Contribution à l’étude des performances d’un séchoir serre avec stockage de chaleur dans des matériaux

La Thaïlande est un pays largement tourné vers l’agriculture, malgré une récente industrialisation. Surnommé « le pays d’agriculture », le secteur agricole mobilise plus de 40% de la population active (source de 2013 d’après la Banque Mondiale) et les produits agroalimentaires représentent 14,3% de l’ensemble des exportations du pays. La riziculture occupe plus de 50 % des aires agricoles qui fait de la Thaïlande le 6ème producteur mondial de riz. L’arboriculture est une activité très ancienne et la production de fruits (mangues, ananas, longanes, durians, bananes…) est très diversifiée. La banane est l’un des fruits principaux cultivé. Elle est disponible toute l’année en fruit frais et sec. La banane est séchée non seulement pour sa préservation, mais aussi pour la confection de sucreries (au chocolat, à la fraise,…). La banane séchée, concentrée de sels minéraux et de fibres, est une gourmandise populaire. Depuis quelques années, l’essor de la filière agroalimentaire pour l’exportation a contribué au développement du séchage des denrées agro alimentaires. Dans les méthodes traditionnelles de séchage, les fruits sont répartis sur des tapis de bambous et exposés au rayonnement solaire sans couverture. Cependant, le séchage à l’air libre provoque une altération des fruits par les insectes, la poussière, les intempéries,… Il en résulte des produits secs de mauvaise qualité qui ne peuvent pas être commercialisés. Afin de pallier aux inconvénients du séchage à l’air libre, différents types de séchoirs ont été conçus et développés. La plupart d’entre eux sont modulaire et destinés à de petites quantités de produits frais. Le séchoir serre est adapté à des quantités importantes de produits agroalimentaires. Pour remédier aux caractères intermittents (jour/nuit) du flux solaire et aléatoire (passage de nuages,…), le stockage de chaleur solaire s’avère indispensable. Il contribue à améliorer les performances thermiques du séchoir. En effet, le stockage de l’énergie solaire disponible en excès pendant la journée et sa restitution pendant les périodes de faible ou d’absence d’ensoleillement permet la poursuite du séchage notamment au cours de la nuit. Parmi les modes de stockage de chaleur pour les séchoirs solaires, le stockage par mode sensible et par mode latent a fait l’objet de nombreux travaux aussi bien numériques qu’expérimentaux [Keawkiew et al. 2012, Dulawat et al. 2012,].

Bien que les séchoirs solaires aient fait l’objet de nombreux travaux expérimentaux et théoriques, un séchoir serre équipé d’une unité de stockage de chaleur dans des matériaux à changement de phase (MCPs) placés sous la serre n’a pas, à notre connaissance, fait l’objet de travaux. Il fait l’objet de ce travail dont l’une des objectifs est de développer un code de calcul pour simuler le comportement d’un séchoir serre équipé d’une unité de stockage de chaleur dans des MCPs. La simulation du fonctionnement est effectuée en utilisant la notion de journée type et les données météorologiques des dix années (2005-2015) de la région de Nakorn Pathom (Thaïlande).

Caractérisation des solides humides

Dans les corps capillo-poreux, l’eau se présente sous trois formes :
✦ l’eau libre : elle est retenue à la structure du matériau par des liaisons de type Van Der Walls.
✦ l’eau liée : elle est adsorbée à la structure du matériau.
✦ la vapeur d’eau : elle occupe les espaces non saturés d’eau liquide.

La surface externe d’un solide humide est recouverte par un film d’eau libre qui adhère à cette surface par l’action de forces superficielles au voisinage de ce film d’eau. L’air en son voisinage est saturé en vapeur d’eau. Cela signifie que la pression partielle de vapeur d’eau est égale à la pression de vapeur saturante.

Hygroscopicité et non hygroscopicité

Hygroscopicité
C’est la capacité d’un corps à absorber la vapeur d’eau contenu dans l’air par adsorption ou absorption. La courbe de séchage met en évidence une première phase de séchage à vitesse constante et une phase de vitesse de séchage décroissante. Dans la première phase de séchage, il s’établit un équilibre entre le transfert de vapeur d’eau entre le produit et l’air asséchant et le transfert de chaleur vers le produit. La température et la vitesse d’évaporation sont constantes et la pression partielle de vapeur d’eau à la surface du produit est égale à la pression de vapeur saturante. La seconde phase de séchage apparaît lorsque le film d’eau libre qui recouvre le produit disparaît progressivement jusqu’à s’annuler. L’évaporation se produit à l’intérieur du produit et la vitesse de séchage est régit par les propriétés des capillaires et la diffusion de l’eau des produits.

Non Hygroscopicité
Pour une température et une humidité relative donnée de l’air, il existe une teneur en
eau limite, appelé teneur en eau d’équilibre du produit avec l’air. Le comportement des corps hygroscopiques est semblable à celui des produits non hygroscopiques. Cependant, ils ne peuvent pas être séchés complètement. Au cours de la dernière phase de séchage, la courbe de séchage présente des zones délimitées par un front d’évaporation. La zone saturée entre le front d’évaporation et la surface du produit a un comportement hygroscopique ; elle est en équilibre avec un air dont la pression partielle en vapeur d’eau est inférieure à la pression de vapeur saturante à la même température que celle de la vapeur d’eau. Dans la zone saturée, située au voisinage de la surface du produit, la teneur en eau est élevée. Elle est caractérisée par un film d’eau adhérant au produit et aux pores de dimensions suffisamment grandes pour permettre la diffusion rapide de l’eau des pores à sa surface. La tension de vapeur de l’eau est maximale pour une température donnée.

Isotherme de désorption

Les isothermes de désorption et d’adsorption permettent de décrire l’évolution, à une température donnée, de la teneur en eau d’un produit en fonction de l’humidité relative de l’air dans lequel il est placé.

✦ les isothermes d’adsorption sont déterminées à partir d’un produit sec qui est hydraté au cours du temps,
✦ les isothermes de désorption sont obtenues à partir d’un produit humide qui est déshydraté au cours du temps.

Pour les produits agro-alimentaires, le profil des isothermes de sorption et désorption est similaire . Cependant lors de l’adsorption, les valeurs de la teneur en eau d’équilibre Meq sont, pour la même valeur de l’activité de l’eau, différentes de celles lors de la désorption en raison d’un phénomène d’hystérésis. En effet, pour une teneur en eau donnée, l’équilibre lors de la désorption, s’établit pour des aw plus faibles que celles obtenues lors de l’adsorption. En générale le phénomène d’hystérésis ne se manifeste que pour des valeurs de aw > 0,2.

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Table des matières

Introduction générale
Chapitre I : Notions fondamentale sur le séchage
Partie I : Généralité sur le séchage
Introduction
Séchage
Solide humide
✦ Caractérisation des solides humides
✦ Hygroscopicité et non hygroscopicité
✦ Teneur en eau
✦ Activité de l’eau
Isotherme de désorption
Cinétique de séchage
✦ Courbe de séchage
• Phase de mise en température du produit à sécher (AB)
• Phase à vitesse de séchage constante (BC)
• Phase à vitesse de séchage décroissante (CD)
✦ Vitesse de séchage
✦ Mode de séchage
• Séchage en couche épaisse
• Séchage en couche mince
Modèle de séchage
✦ Modèles empiriques
✦ Modèles diffusifs
✦ Courbe caractéristique de séchage (CCS)
Conclusion
Partie II : Etat de l’art
Introduction
Classification des séchoirs solaires
✦ Séchoirs directs
• Séchoirs solaires passifs
• Séchoirs solaires actifs
✦ Séchoirs indirects
• Séchoirs solaires passifs
• Séchoirs solaires actifs
✦ Séchoir mixte
✦ Séchoir hybride
✦ Etat de l’art sur les séchoirs solaires directs convectifs
Stockage de chaleur
✦ Mode de stockage de chaleur
• Stockage par chaleur sensible
• Stockage thermochimique
• Stockage par chaleur latente
✦ Stockage de chaleur dans les matériaux à changement de phase
• Matériaux à changement de phase (MCP)
• Propriétés des matériaux à changement de phase
• Classification des matériaux à changement de phase
• MCPs organiques et inorganiques
✦ Etat de l’art sur le stockage de chaleur dans les MCPs
Amélioration de la conductivité des MCPs
✦ Ailettes
Conclusion
Chapitre II : Formulation mathématique
Introduction
Séchoir serre avec stockage par chaleur latente
✦ Description
• Séchoir serre
• Système de stockage de chaleur
✦ Fonctionnement du séchoir
Formulation mathématique
✦ Hypothèse simplificatrice
✦ Equations de transfert
• Séchoir serre
• Système de stockage par chaleur latente
• Performances thermiques
o Efficacité thermique de stockage
o Efficacité thermique de déstockage
Méthodologie numérique
✦ Séchoir serre
✦ Système de stockage de chaleur
✦ Plaque métallique dont la face inférieure est équipée d’ailettes
✦ Algorithme de résolution
• Organigramme pour l’unité de stockage avec la plaque plane
• Organigramme pour l’unité de stockage avec la plaque fixée des ailettes
• Séchoir serre
• Système de stockage de chaleur
Validation
✦ Séchoir serre
✦ Système de stockage par chaleur latente
✦ Etude de sensibilité au maillage
Résultats et discussions
✦ Teneur en eau du produit
✦ Distribution spatio-temporelle de la température
✦ Rendement du séchoir serre
✦ Efficacité du système de stockage
Modélisation du séchoir avec les données météorologiques de Nakorn Pathom
✦ Données météorologiques de Nakorn Pathom
✦ Distribution des températures
• Séchoir serre
• Système de stockage de chaleur
✦ Performances énergétiques
• Rendement thermique du séchoir
• Rendement évaporatoire
• Efficacité de stockage et de déstockage
Conclusion générale