Soutenance mémoire
Au cours de ces dernières années, plusieurs travaux ont été entrepris dans le domaine du séchage, décrivant les multiples types de séchoirs solaires développés et réalisés pour des produits agricoles. Le développement scientifique et technologique d’un séchoir solaire fait appel à un calcul théorique et au procédé expérimental. L’un des problèmes à surmonter réside dans la modélisation de nombreux paramètres caractéristiques de séchage. Parmi ceux-ci figurent la vitesse de séchage en couche mince et les isothermes de désorption qui jouent un rôle essentiel. Les théories, qui ont vu le jour, depuis, montrent que la connaissance de la vitesse de séchage permet de contrôler le processus de séchage. Les isothermes de désorption indiquent les seuils de température maximale et les teneurs en eau finales qui servent à optimiser les conditions de séchage de manière à assurer sa stabilité physico-chimique durant le stockage [1, 2, 3]. La modélisation de ces paramètres fait souvent intervenir des coefficients qui ne sont pas connus et qui nécessitent le recours à des procédés expérimentaux très délicats. À ce titre, la modélisation de la vitesse de séchage en couche mince attire, depuis plusieurs décennies, l’attention de nombreux auteurs et fait l’objet de travaux aussi bien théoriques qu’expérimentaux. Ainsi, plusieurs modèles complexes traduisant mathématiquement ce paramètre physique de séchage ont été proposés : le modèle de transfert de Combes [4], le modèle de Troeger – Hukill [5], les modèles Kachru – Al [6], etc. Toutefois, l’utilisation de ces modèles est limitée car chacun d’eux est spécifique au type de produit ainsi qu’aux conditions expérimentales de son séchage. Les modèles ne sont donc pas extrapolables au delà des limites de l’expérience. Par ailleurs, plusieurs travaux plus récents ont été publiés par des scientifiques de l’Université à Madagascar sur l’application du modèle universel de RAMAMONJISOA associé à la loi d’ARRHÉNIUS [7, 8, 9, 10, 11], celui-ci constitue une méthode analytique universelle pour la détermination de la vitesse de séchage en couche mince. Ces scientifiques ont montré, que cette méthode permet de pallier l’inconvénient d’un modèle semi-empirique de la vitesse de séchage en couche mince et elle permet aussi d’obtenir des résultats indépendants des conditions expérimentales.
Méthode de la similitude hygroscopique
Description du modèle
La méthode de similitude hygroscopique [24] est très utilisée en thermodynamique lors de l’étude des propriétés thermodynamiques des substances. Son utilisation permet de diminuer le nombre de mesures expérimentales. En effet, l’expérience montre que la similitude hygroscopique est observée dans les matériaux à structures physico-chimiques qui sont proches l’une de l’autre. Deux matériaux d’une même essence mais de variétés différentes sont en similitude hygroscopique si le rapport de leur humidité absolue d’équilibre, pris dans les mêmes conditions d’équilibre avec l’environnement (une même valeur de l’humidité relative hr,ref donnée et une même valeur de la température de l’air Ta,ref donnée), reste constant .
Formulation mathématique
Pour caractériser la similitude entre deux variétés données, le coefficient de similitude Ksi relatif à la variété étudiée i est utilisé. Ce coefficient est défini comme étant le rapport de l’humidité absolue d’équilibre Nsei de la variété i à étudier, à l’humidité absolue d’équilibre de la variété choisie comme référence et ces valeurs sont prises dans les mêmes conditions de l’environnement. Pour le calcul, nous avons pris des valeurs de références (humidité relative hre,réf et température de l’air Tae,réf) .
Configuration du dispositif expérimental
Une enceinte climatique a été utilisée pour mener les expériences de détermination de la vitesse de séchage en couche mince du produit et des isothermes de désorption de paddy. Ce dispositif assure à l’entrée de la chambre de séchage un jeu de paramètres dont les variations se situent dans une gamme de valeurs pratiquement exploitables et raisonnables : température de séchage ( entre 35 et 65°C), humidité relative (jusqu’à environ 90 – 95 %), débit d’air asséchant telle que la vitesse de l’air à l’intérieur de la chambre de séchage à vide, comprise entre 0,5 et 2 m.s-1 .
Description du dispositif expérimental
Le dispositif expérimental est une enceinte climatique construite à partir d’un montage en maçonnerie de briques hourdée au mortier de ciment, il est fixé sur une table de laboratoire. Le système est constitué d’une chambre à trois niveaux dotée d’une source primaire de chaleur composée d’une pompe à chaleur (PAC) et d’une source secondaire de chaleur caractérisée par une série de résistances électriques.
– Le premier niveau contient le compresseur de la pompe à chaleur, l’humidificateur et la balance électronique pour le suivi de l’évolution de la masse de l’échantillon de produit au cours du temps.
– Le deuxième, qui est une chambre reliée au troisième se trouvant au-dessus est prévu pour assurer une circulation fermée de l’air asséchant, contenant les éléments suivants :
• des échangeurs (condenseur et évaporateur) de la pompe à chaleur,
• une série de résistances chauffantes et la sortie de l’humidificateur,
• un ventilateur (extracteur d’air),
• un système de claies prévu pour supporter l’échantillon du produit à expérimenter.
– Le troisième, se trouve au-dessus du niveau 2 et sert tout simplement de conduit d’air afin de permettre le recyclage total.
Les mesures sont associées aux systèmes d’acquisition (centrale de mesure CR23X CAMPBELL, la sonde TESTO 400 et balance électronique (INSTRUMENT XP-3000) et de l’appareil pour stocker des données expérimentales (Post Computeur).
Principe de fonctionnement
Au niveau de l’enceinte climatique
Le produit à sécher est disposé sur une claie reliée à une balance permettant de suivre dans le temps la masse du produit. L’air asséchant est caractérisé par une température Tam, une humidité relative hrm et une vitesse Vair. Notons que cette vitesse peut atteindre 2 m.s-1 selon le réglage du variateur. L’air conditionné peut être soit recyclé totalement ou partiellement par l’utilisation de portes dont les ouvertures devraient être ajustées suivant le cas. Le système d’acquisition des données, constitué par des sondes et des appareils de mesure, est relié à une centrale électronique pour les commandes automatiques de fonctionnement des résistances chauffantes et de l’humidificateur. Le fonctionnement de ces derniers suit le principe du tout ou rien pour ajuster les valeurs réelles mesurées aux valeurs de consignes. Pour une meilleure efficacité, ces paramètres doivent être maintenus constants tout au long de l’opération. Une balance située en dessous de l’enceinte expérimentale (niveau 2) supporte un système de claies où sont déposés le produit à expérimenter et permet ainsi de suivre l’évolution de la masse de produit au cours de l’opération de séchage. Cette balance est reliée directement à l’ordinateur pour le transfert des données de mesures. Les thermocouples et les sondes sont reliés directement à la centrale de mesure CR23X pour l’acquisition et le stockage des mesures pour être transférées par la suite vers un ordinateur pour traitement. La modification de la vitesse de l’air asséchant est obtenue à partir d’un système électronique (variateur de vitesse). La vitesse de l’air asséchant est mesurée tout en début et est maintenue constante tout au long de l’expérience.
Au niveau de l’interface de programme de l’ordinateur
Une interface Visual Basic a été conçue pour traiter les informations obtenues. Cette interface permet de lire directement les informations : les températures et les taux d’humidités. Les valeurs lues seront stockées automatiquement dans un fichier texte ASCII puis transférées dans un tableur Excel. Avec l’interface, on peut effectuer la saisie des valeurs de fonctionnement de la centrale : fourchettes des valeurs de température, et des taux d’humidités. Ces valeurs limites ont pour objectifs de tester l’enceinte pour des valeurs données de températures et de taux d’humidités. Pour étalonner les températures et les taux d’humidité lus par la centrale, nous avons utilisé un hygromètre de marque TESTO. Cet appareil permet de mesurer en même temps la température et l’humidité du milieu. Ainsi, on a monté dans le microordinateur une base de données qui fait correspondre à chaque valeur lue par le TESTO avec la valeur binaire obtenue par la centrale. Par la suite, lorsque la centrale effectue des acquisitions, une correspondance dans la base de données sera effectuée par le PC, et la valeur réelle sera affichée à l’écran. A noter que le matériel TESTO peut être aussi directement branché à la centrale d’acquisition, mais il fallait préalablement adapter un logiciel en Visual Basic pouvant faire fonctionner le matériel pour que l’on puisse obtenir les mêmes résultats avec la centrale d’acquisition initiale. En plus, il fallait monter un autre module de puissance adapté au matériel TESTO pour pouvoir commander la résistance chauffante et l’humidificateur. La conception et l’adaptation de ce logiciel fait aussi partie des travaux effectués lors de cette réalisation.
|
Table des matières
Introduction générale
Première partie :Étude à l’échelle du produit
Chapitre 1 – Méthodes utilisées pour la modélisation de la cinétique de séchage
1.1. Introduction
1.2. Méthode de l’intelligence artificielle
1.2.1. Intérêt de l’utilisation des réseaux de neurones artificiels
1.2.2. Modèles et fonctionnement d’un neurone artificiel
1.2.3. Réseau de neurones perceptrons multicouches
1.2.4. Modélisation mathématique du réseau perceptrons multicouches
1.2.5. Mise en œuvre du réseau de neurones MLP
1.2.6. Modélisation de la cinétique de séchage du paddy par réseaux de neurones MLP
1.3. Méthode analytique
1.3.1. Détermination des isothermes de désorption du paddy
1.3.2. Modèle de vitesse de séchage en couche mince d’un produit hygroscopique
1.3.3. Influence des paramètres de séchage sur la vitesse de séchage en couche mince
1.3.4. Validation du modèle de vitesse de séchage en couche mince
1.4. Méthode de la similitude hygroscopique
1.4.1. Description du modèle
1.4.2. Formulation mathématique
Chapitre 2 – Configuration du dispositif expérimental
2.1. Introduction
2.2. Description du dispositif expérimental
2.3. Principe de fonctionnement
2.3.1. Au niveau de l’enceinte climatique
2.3.2. Au niveau de l’interface de programme de l’ordinateur
2.4. Paramètres mesurés et relevés
2.4.1. Mesure des températures
2.4.2. Mesure de l’humidité relative
2.4.3. Mesure du débit
2.4.4. Mesure de la masse du produit
Chapitre 3 –Présentation et exploitation des résultats
3.1. Introduction
3.2. Protocole expérimental
3.3. Caractéristique du produit à sécher
3.4. Conditions opératoires
3.5. Modélisation de la cinétique de séchage par réseau de neurones
3.5.1. Variations temporelles de l’humidité absolue de paddy sous l’influence des différents paramètres de séchage
3.5.2. Nature du produit
3.5.3. Influence des différents paramètres de séchage sur les variations de la vitesse de séchage en couche mince
3.6. Courbe des isothermes de désorption de paddy
3.7. Modélisation mathématique de la vitesse de séchage en couche mince de paddy
3.7.1. Vitesse de séchage en couche mince en fonction de la température de séchage du produit
3.7.2. Vitesse de séchage en couche mince en fonction de l’humidité relative de l’air asséchant
3.7.3. Vitesse de séchage en couche mince en fonction de la vitesse de l’air asséchant
3.7.4. Vitesse de séchage en couche mince en fonction de l’humidité absolue du produit
3.7.5. Vitesse de séchage en couche mince en fonction de l’épaisseur du lit de produit
3.7.6. Récapitulation des résultats
3.8. Études de propriété hygroscopique de variétés de paddy
3.9. Validation des résultats
3.9.1. Validation des résultats du modèle de réseau de neurones
3.9.2. Validation du modèle de la vitesse de séchage en couche mince de paddy
3.9.3. Validation du modèle élaboré à partir de la similitude hygroscopique
Conclusion partielle
Deuxième partie : Étude d’un séchoir industriel à chauffage partiellement solaire à paddy
Chapitre 4 – Configuration du séchoir et description du procédé de séchage
4.1. Introduction
4.2. Configuration du système
4.2.1. Principe de fonctionnement du système
4.2.2. Configuration des unités
4.3. Description du procédé industriel de séchage a chauffage partiellement solaire
4.3.1. Système sans recyclage de l’air sortant du séchoir
4.3.2. Système avec recyclage total de l’air sortant du séchoir à travers un échangeur thermique
4.3.3. Système avec recyclage partiel de l’air sortant du séchoir et mélange avec l’air provenant des insolateurs
Chapitre 5 – Modélisation du système de séchage
5.1. Introduction
5.2. Modèles utilisés
5.2.1. Modélisation du séchoir
5.2.2. Modélisation des systèmes de production de chaleur d’appoint
5.2.3. Énergies mises en jeu au sein du séchoir
Chapitre 6 – Simulation du système et interprétation des résultats
6.1. Description des simulations
6.2. Données météorologiques
6.3. Simulations numériques du séchoir
6.3.1. Influence des paramètres de l’air asséchant sur l’humidité absolue du paddy
6.3.2. Influence des paramètres de l’air asséchant sur la vitesse de séchage en couche mince du paddy
6.3.3. Choix des conditions standard de séchage
6.3.4. Chaleur de séchage
6.4. Simulations numériques du rayonnement solaire
6.5. Simulations numériques de l’insolateur à air
6.5.1. Température de l’air à l’entrée et à la sortie de l’insolateur
6.5.2. Couverture solaire du système de production d’air chaud
6.6. Simulations numériques de l’insolateur à eau
6.6.1. Influence du débit d’eau sur la puissance utile délivrée par l’insolateur dans la journée
6.6.2. Influence du débit massique de l’eau sur la température à la sortie de l’insolateur
6.6.3. Couverture solaire de l’insolateur à eau
6.7. Simulations numériques du système de production de chaleur d’appoint
6.7.1. Influence de l’échangeur eau-eau et de l’échangeur air – eau
6.7.2. Influence du débit d’eau circulant dans l’échangeur eau-eau
6.7.3. Influence du débit d’eau circulant dans l’échangeur air – eau
6.8. Validation du modèle proposé
Conclusion partielle
Conclusion générale
