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Les différents modes de séchage
On rencontre une grande diversité dans les modes de séchage :
Séchage conductif : le produit est mis en contact avec des surfaces chaudes
Exemples : le séchage de pommes de terre en flocons, pâte à papier
Séchage convectif : on envoie sur le produit à sécher un courant gazeux chaud qui fournit la chaleur nécessaire à l’évaporation du liquide et entraîne la vapeur formée . Exemples: le séchage de plantes aromatiques, de fruits, de grains, de boues d’épuration, de céramiques .
Séchage par infra- rouges : un rayonnement infra -rouge est appliqué sur le produit. Exemples : le séchage industriel des vernis et des peintures, du bois, des papiers, des pellicules photographiques, des cuirs, des textiles, des pâtes alimentaires; la dessiccation des légumes, des fruits, …
Séchage par micro-onde : L’échauffement d’un produit grâce au rayonnement micro-onde est provoqué par la dissipation sous forme de chaleur d’une partie de l’énergie contenue dans cette onde électromagnétique. Pour éviter toute interférence avec les systèmes de télécommunication, une fréquence spécifique a été attribuée par la législation mondiale aux applications industrielles, médicales et domestiques (ν = 2 450 MHz, λ = 12,2 cm).Exemples : séchage d’encre, séchage de peintures, séchage d’adhésifs, séchage sous vide de produits pharmaceutiques, …
Séchage solaire : l’énergie solaire est utilisée pour sécher le produit, nécessite un ensoleillement suffisant. Exemples : séchage de piments, de plantes médicinales et aromatiques, cacao, café, …
Séchage par atomisation : un liquide ou une suspension est dispersée sous forme de fines goutte lettes dans un courant d’air chaud Exemples : fabrication du lait en poudre, d’engrais.
SECHOIRE SOLAIRE
introduction
Le développement des énergies renouvelables et tout particulièrement de l’énergie solaire a été envisagée réellement après 1973 car c’est une solution qui intègre les différentes problématiques liées au séchage à savoir de nécessaires économies d’énergie, une frontière de la pollution, une réponse à la dispersion géographique des lieux de séchage, une simplicité des techniques mises en œuvre *Rodriguez, 2006+.
Le système de séchage par l’énergie solaire est l’une des applications les plus attachantes et les plus encourageantes dans les pays tropiques et sub-tropique. La plupart des peuples des pays tropicaux et méditerranés savent depuis longtemps tirer parti du soleil et du vent pour conserver ces produits grâce au séchage. A Madagascar, les fruits tels que : banane, raisins, etc. sont traditionnellement séchés en les exposant directement au soleil.
Néanmoins ce mode de séchage présente des inconvénients du fait que le produit obtenu est de qualité médiocre, et généralement contaminé par des poussières et insectes et parfois endommagé par des intempéries. Pour éviter ces inconvénients, il est souhaitable et bien avantageux d’utiliser des systèmes de séchoirs solaires pour sauvegarder la qualité organoleptique du produit tout en profitant de cette source énergétique gratuite. Cela démontre l’importance des études sur le séchage solaire pour parvenir à proposer des séchoirs qui puissent assurer une continuité dans la disponibilité de produits alimentaires de qualité, voire une certaine baisse des prix par une disponibilité plus importante dans le temps. Le séchage des produits agricoles représente donc une réponse valide au problème de la production saisonnière qui crée des excès dans certains périodes de l’année et des carences dans les autres.
Plusieurs étudiés ont été faits dans les pays tropiques et subtropiques pour développer les séchoirs solaires des produits agricoles. Fondamentalement, il y a quatre types de séchoirs solaires ; séchoirs solaires directs, séchoirs solaires indirects, séchoirs mixed-mode et séchoirs solaires hybrides [Fudholi, et al. ,2010].
Les différents principes de séchage solaire
Dans le séchage solaire, deux types de procédés sont généralement utilisés. Soit la matière à sécher reçoit directement l’énergie solaire, soit un dispositif solaire capte l’énergie solaire destinée à préchauffer de l’air qui circule ensuite sur les claies du séchoir.
Dans le premier cas de figure on parlera de «séchage solaire direct» et dans le second cas de figure de « séchage solaire indirect » [Youcef-Ali, 2001] [Touati, 2008]. Quel que soit le procédé retenu, la chaleur fournie au produit diffuse à l’intérieur de ce dernier, entrainant une élévation de sa température, une migration de l’eau vers la surface du matériau et une évaporation de l’eau en surface. Pour éviter la saturation de l’air ambiant qui pourrait résulter de cette évaporation à la surface du produit, un renouvellement d’air est réalisé en assurant un écoulement d’air naturel ou forcé.
Ainsi, il semble logique de classer les séchoirs solaires en deux catégories. Les séchoirs fonctionnant en mode direct et les séchoirs cheminant en mode indirect et pour chacun de ces modes, il conviendra de distinguer le cas où l’écoulement de l’air s’effectue par convection naturelle ou par convection forcée.
Séchage solaire directe
Dans les régions rurales, le séchage solaire le plus pratique consiste à transférer les produits à sécher sur la terre ou sur les toits des maisons, comme par exemple, des grains, des fruits ou des légumes. Dans certains cas, Si le sol est compact et propre sous un arbre, le produit tombe par terre et il sèche à cet endroit.
Il est évident que cette technique n’est pas hygiénique et a pour conséquence la perte significative de produit, due particulièrement à la contamination par la saleté, la poussière, le vent, l’infestation par des insectes, la pluie et l’interférence animale. Le soleil intermittent et la mouillure par la pluie réduisent le taux de séchage; notons qu’une surchauffe peut aussi détériorer le produit.
Une solution consiste alors à couvrir d’un plastique ou d’un verre les claies du séchoir, tout en assurant une circulation d’air naturelle. Les propriétés radiatives de la couverture choisie pour protéger le produit doivent satisfaire aux contraintes classiques favorisant l’effet de serre à savoir favoriser la récupération d’énergie solaire tout en limitant l’énergie radiative perdue par le produit.
Quelle que soit la conception envisagée, la mise en œuvre du séchage solaire en mode direct par convection naturelle reste limitée car il n’y a pas ou peu de contrôle du taux de séchage, celui-ci n’est pas uniforme, la capacité de séchage est faible et le rendement reste médiocre [Daguenet, 1985]. De plus, les surchauffes superficielles qui peuvent se produire facilement dans des régions arides dues à l’exposition excessive au soleil, tendent à entrainer une perte de qualité du produit. Ces surchauffes peuvent être limitées si l’on met en place un écoulement d’air par convection forcée.
Séchage solaire indirecte
Comme nous l’avons mentionné précédemment, la qualité de séchage d’un produit (taux de séchage et aspect final du produit) est difficilement contrôlable lorsque l’on a recours au séchage par mode direct que ce soit en convection naturelle ou forcée .Pour pouvoir obtenir un produit séché selon certaines caractéristiques de température et d’humidité et donc à un taux d’humidité déterminé, on a alors recours à des dispositifs conçus pour que le séchage s’opère sous forme indirecte.
Des capteurs solaires sont alors utilisés pour préchauffer l’air de séchage afin de contrôler ses caractéristiques hygrométriques avant qu’il ne circule sur le produit . Dans quelques cas de figures, alors que l’air est préchauffé dans le capteur, le produit à sécher est simultanément exposé au rayonnement solaire. On parle alors de séchage solaire sous mode mixte [Simate, 2003].
Isothermes de sorption
Dans tout procédé de séchage, une étape importante consiste à évaluer son caractère hygroscopique. Le transport de la vapeur est un phénomène qui se produit lors de cette étape. Le mouvement de la vapeur se fait soit par diffusion au sein du matériau même soit par échange au niveau de la surface entre le matériau et son environnement. Si un produit peu humide de nature hygroscopique se trouve en contact avec de la vapeur d’eau, il fixe celle-ci jusqu’à atteindre un état d’équilibre ; ce phénomène est connu sous le nom d’adsorption. Par contre lorsque le même produit est placé dans une atmosphère plus sèche, l’état d’équilibre s’établit par transfert d’humidité du produit vers l’extérieur ; ce phénomène est couramment appelé désorption.
Les isothermes de sorption représentent la relation entre la teneur en liquide du produit et celle de la vapeur à la pression d’équilibre pour des températures données.
Modèle de sorption
L’utilité des isothermes est double : D’une part, elles permettent de connaitre la teneur en eau finale d’un produit exposé à des conditions de séchage, appelée teneur en eau d’équilibre, d’autre part, elles fournissent des informations quant aux conditions limites lors de la modélisation, particulièrement lorsque les matériaux sont fortement hygroscopiques Coumans [20].
Pour rappel, un matériau est qualifié d’hygroscopique lorsqu’il absorbe et retient facilement l’humidité de l’air et de non hygroscopique lorsqu’il ne fixe pas naturellement les molécules d’eau présentes sous forme de vapeur dans l’air.
Formes et modèles des isothermes
L’activité de l’eau dans un produit dépend principalement de sa teneur en eau et de sa température. La courbe représentant pour une température T donnée la teneur en eau d’un produit en fonction de la valeur de l’activité de l’eau ou de l’humidité relative de l’air en équilibre est appelée :
Isotherme d’adsorption si elle a été déterminée expérimentalement en partant d’un produit sec ;
Isotherme de désorption si elle a été déterminée expérimentalement en partant d’un produit saturé en eau.
Les deux courbes sont en général différentes car le séchage d’un produit entraîne des modifications de structure et de porosité irréversibles.
Trois zones apparaissent en général sur les isothermes d’adsorption, chacune correspondant à un mode de fixation particulier de l’eau sur le produit :
• Zone1 ( ) : constitution d’une monocouche monoculaire à la surface de produit. Elle caractéristique de l’action des forces de VAN Derwaals entre les groupements hydrophiles et la molécule d’eau .L’adsorption des molécules d’eau se fait progressivement jusqu’à constituer une monocouche recouvrant toute la surface. Externe et des pores du produit .L’eau est dans un état rigide en raison de l’importance des forces de liaisons entre la molécule d’eau et la surface .Le passage à la zone suivante s’effectue quand toute la surface est saturée.
• Zone 2 (0.3) : Adsorption des molécules sur la monocouche initiale.
L’isotherme est linéaire dans cette zone et l’eau est dans un état intermédiaire entre solide et liquide.
• Zone 3 ( ) : L’épaisseur de la pellicule est suffisante pour que l’eau soit présente à l’état liquide dans les pores du matériau.
De nombreuses équations ont été proposées pour modéliser les isothermes.
Analyse globale
Couverture transparente
C’est cette partie du capteur qui est exposée au rayonnement solaire, elle est faite en verre ou plexiglas dans la plupart des capteurs et assure l’effet de serre. Le verre est le plus souvent utilisé à cause de sa bonne transmission dans le domaine des ondes électromagnétiques de très hautes fréquences (U.V), et surtout à cause de sa très mauvaise transmission des grandes longueurs d’ondes (IR) qu’émet l’absorbeur.
MODELISATION DES SECHAGES
Quel que soit l’angle d’incidence sur le vitrage, sa transmission à l’absorbeur du rayonnement diffus est constante.
Paroi absorbante
Chargée d’absorber l’énergie rayonnante et de la restituer au fluide caloporteur ; en tôle de métal (Aluminium, Acier et Cuivre) de faible épaisseur (˂ 4 mm) avec un revêtement du coté rayonnement et parfois munie d’ailettes de l’autre coté pour augmenter le transfert avec le fluide caloporteur.
Le coffret
C’est une structure sous forme de cadre qui consolide le tout et qui porte des ouvertures pour le passage du fluide caloporteur, on utilise généralement la fibre de verre, la tôle ordinaire, le bois, la mousse de poly méthane. Le matériau doit résister aux chocs, à la corrosion et surtout aux variations de températures.
Le type de capteur est caractérisé par le nombre de vitrage utilisé, le type d’absorbeur et le mode de l’écoulement du fluide caloporteur autour de l’absorbeur.
Evolution de l’absorbeur
L’absorbeur participe à la transformation de l’énergie par sa surface, transmet l’énergie thermique par conduction et assure le chauffage du fluide caloporteur par le transfert convectif à son interface avec le fluide caloporteur.
• Transformation de l’énergie
La transformation de l’énergie rayonnante a imposé diverses modifications des propriétés optiques de l’absorbeur. Les revêtements sélectifs jouent sur la réduction de l’émittance dans le champ des longueurs d’onde du rayonnement thermique. La performance des absorbeurs actuels a été améliorée grâce à l’utilisation de ces revêtements sélectifs, par exemple ; les alliages métalliques au chrome, le chrome noir, les revêtements au plasma, les revêtements PVD , le CERMET ,etc. Dans le groupe des capteurs à air, on retrouve aussi différents agencements de l’absorbeur tels que : collé à l’isolant, localisé entre deux passages d’air ou placé entre la vitre et le passage d’air [Mittal, et al. ,2006]. Les divers agencements du composant absorbeur révèlent ainsi l’évolution du capteur à air. Ces évolutions progressives, vers une meilleure efficacité, sont montrées sur la figure II.3.
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Table des matières
INTRODUCTION
PARTIE I : ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE SUR LES RECHERCHES EFFECTUE DANS LE DOMAINE DU SECHAGE
INTRODUCTION
I.1Définition :
I.2. LE SECHAGE
I.3 SECHOIRE SOLAIRE
I. 4 Cinétique de séchage
I.5 Isothermes de sorption
I.5.2.1. Modèle mathématique simple.
I.5.2.2. Modèle mathématique complexe
I.6 Activité de l’eau
I.7 LES CAPTEURS SOLAIRES
I.8 LE GISEMENT SOLAIRE
I.9.4.2. Les paramètre de temps
I.9.5. Simulations numériques du rayonnement solaire
PARTIE II : MODELISATION DES INSOLATEURS PLAN A AIR
II.1. INTRODUCTION
II.2 ETAT DE L’ART DES INSOLATEURS PLAN A AIR
II.2.1 Description
II.2.2 Analyse globale
II.2.2.1 Couverture transparente
II.2.2.2 Paroi absorbante
II.2.2.3 Isolation arrière
II.2.2.4 Le coffret
II.2.2.5 Evolution de l’absorbeur
II.2.2.6 Evolution de l’unité d’insolateurs
II.3 Modélisation des paramètres d’un insolateurs a air plan
II.3.2.1 Transfère convectif
II.4 Bilan thermique et calcule de rendement du capteur solaire
II.4.1 Modélisation des échanges thermique
II.4.2. Equation de résolution
II.4.3. Cas du capteur
II.4.4 Bilant d’énergie
II.4.5 Etude numérique des équations du capteur
II.4.6 Organigramme du programme développé pour le calcul numérique du capteur.
II.5 cas du séchoir
II.5.1.Bilan d’énergie
II.5.2 Etude numérique des équations du séchoir
II.5.3 Organigramme du programme développé pour le calcul numérique du séchoir solaire
PARTIE III : REPRESENTATION ET EXPLOITATION DU RESULTAT REPRESENTATION
I .1 Définition
III.2. Séchage solaire de trois variétés
III.3. Séchage convectif et influence de la taille du produit
III.4. Séchage convectif et variétés
III.5. Conclusion
III.6. Modèle de fonctionnement de la tour de séchage
III.6.1. Effet de la masse du produit
III.7. Résultats obtenus par le couplage capteur – séchoir
III.7.1. Intensité du rayonnement solaire
III.7.2. Influence du rayonnement solaire
III.7.3. Température de l’air
III.7.4. Rendement du capteur solaire
III.7.5. Rendement du séchoir solaire
III.8. Conclusion
CONCLUSION GENERALE :
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