un exemple de sorties graphiques d’une

simulation donnée. Il s’agit dans ce cas de la rubrique température. Les

superpositions de plusieurs champs permettent de faire une comparaison

précise et significative entre les différentes composantes du séchoir solaire

(figure VII.10).

Figure VII.10 : Exemple de sorties graphiques

Pour sauvegarder ou imprimer une courbe donnée, l’utilisateur peut utiliser le

bouton de sauvegarde situé en bas du graphique. Plusieurs formats sont alors

disponibles (JPG, BMP, …) selon la qualité et la résolution voulues.

Comparer deux simulations avec les mesures

Afin de comparer les résultats de deux simulations données et de les comparer

avec les mesures expérimentales, l’utilisateur peut facilement visualiser et

analyser les sorties en cliquant seulement sur le bouton « Comparaison des

résultats ». Cette fonction donne la possibilité d’optimiser le comportement

thermique du séchoir et de faire le choix y associé (figure VII.11).


183

Figure VII.11 : exemples de comparaison de deux simulations

L’utilisateur charge les fichiers contenant les sorties de deux simulations

sauvegardées précédemment ainsi que le fichier contenant les mesures (trois

boutons : Fichier simulation 1, fichier simulation 2 et fichier expérimental).

Les paramètres disponibles pour la comparaison sont : la Température,

l'Humidité et la Cinétique de séchage, la densité de flux conductifs,

convectifs et radiatifs et les coefficients d'échange.

La visualisation peut se faire simplement en cochant et en décochant les cases

concernées.

L’interface suivant représente les rubriques de la température des éléments du

séchoir solaire pour deux simulations ainsi que les mesures

expérimentales (figure VII.12):


184

Figure VII.12 : superposition des deux cas de simulations avec les mesures

Analyse statistique

L’application permet aussi de visualiser d’une manière simple et conviviale les

traitements statistiques préalablement définies. Elles concernent les erreurs

relatives aux mesures et les coefficients de corrélations (figure VII.13).

Figure VII.13 : Analyse statistique


185

Chapitre 8 : Validation du modèle

numérique et son confrontation aux

mesures expérimentales

I. INTRODUCTION

Un modèle numérique de simulation représente un outil à utilisation variée. Il

permet d’une part, d’étudier d’une manière simple et détaillée le comportement

du séchoir solaire installé et de prédire ses performances et ses lacunes dans

un environnement donné et d’autre part d’évaluer l’influence de chaque

paramètre sur l’évolution de la réponse du modèle numérique. L’optimisation

des caractéristiques géométriques et physiques à travers plusieurs simulations

permettra de réaliser des séchoirs solaires d’une performance optimale.

Ainsi, l’objectif de ce chapitre est d’étudier la validité et la stabilité du modèle

mathématique décrivant le comportement du séchoir solaire construit et

étudié. Une analyse thermique de son comportement en fonction des

paramètres les plus influants sera établie ainsi qu’une confrontation des

résultats théoriques avec les résultats expérimentaux.

Deux compagnes de mesures, au Laboratoire d’Energie Solaire et

d’Environnement, ont été effectuées pour pouvoir confirmer en premier lieu; la

performance et la stabilité du modèle développé, et en deuxième lieu d’évaluer

l’influence de certains paramètres sur le comportement thermique du séchoir

solaire adopté tout au long de cette étude.

II. LES MESURES

Comme déjà signalé, nous avons effectué des mesures expérimentales en deux

périodes différentes. La première durant le mois de juillet 2013 du 27 au 29 et

la deuxième durant le mois d’aout 2013 du 10 au 12. Les paramètres mesurés

concernaient les températures du milieu extérieur, à l’intérieur du séchoir, des

vitres du séchoir, du sol à différentes couches, de la tôle ainsi que la

température humide à l’intérieur du séchoir, le rayonnement global et diffus

sur plan horizontal, la vitesse du vent à l’extérieur du séchoir, l’humidité de

l’air ambiant. Sont calculés par les modèles : les composantes du rayonnement


186

absorbé par les différents éléments du séchoir, les coefficients d’échanges, les

températures, les humidités et les différents flux, etc.

III. INFLUENCE DES FACTEURS DE FORME

Comme nous l’avons déjà signalé, les échanges par rayonnement entre deux

surfaces quelconques se font selon deux facteurs : le premier représente les

caractéristiques d’absorption et d’émission et le deuxième représente l’angle

sous lequel chaque surface est vue par l’autre surface. Le facteur de forme ne

dépend lui que de la géométrie et de la disposition relative aux surfaces en

question.

Son calcul, dans la plupart des cas, se ramène au calcul d’une intégrale double

qui est difficile à résoudre, néanmoins des propriétés déduites de sa définition

permet de déterminer des expressions de calcul sans faire appel au calcul

complexe de l’intégral. Les expressions peuvent se résumer par la réciprocité,

l’influence totale, l’espace fermé de n surfaces, la décomposition de l’intégrale

de surface en somme d’intégrales, etc.

Pour le cas de notre étude, nous avons procédé dans le modèle mathématique à

utiliser deux approches différentes pour le calcul des facteurs de formes relatifs

à chaque surface (la tôle, les cinq surface du séchoir, le sol). La première

approche consiste aux calculs simples des facteurs de formes en se basant sur

les expressions préalablement décrites (Lakhrati F., 2003); la deuxième

approche est plus précise comme elle se réfère aux configurations prédéfinies

des surfaces dans la littérature (Perrot O., 2011). Les facteurs de forme y

associés sont décrites et calculés dans les chapitres précédents.

Pour dans la première approche, le séchoir solaire est considéré comme étant

un volume fermé composé de la couverture, de la tôle et du sol, les expressions

utilisées sont les suivantes:

Fvv + Fvs + Fvt = 1;

Fsv + Fss + Fst = 1;

Ftv + Fts + Ftt = 1;

Avec Fss = 0, Ftt = 0, Fts = 0, Fst = 0, Ftv =1

Fvt = Ast/Asv

Fvs = ((Ass-Ast)/Asv)

Fvv =1-Fvs-Fvt

La figure VIII.1 représente les différents cas de figures pour la période du 27

au 29 Juillet, permettant de voir l’influence des facteurs de forme sur la

performance du séchoir. L’intégration des nouveaux facteurs a fait augmenter


187

la température à l’intérieur du séchoir d’un peu plus de 1 °C. Cette variation

malgré qu’elle n’est pas très importante mais elle reste positive puisqu’elle

s’approche plus des mesures que celle notée dans le cas du calcul classique

des facteurs de formes faible notée (figure VIII.1.a).

Pour le sol, le modèle se comporte presque de la même manière dans les deux

cas. Les calculs théoriques et celle expérimentales sont en parfaite concordance

avec les mesures (figure VIII.1.b).

L’influence des nouveaux facteurs de formes est plus marquée pour la tôle,

l’écart de température entre l’ancienne méthode et la nouvelle est plus de 3 °C.

La nouvelle méthode a permis d’améliorer les résultats théoriques comme elle

fait diminuer l’écart avec les mesures (figure VIII.1.c).

On a constaté également que l’apport de la nouvelle méthode se manifeste plus

au milieu de la journée. L’écart est peu significatif la nuit mais dans tous les

cas dans le sens positive.

La figure VIII.1.e et la figure VIII.1.f représentent les erreurs relatives des

nouveaux et anciens facteurs de formes FF par rapport aux mesures. A

l’exception de certains piques observés de la température ne durant pas

longtemps, le pourcentage des erreurs ne dépasse pas en moyenne les 20%

tout au long de la période et qui reste inférieur à 10% le jour. Ce pourcentage

reste moins important pour le cas des nouveaux facteurs surtout le cas de la

tôle.

a) simulation 1 : Nouveaux FF ; simulation 2 : anciens FF

Température de l'air intérieur: (simulation 1)

Température de l'air intérieur mesurée en °C (expérimentale)


temps (en heures)7260483624120

Tem

péra

ture

en

°C

80

70

60

50

40

30

20

10

0


188

b) simulation 1 : Nouveaux FF ; simulation 2 : anciens FF

c) simulation 1 : Nouveaux FF ; simulation 2 : anciens FF

e) : Nouveaux FF f): Classique FF

Figure VIII.1 : Effet des facteurs de formes sur la température et l’humidité pour le mois de Juillet 2013

Température de la couche 1 du sol: (simulation 1)

Température du Sol mesurée en °C (expérimentale)



Tem

péra

ture

en

°C

80

70

60

50

40

30

20

10

0

Température de la tole mesurée en °C (expérimentale)

Température de la tole: (simulation 1)



Tem

péra

ture

en

°C

80

70

60

50

40

30

20

10

0

Température air intérieur Simulée / Mesurée

Température de la tole Simulée / Mesurée

Température du Sol Simulée / Mesurée

Température de la Vitre Simulée / Mesurée


Err

eur

Rela

tive

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0

-0.2

-0.4

-0.6

-0.8

-1






Err

eur

Rela

tive

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0

-0.2

-0.4

-0.6

-0.8

-1


189

IV. INFLUENCE DE L’EPAISSEUR DE LA TÔLE

La plaque absorbante peinte en noir est en acier galvanisé. Ce type de matériau

est utilisé dans cette étude comme ça était approuvé qu’il donne de bonnes

résultats sur les caractéristiques du séchoir solaire et sur son rendement

(Saadi S., 2010).

L’épaisseur de la plaque absorbante a fait l’objet d’études pour voir son

influence sur le comportement thermique du séchoir. Théoriquement, nous

avons adopté plusieurs valeurs de l’épaisseur de la tôle (2 mm, 5 mm et 8 mm),

et expérimentalement, nous avons pris les mesures des jours du 10, 11 et le 12

du mois d’aout 2013 avec pour une épaisseur de 2 mm.

Le cas de l’épaisseur de 2 mm est visualisé dans tous les figures comme valeur

de référence. La figure VIII.2.a et VIII.2.b représente l’évolution de la

température de l’air à l’intérieur pour le cas de 5mm et 8 mm. Nous

remarquons que l’augmentation de l’épaisseur fait retarder l’augmentation de

la température pendant le jour et la diminution de la température pendant la

nuit, ce décalage de la température devient de plus en plus important avec

l’augmentation de l’épaisseur. L’épaisseur de 2 mm reste plus proche des

mesures pour la période nocturne, l’écart au milieu de la journée est peu

significatif.

Pour la température de la tôle l’impact de son épaisseur est plus marqué. En

effet, la figure VIII.2.b et VIII.2.d montrent que le réchauffement se fait d’une

manière très tardive avec l’augmentation de l’épaisseur. Le maximum se situe

au alentour de 14 h pour 2 mm, 15 heures pour 5 mm et 16 heures pour

l’épaisseur de 8 mm. Pendant la phase nocturne, les températures restent plus

chaudes pour des épaisseurs plus les grandes.

Les constatations sur la température ont des conséquences directes sur

l’humidité relative à l’intérieur du séchoir solaire. En effet, l’augmentation de

l’épaisseur de la tôle fait augmenter la performance du séchoir pendant la nuit,

le taux d’humidité ne s’élève pas à des valeurs engendrant des phénomènes de

condensation. On observe peu d’écart durant le jour entre les deux situations,

figure VIII.2.e (5mm) et figure VIII.2.f (8mm). Les chances pour que le

processus de séchage continue même en période de nuit devient plus grandes

pour des épaisseurs plus importantes, on arrive à diminuer l’humidité de plus

20 % (figure VIII.2.g et VIII.2.h).

Les figures VIII.2.i, j, k, l et m représentent les erreurs relatives par rapport aux

mesures qui confirment un pourcentage qui se situe en moyen entre -15% et


190

+15% pour la température et l’humidité et pour l’ensemble des éléments du

séchoir surtout pour les deux derniers jours.

Le coefficient de corrélation pour les températures est de 0.94, 0,92 et 0,90

alors que pour les humidités, il est 0,70, 0,69 et 0,67 pour les cas de 2 mm, 5

mm et 8 mm respectivement. Les coefficients de corrélations sont plus faibles

pour l’humidité que pour la température vue que l’humidité relative à

l’intérieur du séchoir est calculée et déduite à partir des mesures effectuées sur

la température sèche et la température humide. Néanmoins, les piques

observés sont à négliger comme ils ne durent pas longtemps et les calculs

théoriques restent bien corrélés.

a)Simulation 1 : (2 mm), simulation 2 : (5 mm) b) Simulation :(2 mm), simulation 2 : (8mm)





Tem

péra

ture

en °

C

80

70

60

50

40

30

20

10

0





Tem

péra

ture

en °

C

80

70

60

50

40

30

20

10

0


191

c)Simulation 1 : (2 mm), simulation 2 : (5mm) b) Simulation 1 :(2 mm), imulation2 : (8mm)

e) Simulation 2 (5 mm) aout 2013 f) Simulation 2 (8 mm) aout 2013

g) Simulation 2 (5 mm) juillet 2013 h) Simulation 2 (5 mm) juillet 2013





Tem

péra

ture

en °

C

80

70

60

50

40

30

20

10

0





Tem

péra

ture

en °

C

80

70

60

50

40

30

20

10

0

L'Humidité relative de l'air intérieur mesurée en % (expérimentale)

L'Humidité Relative en % (simulation 1)



Hum

idité

100

95

90

85

80

75

70

65

60

55

50

45

40





Hum

idité

100

95

90

85

80

75

70

65

60

55

50

45

40





Hum

idité

100

95

90

85

80

75

70

65

60

55

50

45

40





Hum

idité

100

95

90

85

80

75

70

65

60

55

50

45

40


192

i) Erreur relative de 2 mm avec les mesures j) Erreur relative de 5 mm avec les mesures

k ) Erreur relative (2 mm) l) Erreur relative (5 mm) m) Erreur relative (8 mm)

Figure VIII.2 : Effet des facteurs de l’épaisseur de la tôle sur la température et l’humidité pour le mois de Juillet et aout 2013

V. INFLUENCE DE LA VENTILATION

Pour étudier l’influence de la ventilation sur le comportement de séchoir, nous

avons utilisé deux modes de ventilation: naturelle et forcée de 25 m3/h pour les

journées du mois de juillet 2013.

L’évolution de la température à l’intérieur du séchoir dans les deux modes a

montré que la ventilation forcée a un effet considérable au milieu de la

journée, elle fait diminuer davantage la température d’environ 10 °C. La

température pour le cas sans ventilation est plus proche des mesures, chose

qui concrétise la stabilité du modèle comme les valeurs mesurées sont prises

pour le cas d’une ventilation naturelle (figure VIII.3.a).

Pour le sol, nous concluons que la ventilation fait diminuer pendant le jour la

température de quelques degrés, environ de 3 à 4 °C. Pendant la nuit les






Erreur R

ela

tive

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0

-0.2

-0.4

-0.6

-0.8

-1






Err

eur

Rela

tive

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0

-0.2

-0.4

-0.6

-0.8

-1

Humidité Relative Simulée / Mesurée


Err

eur

Rela

tive

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0

-0.2

-0.4

-0.6

-0.8

-1



Err

eur

Rela

tive

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0

-0.2

-0.4

-0.6

-0.8

-1



Err

eur

Rela

tive

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0

-0.2

-0.4

-0.6

-0.8

-1


193

températures restent très voisines les unes des autres (figure VIII.3.b). Le sol

reste peu sensible à l’effet de la ventilation.

La figure VIII.3.c représente le comportement de la température de la tôle.

Comme tous les autres éléments du séchoir, la ventilation ne fait que diminuer

la température le jour; plus de 5. L’effet est moins apparent la nuit et les

résultats restent similaires.

L’effet de la ventilation est plus important le jour comme la nuit pour

l’humidité. La ventilation pourra être un moyen efficace la nuit comme elle

permet d’extraire de l’air humide vers l’extérieur et par conséquent contribuer à

continuer le processus de séchage; qui dans la plupart des cas à de forte

chances de s’arrêter pendant cette phase de la journée suite à l’effet de la

condensation (figure VIII.3.d).

Les figures VIII.3.e, f, g et h confirment que les résultats obtenues sans

ventilation restent voisine des mesures surtout à partir de la deuxième journée.

Pour l’humidité, l’effet de la ventilation a fait augmenter l’écart aux mesures

d’une manière assez considérable au milieu des journées et pendant la nuit ce

qui est normale puisque les mesures sont prises sans ventilation.

a) : sans ventilation (simulation 1), avec ventilation (simulation 2)





Tem

péra

ture

en

°C

80

70

60

50

40

30

20

10

0


194

b) : sans ventilation (simulation 1) avec ventilation (simulation 2)

c) : sans ventilation (simulation 1) avec ventilation (simulation 2)

d) : sans ventilation (simulation 1) avec ventilation (simulation 2)





Tem

péra

ture

en

°C

80

70

60

50

40

30

20

10

0





Tem

péra

ture

en

°C

80

70

60

50

40

30

20

10

0





Hum

idité

100

90

80

70

60

50

40

30


195

e) : erreur relative (sans ventilation) f) : Erreur relative (avec ventilation)

g) :

Erreur relative (sans ventilation) h) : Erreur (avec ventilation)

Figure VIII.3 : Effet de la ventilation sur le comportement thermique du séchoir.

VI. INFLUENCE DE L’APPORT DE CHALEUR

Une source de chaleur permettra d’augmenter la température de l’air à

l’intérieur du séchoir le jour et remédier à l’effet du refroidissement nocturne.

Un apport de 100 W comme scénario fait augmenter la température de 5 °C le

jour et de 7 à 8 °C la nuit (figure VIII.4.a). Le sol reste moins sensible à cette

intervention, par contre la plaque absorbante se réchauffe le jour comme la

nuit (figure VIII.4.b et VIII.4.c). Ces changements ne laissent pas invariante

l’humidité à l’intérieur du séchoir. En effet, une source de chaleur permettra

d’avoir des valeurs plus inférieures le jour. La nuit, les effets sont plus marqués






Err

eur

Rela

tive

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0

-0.2

-0.4

-0.6

-0.8

-1






Err

eur

Rela

tive

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0

-0.2

-0.4

-0.6

-0.8

-1



Err

eur

Rela

tive

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0

-0.2

-0.4

-0.6

-0.8

-1



Err

eur

Rela

tive

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0

-0.2

-0.4

-0.6

-0.8

-1


196

avec des taux d’humidités plus intéressantes et plus favorables pour le

processus de séchage (figure VIII.4.d).

Pour voir de près le comportement du modèle vis-à-vis de cet apport, nous

avons tracé également le taux d’erreur relative aux mesures pour le mois d’aout

2013. Les erreurs sont moins importantes pour le cas sans apport de chaleur.

En effet, les mesures sont prises sans aucune source da chaleur et le modèle

prouve son adaptation aux différentes situations.

Des mesures avec apport de chaleur via l’utilisation des panneaux

photovoltaïques, des résistances et/ou des combustibles pourront mieux

approfondir l’analyse et avoir des conclusions et des réponses plus précises sur

le comportement du séchoir.

a) : simulation 1 (sans apport de chaleur), simulation 2 (avec apport de chaleur)

b) : simulation 1 (sans apport de chaleur), simulation 2 (avec apport de chaleur)





Tem

péra

ture

en

°C

80

70

60

50

40

30

20

10

0





Tem

péra

ture

en

°C

80

70

60

50

40

30

20

10

0


197

c) : simulation 1 (sans apport de chaleur), simulation 2 (avec apport de chaleur)

d) : simulation 1 (sans apport de chaleur), simulation 2 (avec apport de chaleur)





Tem

péra

ture

en

°C

80

70

60

50

40

30

20

10

0





Hum

idité

100

95

90

85

80

75

70

65

60

55

50

45

40


198

e) : Erreur relative (sans apport) f) : Erreur relative (avec rapport)

g) : Erreur relative (sans apport) e) : erreur relative (avec rapport)

Figure VIII.4 : effet de l’apport de chaleur sur le comportement du séchoir

VII. INFLUENCE DE LA NEBULOSITE

Pour analyser l’effet de la couverture nuageuse, nous avons considéré un cas

d’un ciel clair, d’un ciel couvert, et un cas réel où le facteur de la couverture

nuageuse Fcn, décrit dans les paragraphes précédents, est pris variable. Les

données sur la nébulosité sont issues de la Direction de la Météorologie

Nationale, mesurées par la station synoptique de Rabat Salé et sont d’une

fréquence horaire pour toutes les périodes considérées.






Err

eur

Rela

tive

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0

-0.2

-0.4

-0.6

-0.8

-1






Err

eur

Rela

tive

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0

-0.2

-0.4

-0.6

-0.8

-1



Err

eur

Rela

tive

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0

-0.2

-0.4

-0.6

-0.8

-1



Err

eur

Rela

tive

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0

-0.2

-0.4

-0.6

-0.8

-1


199

L’influence de la couverture nuageuse se traduit par une augmentation de la

température le jour comme la nuit. Pour un ciel supposé couvert sur toute la

période, nous avons pu enregistrer un réchauffement de 2 à 3 °C par rapport

au cas réel. Cet écart devient moins important si on considère un ciel clair (1 à

2 °C seulement). Cette diminution est justifiée par la période de mesures qui

coïncidait avec un ciel relativement clair (figure VIII.5.a et VIII.5.b).

Les figures VIII.5.c et VIII.5.d représentent l’évolution de la température de la

tôle pour les différents scénarios. La température de la tôle pour le cas réel se

trouve à l’intermédiaire des températures avec ciel clair (cas supérieure) et ciel

couvert (cas inférieure). Les mesures restent plus inférieures, durant la nuit, à

ce qui est prévu par les modèles.

Pour le vitrage et le sol, l’effet de la couverture est considérée peu influent, le

maximum d’écart constaté n’excède pas les 1°C.

La nébulosité a un effet sur le comportement de l’humidité relative à l’intérieur

du séchoir. Pour un ciel clair, le taux de l’humidité a tendance à avoir par

rapport à un ciel couvert des taux plus faibles au milieu de la journée l’ordre de

4%. Or, ce taux durant la phase nocturne gagne en pourcentage un taux

moyen de 5%. Si on prend en considération l’état réel du ciel dans le modèle

numérique, l’évolution de l’humidité se rapproche plus des mesures avec des

valeurs légèrement inférieures au milieu des journées et légèrement

supérieures la nuit (figure VIII.5.e et VIII.5.f).

Pour voir l’amélioration que peut apporter l’introduction des valeurs réelles de

la nébulosité dans le calcul numérique, nous avons tracé les erreurs relatives

aux mesures effectuées dans les cas d’un ciel clair ( figure VIII.5.g), d’un cas

réel (figure VIII.5.h) et d’un ciel supposé couvert (figure VIII.5.i). les jours de

mesures du mois d’aout avaient approximativement les journs d’un ciel clair.

L’erreur est moins importante dans le cas réel avec un pourcentage qui fluctue

en moyen entre -15% et 15%. Ce pourcentage d’erreur augmente légèrement

pour le cas d’un ciel clair, alors que pour un ciel considérée couvert, nous

observons des valeurs de pourcentage plus significatives. Les écarts diminuent

et deviennent plus stables durant les deux derniers jours. Ce qui explique que

le modèle arrive à mieux décrire la réalité et à considérer l’influence de ce

paramètre.

En ce qui concerne l’humidité, l’erreur relative aux mesures fluctue en

moyenne entre -10% et +17%. Le pourcentage d’erreur devient plus grand au

milieu des journées et fin des nuits. Pour l’humidité relative dans le cas d’un

ciel réel, le taux est moins important par rapport aux autre cas avec un taux

maximale de 20 % si on néglige les piques abérants (figure VIII.5.j, VIII.5.k et

VIII.5.l).


200

Ainsi, nous pouvons conclure que l’état du ciel est à un élément influant le

processus de séchage comme c’est le cas pour les autres paramètres

météorologiques et géométriques.

a)Simulation1 (ciel réel), simulation2 (ciel clair) b)Simulation1 (ciel réel), simulation 2 (ciel

couvert)

c)Simulation1 (ciel clair), simulation2 (ciel réel) d) Simulation1 (ciel clair), simulation2 (ciel

couvert)





Tem

péra

ture

en °

C

80

70

60

50

40

30

20

10

0





Tem

péra

ture

en °

C

80

70

60

50

40

30

20

10

0





Tem

péra

ture

en °

C

80

70

60

50

40

30

20

10

0





Tem

péra

ture

en °

C

80

70

60

50

40

30

20

10

0


201

e)Simulation1 (ciel réel), simulation2 (ciel couvert) f)Simulation1(ciel clair), simulation2 (ciel couvert)

juillet aout

g) (ciel clair avec) h) : (Ciel variable) i) : Ciel couvert

k) (ciel clair avec) l) : (Ciel variable) m) : Ciel couvert

Figure VIII.5 : Effet de la nébulosité sur le comportement du séchoir





Hum

idité

100

95

90

85

80

75

70

65

60

55

50

45

40





Hum

idité

100

95

90

85

80

75

70

65

60

55

50

45

40






Err

eur

Rela

tive

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0

-0.2

-0.4

-0.6

-0.8

-1






Err

eur

Rela

tive

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0

-0.2

-0.4

-0.6

-0.8

-1






Err

eur

Rela

tive

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0

-0.2

-0.4

-0.6

-0.8

-1


Err

eur

Rela

tive

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0

-0.2

-0.4

-0.6

-0.8

-1


Err

eur

Rela

tive

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0

-0.2

-0.4

-0.6

-0.8

-1


Err

eur

Rela

tive

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0

-0.2

-0.4

-0.6

-0.8

-1


202

VIII. CONCLUSION

D’après les résultats obtenus lors des différents scénarios et différentes

simulations, nous constatons que :

Les coefficients de corrélations entre la température des éléments du séchoir

(air intérieur, tôle, sol, vitrage) et les mesures varient entre 0.90 et 0.96. Pour

les humidités, les coefficients varient autour de 0.70. Ce taux considéré plus

faible que pour celui de la température car il est plus influencé par les

conditions des mesures; les humidités sont déduites par utilisation des

formules à partir des deux températures sèche et humide. Malgré les erreurs

qui peuvent se produire dans les mesures, ces dernières sont en bon accord

avec la théorie et les simulations.

Le taux de l’erreur relative aux mesures de la température est pratiquement

nulle pour le sol, les mesures avec les sorties du modèle sont en parfaite

concordance. Pour les autres éléments, à l’exception de certains piques

constatés qui ne durent pas longtemps, le taux d’erreur est pratiquement nulle

pour des moments de la journée. Au milieu de la journée et la nuit ce taux

augmente pour atteindre une moyenne de 10 %. Pour l’humidité relative, ce

taux est proche de 0 % durant la fin de nuit jusqu’au début matinée mais

l’écart entre les mesures et les calculs avoisine les 20 % surtout au milieu des

journées. Les calculs prévoient un temps plus sec en ce moment de journée.

L’amélioration des facteurs de forme dans le calcul a permis une amélioration

du modèle même si elle est légère mais importante vue que les sorties

numériques se rapprochent davantage des mesures. Cette amélioration est

plus marquée pour la tôle et l’air à l’intérieur du séchoir.

L’épaisseur de la tôle a confirmé son influence sur le comportement du séchoir

surtout pour l’humidité. Une épaisseur plus importante permet au processus

de séchage de continuer dans des bonnes conditions comme l’air à l’intérieur

aura plus de capacité à absorber d’avantage de la vapeur d’eau. En effet, le

refroidissement se fait d’une manière lente la nuit et les températures restent

plus chaudes avec une augmentation de + 4 °C pour l’air intérieur et +10 °C

pour la tôle. L’écart de l’humidité pourra descendre à moins de 20 % la nuit.

La ventilation forcée a un effet positif sur l’humidité à l’intérieur du séchoir

surtout pendant la phase nocturne comme il permet d’extraire de l’air humide

vers l’extérieur avec des taux plus bas pouvant atteindre moins de 20 %. La

ventilation influe considérablement la température à l’intérieur du séchoir au

milieu des journées par une baisse pouvant dépasser les 5 °C.


203

L’apport de chaleur au sein du séchoir permettra d’augmenter la température

le jour comme la nuit et faire diminuer le taux d’humidité et par la suite

réduire les effets de condensation que peuvent se produire dans la phase

nocturne qui représente un handicap majeur affectant négativement le

processus de séchage. Un système de stockage thermique pourra alors être

associé au système afin de bénéficier de l’énergie solaire pendant la phase

nocturne et assurer la continuité processus de séchage. Ce système de

stockage pourra fonctionner les jours représentant une intensité du

rayonnement suffisante et importante pour ne pas engendrer des coûts

énergétiques très importante.

En plus de la température ambiante, l’humidité relative extérieure, le vent et le

rayonnement, l’état du ciel influe également le comportement du séchoir : plus

le ciel est couvert plus on aura des chances à avoir des températures plus

chaudes à l’intérieur du séchoir le jour comme la nuit. L’humidité à l’intérieur

du séchoir dans le cas d’un ciel couvert a tendance à atteindre des valeurs

plus élevées au milieu des journées et plus basses la nuit que dans le cas d’un

ciel clair. Les conditions du séchage pourraient s’améliorer si on a un ciel clair

le jour et couvert la nuit. La couverture du séchoir du séchoir pourra être une

solution efficace qui permet d’empêcher le refroidissement et garder des taux

d’humidités acceptables.

Conclusions et Perspectives

204


I. CONCLUSION

Cette thèse avait comme objectif principal la conception et la réalisation d’un

séchoir solaire direct de performance énergétique et thermique optimale. A

partir de cet objectif global se découle les objectifs suivants :

Mise en place d’un séchoir solaire direct et d’un séchoir prototype

répondant mieux aux hypothèses de séchage ;

Développer des modèles mathématiques permettant de décrire les

différents interactions et échanges énergétique et thermique entre les

différents éléments du séchoir et le milieu extérieure ;

Réaliser des simulations théoriques décrivant le comportement

énergétique et thermique du séchoir ;

mener des compagnes de mesures pour d’abord évaluer la conduite

du séchoir et ensuite valider les modèles numériques développés,

Identifier les paramètres géométriques et climatiques influant la

performance du séchoir

Etablir des interfaces graphiques interactives permettant une

exploitation meilleure et facile des modèles. Plusieurs simulations et

scénarios peuvent se produire avec des analyses statistiques et sorties

graphiques et numériques.

Les résultats de l’approche énergétique du séchoir solaire, établies dans cette

thèse, est le fruit d’un travail de groupe mené au sein de notre Laboratoire de

l’Energie Solaire et d’Environnement dont la contribution de Mr SAMRANI a été

incontournable surtout en ce qui concerne le volet expérimentation. En

utilisant les résultats expérimentaux pour la journée du 17 juillet 2013 et le

modèle CESS développé, nous avions pu dégager plusieurs conclusions dans

les principales sont les suivants :

Identifier les différentes composantes des flux solaires énergétiques mis en jeu

par la couverture du séchoir solaire avec les énergies quotidiennes associées

en mettant en jeu le rayonnement global sur plan horizontal comme un

paramètre mesuré au laboratoire, la formulation physique et les hypothèses ;

Considérer le climat de la région autant qu’un élément déterminant le

comportement du séchoir solaire ;


205

La surface sud inclinée du séchoir est la surface la plus réceptrice du

rayonnement et de l’énergie quotidienne par unité de surface horizontale avec

90 %, vient en deuxième position les surfaces ouest et est avec 60 %. La

surface sud verticale se positionne en troisième lieu avec 18 %, la surface nord

vient en dernière position avec seulement 2 % d’énergies quotidienne reçue.

Nous pouvons alors constater que la surface nord contribue faiblement au

bilan global du séchoir ;

En terme du rayonnement transmis par les différentes façades du séchoir par

rapport au rayonnement global transmis par l’ensemble de la couverture ; la

surface sud inclinée reste en premier position avec plus de 60% comparée aux

autres surfaces. La surface sud verticale transmet moins de 16 % par rapport à

la surface inclinée ;

La variation de l’orientation du séchoir a peu d’influence sur l’énergie solaire

quotidienne transmise à l’intérieur du séchoir contrairement à l’inclinaison

qui, elle en fonction contribue à recevoir un maximum d’énergie en fonction des

saisons ;

Avec une surface des profilés représentant 22 % de la surface globale du

séchoir construit, nous avons chiffré une perte du rayonnement global

transmis à l’intérieur du séchoir de l’ordre de 23 %. Pour un séchoir de grande

dimension, la surface des profilés sera faible et par conséquent son influence le

rayonnement transmis sera négligeable.

La configuration géométrique du séchoir autour d’une forme standard a montré

l’importance de l’influence de la longueur sur l’énergie reçue par le séchoir qui

évolue dans le même sens. La hauteur du séchoir déterminée à un mètre

constitue un bon compromis entre une utilisation pratique et une énergie

quotidienne optimale. La largeur du séchoir est une conséquence directe

déterminée à partir de la longueur.

Les résultats expérimentaux menés sur les variables d’états ont permis de

suivre l’évolution thermique du séchoir. Les compagnes de mesures ont été

effectuées en été le mois le juillet et le mois d’aout 2013 et en hiver le mois de

janvier 2014. Comparativement aux séchoirs existants dans le marché, le

séchoir développé représente une très bonne performance et attitude pour un

séchage correct et efficace. En effet, le séchoir permet d’avoir des températures

à l’intérieur du séchoir qui dépasse celle de l’air ambiant de plus de 30 °C,

l’humidité relative à l’intérieur du séchoir descend au milieu des journées à

des valeurs de moins de 40 % par rapport à celle du milieu extérieur . La tôle

utilisée franchit les 80 °C au milieu de la journée sachant que la région de


206

Rabat est caractérisée par un climat méditerranéen à influence océanique avec

des hivers doux et des étés tempérés. Les précipitations annuelle moyenne est

de 512 ,4 mm avec une fréquence importante du phénomène de la rosée, 63

jours comme normale annuelle suivi du phénomène du brouillard 37,9 jours.

Les températures moyennes annuelles se situent entre 12 °C le mois de janvier

et 22,6 °C le mois d’aout. Une durée d’insolation de huit heures en moyenne

journalière et un vent dominant de secteur ouest faible à modérée.

Les résultats expérimentaux obtenus lors de cette étude ont permis de

perfectionner et de valider les modèles numériques développés. Ces modèles

décrivant le processus thermique du séchoir ont permis d’analyser l’influence

d’un ensemble de paramètres géométriques et météorologiques (facteurs de

forme, épaisseur de la tôle, apport de chaleur, ventilation, nébulosité) sur le

comportement du séchoir et par conséquent avoir la possibilité de décider sur

les choix des paramètres étudiés. L’interface graphique développée a permis,

dans cette étape, d’établir plusieurs simulations d’une manière conviviale et

flexible. Les importances conclusions sur le comportement du séchoir en

fonction sont les suivants :

L’état du ciel, en plus des autres paramètres météorologiques tel que

le vent, la température, l’humidité et le rayonnement solaire du

milieu, ont un impact sur le comportement du séchoir. Un ciel

couvert contribue positivement à améliorer la performance du séchoir

durant la phase nocturne ;

La ventilation forcée permet durant la phase nocturne d’extraire de

l’air humide vers l’extérieur du séchoir et par conséquence favoriser la

continuité du processus de séchage ;

L’adoption de nouvelles formulations pour le calcul des facteurs de

forme a permis d’agir positivement sur le comportement du séchoir et

de mieux approcher les mesures ;

Apporter de la chaleur au séchoir a une conséquence directe le bilan

thermique du séchoir le jour comme la nuit, des températures plus

grandes et des humidités plus inférieures ;

L’épaisseur de la plaque absorbante a un effet considérable sur le

comportement du séchoir surtout sur l’humidité à l’intérieur du

séchoir. Le refroidissement se fait lentement et d’une manière tardive

ce qui favorise le processus de séchage.


207

II. PERSPECTIVES DE DEVELOPPEMENT

Les résultats ce cette thèse nécessitent d’être développés et approfondies

encore davantage en tenant compte de plusieurs données et de plusieurs

facteurs et ce dans plusieurs volets ; en effet les pistes suivantes pourront être

abordées :

L’effet de saison pourra approfondir nos connaissances sur le

comportement énergétique du séchoir que nous avons conçu et installé au

sein du laboratoire. Cette étude sera une occasion pour faire fonctionner le

séchoir en toute saison et aux différents lieux autre que la région de Rabat.

La variation de l’inclinaison du séchoir et la maîtrise du fonctionnement du

séchoir en fonction du climat de la zone seront des solutions à envisager

pour améliorer la performance du séchoir. Aussi considérer la possibilité un

double vitrage au lieu d’un simple vitrage pour perfectionner le

comportement du séchoir ;

La ventilation est un chantier qui nécessite d’être détaillée ; le taux de fuite

qui est due aux étanchéités du séchoir affecte certainement la performance

du séchoir, son maîtrise n’a qu’à améliorer le processus du séchage. Aussi la

ventilation forcée pourra être une solution alternative pour améliorer le

séchage. L’intensité la plus appropriée du ventilateur utilisé, la périodicité de

son fonctionnement en tenant compte du coût d’utilisation sont des

éléments à étudier davantage pour voir leurs impactes sur le séchoir ;

L’adoption d’un système de stockage d’énergie à utiliser durant l’absence du

rayonnement solaire pourra être étudié pour mesurer son impact sur le

rendement du séchoir ;

La couverture du séchoir la nuit pourra être imaginée comme solution

permettant de réduire l’effet du refroidissement durant la nuit et de remédier

aux phénomènes de condensation ennemie majeure du séchage solaire ;

Le rétablissement des mesures avec une plaque absorbante plus épaisse

pour confirmer les résultats numériques obtenus par le modèle théorique et

par la suite adopter une meilleure solution pour le séchoir existant ;

La concrétisation des résultats obtenus dans cette étude pour atteindre la

finalité désirée et ce par l’introduction des produits à sécher ; en effet

l’influence de l’épaisseur du produit en tenant compte de ses caractéristiques

est un élément à y tenir compte lors du processus du séchage ;

Tenir compte des effets des profilées d’aluminium dans la modélisation

pour mesurer son impact sur le comportement thermique du séchoir ;

Passer d’un scénario d’un séchoir solaire direct à celui d’un séchoir solaire

indirect et faire une comparaison entre les deux modèles.

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213

Publications et communications

dans le cadre de la thèse La présente thèse a été chapeautée par un ensemble de publications dans des

journaux internationaux et des communications qui sont présentées ci-dessous:

Publications :

1- Kabidi. K et al. , Generation of solar irradiance on inclined surface using

along terms measurements, Physical and Chemical News (PCN), Vol 68, April 2013, Pages: 17-24.

2- Kabidi. K et al., Energy performance study of a direct solar dryer

installed under sub humid region, (Code: IIRE-2014-01), International Journal of Renewable Energy (IIRE), Vol.9 No.1, January-June 2014.

3- Kabidi K. et al., State of climate in 2011, Bulletin of the American

Meteorological (BAMS) Society, Vol. 93, No. 7, S1-+, e-ISSN 0003-0007, S1–S282, July 2012.

4- Kabidi K. et al., State of climate in 2010, Bulletin of the American Meteorological Society (BAMS), Vol. 92, No. 6, S17-+, June 2011.

Communications:

1- Etude du bilan thermique du séchoir solaire, 5ème édition de l’Ecole des

Sciences et Technologie du Bois ESTB’5, Faculté des Sciences de Rabat, 15 au 17 Novembre 2007.

2- Elaboration de cartes de la moyenne mensuelle de l'irradiation solaire

quotidienne d'une surface inclinée au Maroc, 6ème édition de l’Ecole des Sciences et Technologie du Bois ESTB’6, Faculté des sciences de Rabat, 23 au 26 Avril 2008.

3- Modélisation des composantes spectrales du rayonnement solaire à rabat (Maroc), Congrès International sur les Energies Renouvelables et

l’Efficacité Energétique, 20-21 avril 2011, FST-Fès. 4- Contributing to climate variability and change in the extreme northern of

Morocco, International training workshop and symposium on climate

variability, predictions and services, 17-28 Juin 2013, Istanbul,Turkey

Annexe n 1

214

Annexe n°1

1. Expérimentation de séchoir solaire type Tunnel menées au TOGO

(Agbossou K. et al. 2013)

Pour des conditions climatiques du TOGO en Afrique, une étude similaire

utilisant le type Tunnel comme séchoir solaire décrit au chapitre 1 a permis

d’évaluer la performance du dit séchoir. Le Togo est connue par son climat

tropical avec deux grandes saisons sèche et pluvieuse. Les températures et

humidités relatives durant ces périodes, varient respectivement en moyenne

de 24°C et 93% en août; à 33°C et 55% en septembre. Les résultats ont

montré que pour un séchoir à vide sans produit, le profil de température le

profil de température suit la variation de l’ensoleillement. La température

ambiante varie de 24°C à 33,5°C alors qu’elle est dans le séchoir elle est

comprise entre 29°C et 65°C (voir figure 1). Ces résultats montrent que la

température à l’intérieur augmente d’une manière homogène rapidement

dans le séchoir de 4°C à 34°C par rapport à l’air libre Il ressort de cette

figure. Cette température atteint un maximum de 69°C dans le capteur et de

65°C dans les cabines de séchage au milieu de la journée. Pour des

conditions ambiantes semblables en Thaïlande et pour le même type du

séchoir, les températures à l’intérieur du séchoir varient entre 39°C à 68°C

pour des températures ambiantes 28°C et 40°C.

Figure 1 : Profil de température à l’air libre et à l’entrée de chaque cabine du

séchoir solaire tunnel Hohenheim à vide.

Annexe n 1

215

En ce qui concerne la variation de l’humidité relative en différents niveaux

du séchoir Hohenheim à vide en fonction du temps. Les résultats mettent en

évidence l’influence de l’humidité dans la zone sur les activités de séchage en

utilisant ce type de séchoir. Pour des humidités relatives de 76% à l’air

ambiant, l’humidité à l’intérieur du séchoir atteint 56% dans le capteur et

40% dans les cabines de séchage (figure 2). A vide, l’humidité de l’air

diminue le long du séchoir. Cette diminution a montré l’efficacité du capteur

direct qui par l’effet serre, due à la couverture transparente recouvrant la

cabine de séchage, a réduit l’humidité de 16% .

Figure 2 : Profil d’humidité à l’air libre et dans le séchoir solaire Hohenheim à vide

2. Expérimentation de séchoir solaire type Tunnel menées au Inde

(Ayyappan S. et al. 2010)

L’expérience a été menée durant la saison d’été à Pollachi en Inde en 2009.

L’objectif est d’étudier la performance du séchoir solaire Tunnel STD (Solar

Tunnel Dryer) dans le cas de la convection naturelle pour le séchage du

COPRA. Le potentiel de l’insolation à cette région est de Huit heures par jour.

Avec des intensités de rayonnement maximales de 857 W/m², la température

à l’intérieur du séchoir a frôlé les 67 °C au milieu de la journée. Cette valeur

descend à 35°C pendant la nuit (voir figure 3). Par rapport à l’humidité

relative, elle diminue considérablement à l’intérieur du séchoir pour

atteindre les 30% sachant que sa valeur à l’air ambiant est de 60% (voir

figure 4). La vitesse de l’air durant la période de l’expérimentation varie entre

0.3 m/s et 1 m/s. par rapport au produit à sécher qui est la noix de coco

son humidité en fin de séchage était de 8% sachant qu’elle était au début de

séchage de 52% en 57 heures.

Annexe n 1

216

Figure 3 : Variation du rayonnement incident et de la température ambiante et à

l’intérieur du séchoir en fonction du temps.

Figure 4 : Variation de l’humidité relative à l’extérieur et à l’intérieur du séchoir en

fonction du temps.

3. Expérimentation de séchoir solaire pour le séchage du bois (Bekkioui

N., 2009)

Le séchoir solaire expérimenté dans ce travail est un séchoir à parois vitrées,

orienté vers le sud avec un toit incliné de 25° par rapport à l'horizontale.

Le toit et les trois murs est, ouest et sud sont composés d'un simple vitrage

monté sur une ossature en bois, par lequel est transmis le rayonnement

solaire à l'intérieur du séchoir. Sur le mur nord isolé thermiquement est

aménagée une porte permettant le chargement et le déchargement du bois.

Pour des températures ambiantes ne dépassant pas les 27°C, une amplitude

thermique de l’ordre de 5°C, une humidité relative maximale d’environ 90%

et une variation moyenne jour et nuit de l’humidité de l’ordre de 20°%, les

Annexe n 1

217

variations de la température et de l’humidité relative à l’intérieur du séchoir

solaire sont données dans les figures suivantes :

La figure 5 représente la température à l’intérieur du séchoir durant 16 jours

de séchage. La variation de la température suit celle du rayonnement solaire

avec des valeurs minimales plus de 20°C. Les températures maximales

varient entre 50°C et 70°C avec un écart journalier dépassant les 30°C.

Figure 5: L’évolution de la température à l’intérieur du séchoir

La figure 6 représente la variation de l'humidité absolue de l’air à l’intérieur

du séchoir en g/kg d'air sec durant la période du séchage. Les valeurs

varient quotidiennement en moyenne entre un 13 g/kg comme valeur

minimale et 18 g/kg comme valeur maximale.

Figure 6: Evolution de l'humidité absolue à l'intérieur du séchoir

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

0 48 96 144 192 240 288 336

Temps,h

Ws,g

/kg

Annexe n 1

218

4. Expérimentation et étude de performance thermique d’un séchoir

solaire direct à vide. (Shobhana S. et al. 2012)

En 2011, le centre de l’énergie à l’Institue de la Technologie en Inde a

expérimenté la performance thermique de plusieurs type de séchoirs (direct,

indirect et mixte). Pour le séchoir type direct qui est en grande partie

similaire à celui que nous avions installé dans l e laboratoire, il est composé

de paroi vitrés de 4 mm d’épaisseur, une tôle d’aluminium peinte en noir de

0.644 mm d’épaisseur, de fibres de verres pour minimiser les pertes

thermique installé au fond et aux côtés du séchoir ; L’ensemble de l’enceinte

du séchoir est enfermé par des cadres en bois, entourés par des feuilles

d’aluminium pour le protéger des conditions climatiques. Deux ouvertures

rectangulaires opposées de dimensions 0,6 x 0,02 m² pour circulation

naturelle de l’air sont également utilisé. Les dimensions globales du séchoir

sont 0,9 x 0,4 x 0,3 m3 (figure 7).

Figure 7 : Schéma du séchoir solaire direct sous une convention naturelle dryer: (1) couverture transparante (2) plaque absorbante, (3) grille métalique, (4) entrée de

l’air, (5) sortie de l’air, (6) coffret en bois, (7) isolation (8) plaque électrique.

Les résultats de l’étude de performance du séchoir ont montré que pour un

rayonnement solaire compris entre 286 et 806 W/m² et des températures

ambiantes comprises entre 14 et 21 °C, la température de la tôle atteint des

valeurs 89 °C, la couverture 54,52 °C et la température de l’air intérieure

42,79 °C.

Annexe n 2

219

Annexe n°2 Méthode Runge Kutta (Huré J. et al. 2002)

L'idée générale qui sous-tend les méthodes de Runge-Kutta repose sur la possibilité d'exprimer l'incrément yi+1 en fonction de yi. La méthode Runge Kutta est basée sur un développement en série des

fonctions telles que :

La méthode permet de calculer à partir d’un point initial les

coordonnées à l’instant du point , puis à l’instant

du point et ainsi de suite.

La méthode numérique de Runge Kutta d’ordre 4 est très utilisée pour la

résolution d'équations différentielles ordinaires. C’est une méthode à pas

unique, directement dérivée de la méthode d’Euler. Elle a l'avantage d'être

simple à programmer et d'être assez stable pour les fonctions courantes de la

physique. Sur le plan de l'analyse numérique, elle a surtout l’avantage de ne

pas nécessiter autre chose que la connaissance des valeurs initiales.

Runge Kutta représente plusieurs avantages:

1. Stable, c’est-à-dire que l’écart entre la solution exacte et la solution

numérique approchée ne s’accroît pas indéfiniment quand t croît, pour

autant que l’on choisisse un pas de temps suffisamment petit ;

2. Converge, cette propriété est indispensable pour toute méthode

numérique :

3. Itérative, elle s’amorce seule : il suffit de connaître les valeurs des

fonctions en un seul point pour pouvoir déterminer leurs valeurs aux

points suivants ;

4. Précise, grâce à la propriété de la convergence, la précision de la

méthode peut être rendue aussi bonne que l’on veut en raccourcissant

le pas d’intégration.

Parmi les nombreuses formules établies et basées sur la méthode de Runge-

Kutta, nous utilisons la plus employée, à savoir la formule de Runge :

Avec :

0 (t) t) (t lim 0 t yy

)k 2k 2k k( 6

1 y y 4321j1j

)y ,(t f . t k jj1

t t t j 1j

)2

k y ,

2

t (t f . t k 1

jj2

)2

k y ,

2

t (t f . t k 2

jj3

)k y t, (t f . t k 3jj4

Annexe n 3

220

Annexe n°3

Le Langage de programmation Delphi 7

Delphi est un environnement de développement de type RAD (Rapid

Application Development) basé sur le langage Pascal. Il permet de réaliser des

applications Windows. Delphi est un véritable langage orienté objet. Il permet

de combiner dans une classe des données et du code (Encapsulation), de créer

de nouvelles classes à partir de classes parentes (héritage) et enfin d’altérer le

comportement hérité (polymorphisme).

Le développement d’une application sous Delphi est basé sur les trois axes

suivants :

Le langage Pascal et la programmation orientée objet ;

L’Environnement de Développement Intégré (EDI) de Delphi ;

Les objets de Delphi et la hiérarchie de classe de sa bibliothèque.

Figure 8 : Structure générale d’une application en langage Delphi

Delphi est un outil moderne, qui fait appel à une conception visuelle des

applications, à la programmation objet, de plus, il prend en charge le maintien

automatique d'une partie du code source.

Voici quelques unes des caractéristiques de Delphi:

Programmation objet.

Outils visuels bidirectionnels.

Compilateur produisant du code natif.

Traitement complet des exceptions.

Possibilité de créer des exécutables et des DLL.

Bibliothèque de composants extensible.

Débogueur graphique intégré.

Support de toutes les API de Windows: OLE2, DDE, VBX, OCX, ...