SECHOIRS SOLAIRES
Phase de sรฉchage ร vitesse dรฉcroissante.
A partir de lโhumiditรฉ critique, dโautres phรฉnomรจnes vont limiter lโallure de sรฉchage. Le dรฉbit de liquide venant de lโintรฉrieur du solide devient insuffisant pour mouiller complรจtement la surface du matรฉriau. La rรฉsistance au transfert de matiรจre se dรฉplace vers lโintรฉrieur du matรฉriau. Cโest le dรฉbut de la phase ร allure ralentie qui est gรฉnรฉralement constituรฉe de deux pรฉriodes. Suivant le type de matรฉriaux sรฉchรฉs, une des deux pรฉriodes de sรฉchage ร vitesse dรฉcroissante peut รชtre prรฉpondรฉrante par rapport ร lโautre.Premiรจre pรฉriode ร allure dรฉcroissante ou pรฉriode de sรฉchage ร partir dโune surface partiellement saturรฉe.La surface initialement saturรฉe complรจtement devient de moins en moins alimentรฉe en liquide car les pores larges commencent ร se vider au profit des plus petits par suite du phรฉnomรจne de capillaritรฉ. Des portions de surface sรจche apparaissent dans le film gazeux, rรฉduisant la vitesse de sรฉchage par unitรฉ de surface totale. La vitesse de sรฉchage sur la portion de surface humide reste pratiquement la mรชme que pendant la pรฉriode ร allure constante, mais la surface effectivement mouillรฉe dรฉcroรฎt avec lโhumiditรฉ. Cette pรฉriode prend fin lorsque la diminution dโhumiditรฉ du solide atteint (Figure I.5). Cette pรฉriode est longue pour les matรฉriaux macroporeux mais pratiquement inexistante pour les matรฉriaux microporeux ou homogรจnes.Deuxiรจme pรฉriode ร allure dรฉcroissante ou pรฉriode dans laquelle la diffusion interne contrรดle la vitesse du procรฉdรฉ : DE.La seconde pรฉriode de la troisiรจme phase de sรฉchage dรฉbute lorsque toute la surface des matรฉriaux macroporeux est dรฉpourvue de liquide. La tempรฉrature de la surface augmente et la chaleur est fournie essentiellement par conductibilitรฉ au travers du solide sec jusquโau front dโรฉvaporation. Lโhumiditรฉ doit donc รชtre รฉvaporรฉe in situ et la vapeur dโeau doit diffuser dans les pores vers lโextรฉrieur. La vitesse de sรฉchage diminue fortement et est limitรฉe par la diffusion interne de la vapeur.Lorsque le sรฉchage progresse, le front dโรฉvaporation se retire de plus en plus et les chemins de diffusion thermique et massique sโallongent. Finalement, la vitesse de sรฉchage sโannule lorsque lโhumiditรฉ dโรฉquilibre (Figure I.5) est atteinte. Cette humiditรฉ rรฉsiduelle se trouve confinรฉe dans les plus fins pores des solides ou adsorbรฉe sur les surfaces internes. La tempรฉrature du matรฉriau est quasi รฉgale ร celle de lโagent de sรฉchage.
DEVELOPPEMENT DE LA MODELISATION MATHEMATIQUE DES TRANSFERTS LORS DU SECHAGE.
La modรฉlisation des transferts couples de chaleur et de masse dans les milieux poreux a รฉtรฉ largement discutรฉe dans la littรฉrature.
Les premiers travaux, datent de 1921 avec les publications de Lewis (1921), traitant aussi bien les รฉchanges thermiques et massiques lors de lโรฉvaporation que de la signification du mรฉcanisme de transfert de lโeau ร lโintรฉrieur du produit. Il dรฉcrit le sรฉchage comme รฉtant la conjugaison de deux processus, lโรฉvaporation de lโhumiditรฉ ร la surface du matรฉriau poreux et la diffusion de lโhumiditรฉ de lโintรฉrieur du solide vers la surface.Puis Sherwood (1929) a dรฉveloppe de 1929-1932 lโidรฉe de Lewis et donne une explication globale de lโensemble des phรฉnomรจnes observes lors du sรฉchage dโun produit. Il divise le sรฉchage en deux phases successives, une premiรจre pรฉriode ร allure constante et une deuxiรจme pรฉriode de ralentissement de lโallure de sรฉchage. En 1935, un spรฉcialiste du textile, Fisher (1935), propose trois relations pour dรฉcrire les phases successives du sรฉchage de la laine. La premiรจre phase est ร vitesse constante, les deux phases suivantes sont ร dรฉcroissance linรฉaire, la vitesse sโannulant ร lโhumiditรฉ dโรฉquilibre [Touati, 2008].En 1966, Luikov (1966), sโintรฉresse aux transferts au sein du produit en se basant sur une description fine et les รฉquations des transferts couples de chaleur et de masse dans un milieu poreux. Il a divisรฉ les matรฉriaux humides en trois types, selon leurs propriรฉtรฉs colloรฏdales physiques de base [Salazar, 2006] :Milieux colloรฏdaux typiques : pendant le sรฉchage leur changement de taille (rรฉtrรฉcissement) est significatif mais ils conservent leurs propriรฉtรฉs รฉlastiques (gรฉlatine, pรขte serrรฉe de farine).
Milieux capillaro-poreux : pendant que l’humiditรฉ est retirรฉe ils deviennent fragiles, toujours incompressibles, et peuvent รชtre transformรฉs en poudre (sable, charbon de bois).
Milieux capillaro-poreux colloรฏdaux : ils possรจdent les propriรฉtรฉs des deux premiers types (ils incluent la majoritรฉ des matรฉriaux qui sont soumis au sรฉchage).
Par la suite, dโautres travaux ont vu le jour pour permettre de lever la complexitรฉ de la modรฉlisation des transferts couples de chaleur et de masse ayant lieu pendant le sรฉchage, selon la force motrice utilisรฉe dans les รฉquations de transfert de masse et lโรฉchelle de traitement de ces รฉquations (macroscopique, microscopique), deux principales approches servent ร caractรฉriser les phรฉnomรจnes de transfert au cours du sรฉchage. Il sโagit de lโapproche macroscopique classique globale (ร composantes multiples ou ร composante unique) et lโapproche microscopique [Nabhani, 2007].
Modรจles macroscopiques ร composantes multiples : Lโapproche ร composantes multiples consiste ร traiter les diffรฉrents modes de transport (capillaritรฉ, diffusion, diffusion-sorption) qui se dรฉveloppent dans les milieux poreux durant le sรฉchage. Cette approche dรฉcrit sรฉparรฉment les diffรฉrentes composantes constituant le systรจme matรฉriau poreux โ eau โ air. En effet, pour chaque composante du systรจme (eau โ air โ vapeur), des mรฉcanismes de transfert de masse et de chaleur sont dรฉcrits de faรงon indรฉpendante. Plusieurs auteurs ont adoptรฉ cette approche qui a รฉtรฉ proposรฉe initialement par Whitaker (1977) pour dรฉcrire les processus de transfert de masse et de chaleur dans les milieux poreux. Pour effectuer la formulation, les รฉquations macroscopiques pour chaque phase sont intรฉgrรฉes sur un volume รฉlรฉmentaire reprรฉsentatif du milieu poreux. On obtient enfin des รฉquations de conservation de lโรฉnergie et de la masse, applicables ร lโรฉchelle macroscopique pour chaque phase.
Modรจles macroscopiques ร composante unique : Luikov (1968, 1972) a dรฉveloppรฉ un ensemble dโรฉquations aux dรฉrivรฉes partielles couplรฉes pour dรฉcrire le transfert de chaleur et de masse dans les matรฉriaux poreux en supposant que le transfert d’humiditรฉ est analogue au transfert thermique et que le transfert de masse est proportionnel au gradient d’humiditรฉ et de tempรฉrature. Son modรจle a รฉtรฉ basรฉ sur les relations rรฉciproques dโOnsagers de la thermodynamique des processus irrรฉversibles, donnant un ensemble d’รฉquations de transfert avec les coefficients phรฉnomรฉnologiques qui sont des fonctions du milieu poreux. Deux groupes principaux de modรจles ont dรฉrivรฉ de lโapproche de Luikov pour le sรฉchage du bois, soit les modรจles de diffusion et les modรจles basรฉs sur un potentiel รฉnergรฉtique.
Modรจles microscopique : Cette approche consiste ร relier la structure anatomique aux paramรจtres macroscopiques nรฉcessaires ร la modรฉlisation. Il est encore au dรฉbut de son dรฉveloppement.
Par ailleurs, plusieurs travaux plus rรฉcentes ont รฉtรฉ publiรฉes par divers scientifiques [Lebedev, 1961] [Crause, et al. ,1981] [Parry, 1985] [Perrin, et al. ,1987] [Amir, et al. ,1987] [Vries, 1987] [Ben nasrallah, et al. ,1988; 1989] [Masmoudi, et al. ,1991] [Salazar, 2006] [Nabhani, 2007] etc… Ces travaux ont montre que la reprรฉsentation des systรจmes d’รฉquations par des modรจles mathรฉmatiques est difficile a cause de la complexitรฉ de ces รฉquations. En effet, ces modรจles font souvent intervenir des coefficients qui ne sont pas connus et qui nรฉcessitent le recours ร des mesures expรฉrimentales souvent dรฉlicats. Par ailleurs, ces modรจles compliques exigent une solution numรฉrique des รฉquations diffรฉrentielles non linรฉaires qui n’est pas possible sans des calculateurs de grandes capacitรฉs [Wu, 1991] [Younsi, 2002] [Remond, 2004].
Les modรจles mathรฉmatiques
Le sรฉchage par entraรฎnement dโun matรฉriau solide est une opรฉration pouvant se dรฉcomposer en trois phases (cf. Partie I.5) :
phase 1 : phase de mise en rรฉgime de lโinstallation, mise ร tempรฉrature du solide ;
phase 2 : phase de sรฉchage ร vitesse constante ;
phase 3 : phase de sรฉchage ร vitesse dรฉcroissante, pouvant se dรฉcomposer en deux parties. Les phases 2 et 3 ont fait lโobjet de modรฉlisations mathรฉmatiques. Par contre, en raison de sa trรจs courte durรฉe la premiรจre phase de sรฉchage nโa pas รฉtรฉ modรฉlisรฉe. Sa modรฉlisation, outre sa complexitรฉ, ne prรฉsente que peu dโintรฉrรชt.
Pendant la pรฉriode de sรฉchage ร vitesse constante (phase 2), la vitesse de sรฉchage est fonction des conditions externes de sรฉchage. Durant la pรฉriode de sรฉchage ร allure dรฉcroissante (phase 3), la migration interne de lโeau (sous forme liquide ou vapeur) fixe la vitesse de sรฉchage. Les diffรฉrents mรฉcanismes qui peuvent gouverner le dรฉplacement de lโeau sont :
la diffusion liquide provoquรฉe par un gradient de concentration ;
la diffusion vapeur sous lโeffet dโun gradient de pression partielle de vapeur dโeau ; la migration de lโeau liquide sous lโaction de forces capillaires :
lโรฉcoulement de lโeau sous forme liquide ou vapeur sous lโeffet dโun gradient de pression totale entre lโintรฉrieur et lโextรฉrieur du solide, ou dโun gradient de tempรฉrature ;
le dรฉplacement dโeau liquide sous lโeffet de forces de gravitรฉ ;
la diffusion de lโeau liquide adsorbรฉe sur les surfaces internes des pores vides ;
Selon la nature du solide sรฉchรฉ et sa teneur en eau, un ou plusieurs des mรฉcanismes de dรฉplacement de lโhumiditรฉ prรฉvalent.
La phase de sรฉchage ร vitesse constante.
Il a รฉtรฉ montrรฉ au paragraphe I.4.2 que la durรฉe de la phase de sรฉchage ร vitesse constante dรฉpend des coefficients de transferts de masse et de chaleur, de la surface dโรฉchange et du gradient de tempรฉrature et dโhumiditรฉ entre le gaz de sรฉchage et la surface humide :
ย La phase de sรฉchage ร vitesse dรฉcroissante.
La complexitรฉ des phรฉnomรจnes mis en jeu pendant la phase de sรฉchage ร vitesse dรฉcroissante a conduit ร lโรฉlaboration de nombreuses thรฉories et de formules empiriques pour tenter de prรฉdire les courbes de sรฉchage pendant cette phase.
Modรจles mathรฉmatiques simples.
Les premiers modรจles mathรฉmatiques dรฉveloppรฉs tentent de modรฉliser le sรฉchage en ne considรฉrant quโun seul mรฉcanisme de transfert de lโhumiditรฉ, la contribution thermique รฉtant le plus souvent nรฉgligรฉe.
Migration de lโeau par diffusion liquide.
La migration de lโeau par diffusion est souvent exprimรฉe par une loi de Fick qui รฉnonce que le flux de matiรจre est proportionnel au gradient de concentration en eau.
oรน: = โ โ โฒ
: humiditรฉ absolue du solide
: coefficient de diffusion
: temps
Le coefficient de diffusion est ici un coefficient empirique reprรฉsentant la ย ยป diffusivitรฉ effectiveย ยป, il englobe lโeffet des phรฉnomรจnes pouvant intervenir sur la migration de lโeau (comme la gรฉomรฉtrie du solide et la composition du milieu) dont lโanalyse est difficilement rรฉalisable. Sa valeur est souvent obtenue par ajustement de courbes expรฉrimentales. Ce modรจle simple se base sur les hypothรจses suivantes :
le produit est homogรจne, il a une forme rรฉguliรจre et symรฉtrique (une sphรจre par exemple), la force motrice est le gradient dโhumiditรฉ dans la particule,
la surface du produit est considรฉrรฉe ร tout moment en รฉquilibre avec lโair de sรฉchage,
la teneur en eau dโรฉquilibre du produit avec lโair se dรฉduit dโune courbe de sorption du produit,
le coefficient de diffusion est considรฉrรฉ comme constant.
Lewis (1921) puis Sherwood (1931) sont les premiers chercheurs ร interprรฉter le sรฉchage par un phรฉnomรจne de diffusion dโeau liquide.
Ce modรจle a รฉtรฉ trรจs populaire et a subi au cours du temps quelques modifications :
Crank [Crank ,1975] a calculรฉ un grand nombre de solutions de lโรฉquation de diffusion pour des conditions initiales et limites variรฉes. Ces solutions sโappliquent ร des solides de formes gรฉomรฉtriques simples (sphรจre, plaque par exemple) et dans des cas oรน la diffusivitรฉ est constante ou varie linรฉairement ou exponentiellement avec la concentration en eau.
Hernandez [Hernandez, (2000)] a tenu compte du rรฉtrรฉcissement des grains, en considรฉrant un rรฉtrรฉcissement linรฉaire avec la teneur en eau instantanรฉe du grain,
Pabis et Henderson (1961), Chu et Hustrulid (1968), Dutta et coll (1988) ont pris en compte la variation de la diffusion avec la teneur en eau locale.
La popularitรฉ de ce modรจle sโexplique plus pour sa forme mathรฉmatique accessible que pour ses capacitรฉs de description des phรฉnomรจnes physiques dโaprรจs [Bossart, 2006].
Thรฉorie capillaire.
Ceaglske et Hougen (1937) optent pour la thรฉorie de la capillaritรฉ comme mรฉcanisme principal de migration de lโeau en sรฉchage de matรฉriaux granulaires. Dans cette thรฉorie, le flux dโhumiditรฉ est dรฉterminรฉ par forces capillaires et non pas par un gradient de concentration en humiditรฉ. Le flux peut donc รชtre dirigรฉ dans le sens de lโaugmentation de concentration.
Au sein dโun solide poreux contenant un liquide et un gaz, le phรฉnomรจne de capillaritรฉ provoque un dรฉplacement du liquide, prรฉsent dans les capillaires constituรฉs par les parois des pores, des zones ร fortes concentrations vers les zones ร plus faibles concentrations en eau.
Dans la thรฉorie capillaire, la force motrice est le potentiel capillaire. Le potentiel capillaire ou succion est la diffรฉrence de pression entre lโeau et lโair ร lโinterface incurvรฉe air-eau dans un capillaire. La courbure de lโinterface est provoquรฉe par la tension de surface de lโeau. Le flux liquide dans la thรฉorie capillaire est donnรฉ par :
oรน: : flux liquide dรป ร la capillaritรฉ
: conductivitรฉ hydraulique insaturรฉe
: potentiel capillaire ou succion
Dans des conditions isothermes, le potentiel capillaire est proportionnel ร la concentration de liquide dans le solide. Le gradient de cette concentration est alors la force motrice principale.
Le flux capillaire a รฉtรฉ identifiรฉ comme un des mรฉcanismes fondamentaux de migration de lโeau pendant le sรฉchage de solide dont les pores sont infรฉrieurs ร 1 ยตm, principalement pour la pรฉriode de sรฉchage ร teneur en eau รฉlevรฉe.
Thรฉorie de lโรฉvaporation-condensation.
Henry (1939) a รฉtudiรฉ la diffusion dโun fluide au travers dโun autre dans les pores dโun solide qui peut immobiliser (adsorber) ou relรขcher (dรฉsorber) la substance diffusante. La thรฉorie de lโรฉvaporation-condensation suppose que la migration de lโhumiditรฉ prend place uniquement dans la phase vapeur (dans les pores).
Il dรฉveloppe la thรฉorie de lโรฉvaporation-condensation en prenant en compte simultanรฉment la diffusion de chaleur et de masse. Il suppose que les pores sont un rรฉseau continu dโespaces inclus dans le solide et que la quantitรฉ de vapeur dans le solide varie linรฉairement avec la concentration de vapeur et la tempรฉrature.
Diffusion de masse โ โ = โ
Diffusion de chaleur :
: โ โ =
Equations dโรฉquilibre : = et = โ la vapeur dans les pores est supposรฉe en รฉquilibre avec la vapeur adsorbรฉe sur les parois.
oรน: : coefficient de diffusion molรฉculaire
: concentration de la substance diffusante dans le solide
: = masse de solide contenant lโunitรฉ de pore
: porositรฉ
: coefficient de diffusion de chaleur
: tempรฉrature
: constante concernant lโaugmentation de tempรฉrature produite lorsque le solide adsorbe lโhumiditรฉ
: masse de substance diffusante dans le solide
: constantes
Harmathy (1969) affine le modรจle de Henry en dรฉveloppant une thรฉorie pour le transfert simultanรฉ de masse et de chaleur dโun systรจme poreux ร lโรฉtat pendulaire. Il base son modรจle sur les deux suppositions suivantes :
tous les mouvements dโhumiditรฉ dans un systรจme poreux prennent place dans la phase gazeuse (thรฉorie de lโรฉvapo-condensation), bien que la migration de lโhumiditรฉ dans la phase liquide ne soit pas inexistante. Cette premiรจre supposition implique la limitation de cette thรฉorie ร lโรฉtat pendulaire de systรจmes poreux en gรฉnรฉral et ร la phase de sรฉchage ร vitesse dรฉcroissante ;
les phases dโun systรจme poreux sont si finement distribuรฉes que dโun point de vue macroscopique le systรจme est quasi un systรจme ร une seule phase.
Suite ร ses expรฉrimentations sur des briques dโargile, il conclut que le mรฉcanisme de flux capillaire nโest pas le seul prรฉsent au commencement de la pรฉriode ร vitesse dรฉcroissante : le transfert de vapeur par diffusion est lui aussi prรฉsent [Bossart, 2006].
Diffusion de vapeur.
Ce modรจle suppose que le mรฉcanisme prรฉdominant de transfert interne dโhumiditรฉ est la diffusion interne de vapeur.
King 1986 รฉtudie la dรฉsorption de lโeau dans les produits alimentaires poreux. Il รฉtablit un modรจle mathรฉmatique basรฉ sur la supposition que le transfert de masse ร lโintรฉrieur du solide se produit principalement dans la phase vapeur. Le transfert de chaleur est considรฉrรฉ parallรจlement au transfert de masse. A tout moment, lโhumiditรฉ en phase condensรฉe est plus grande quโen phase vapeur et donc, le transfert dโhumiditรฉ se fait par diffusion au travers de la phase vapeur. La relation entre lโhumiditรฉ de sorption et la pression de vapeur partielle dans la phase gazeuse est dรฉcrite par une isotherme de dรฉsorption. Lโรฉquation exprimant la vitesse de changement du contenu en humiditรฉ dโun matรฉriau poreux hygroscopique est, selon King, de la forme [Bossart, 2006]:
oรน: : humiditรฉ absolue du solide โฒ
: diffusivitรฉ effective
: temps
: distance
: coefficient de diffusion de la vapeur dโeau
: pression partielle de la vapeur dโeau ร saturation
: masse volumique du solide sec
: constante des gaz parfaits
: tempรฉrature
: pression totale
: pression partielle de vapeur de lโeau
: activitรฉ en eau
: conductivitรฉ thermique
: chaleur de sorption
Modรจles mathรฉmatiques complexes.
Les modรจles simples ont une application rรฉduite, essentiellement applicables aux conditions de sรฉchage qui ont permis leur dรฉveloppement. Par la suite les transferts de chaleur seront pris en compte et les modรจles mathรฉmatiques se complexifieront et tenteront de tenir compte de lโensemble des mรฉcanismes de transferts de chaleur et de masse mis en jeu durant lโopรฉration de sรฉchage.
Migration capillaire et diffusion vapeur : modรจle de Krischer.
En supposant que lโhumiditรฉ peut migrer simultanรฉment sous la forme de flux capillaires et de diffusion de vapeur, Krischer et Krรถll proposent un modรจle multi-mรฉcanismes. Ils exposent leur thรฉorie du mouvement capillaire de lโeau liquide dans des systรจmes constituรฉs de tubes capillaires puis dans des systรจmes plus complexes comme les milieux poreux. Le principe peut รชtre expliquรฉ comme suit : dans un tube capillaire isolรฉ vertical, la pression de succion, et donc la hauteur atteinte par lโeau, est proportionnelle ร la tension superficielle et inversement proportionnelle au rayon. En admettant que la tension capillaire est liรฉe ร la teneur en eau, lโauteur รฉtablit une loi gรฉnรฉrale dans laquelle la force motrice est le gradient de teneur en eau
Les deux coefficients de diffusion et (corrigรฉ par le facteur de rรฉsistance ) dรฉpendent de la nature du matรฉriau, de la nature de la structure des pores, du contenu en humiditรฉ du solide et de la tempรฉrature. Ce modรจle nโa permis que de reproduire des courbes de sรฉchage mais en aucun cas nโa permis de prรฉvoir ces courbes.
Modรจle de Luikov.
Luikov [Luikov ,1975] [Pandey, et al. ,1999] dรฉveloppe un modรจle qui tient compte simultanรฉment du transfert de chaleur et de matiรจre dans les milieux capillo-poreux. Il dรฉcrit le phรฉnomรจne de diffusion thermique dโhumiditรฉ en รฉtablissant que le gradient de tempรฉrature est aussi un facteur causant le transfert dโhumiditรฉ dans le matรฉriel. Lโoriginalitรฉ de son modรจle est lโapplication pour la premiรจre fois de la thermodynamique des processus irrรฉversibles (ou thermodynamique du non-รฉquilibre) aux transferts simultanรฉs de chaleur et de masse dans les milieux poreux. Le modรจle de Luikov est similaire ร celui proposรฉ par Krischer exceptรฉ que le systรจme dโรฉquations proposรฉ par Luikov est un systรจme non-linรฉaire. En effet, les coefficients de transport et les propriรฉtรฉs thermodynamiques sont fonction de lโhumiditรฉ du solide ou de la tempรฉrature ou encore aussi bien de lโhumiditรฉ du solide que de la tempรฉrature.
La complexitรฉ mathรฉmatique du modรจle de Luikov ne permet pas son utilisation. De maniรจre ร simplifier la formulation mathรฉmatique du systรจme dโรฉquations, Luikov et Mikhailov proposent un modรจle par zones dans lesquelles les coefficients de transports sont considรฉrรฉs comme constants (valeur moyenne pour chaque zone).
Modรจles avec rรฉtrรฉcissement du solide ou รฉvolution de la zone dโรฉvaporation.
De nombreux modรจles tiennent compte du rรฉtrรฉcissement รฉventuel du solide ou de lโรฉvolution de la zone dโรฉvaporation quittant la surface du solide et pรฉnรฉtrant dans celui-ci (simulation du rรฉtrรฉcissement du solide). Trois modรจles sont prรฉsentรฉs briรจvement ci-dessous. Le premier modรจle, le modรจle de Chen and Pei est intรฉressant en raison du grand nombre de phรฉnomรจnes pris en compte. Les deux autres modรจles prรฉsentent chacun une maniรจre originale et relativement facile ร mettre en ลuvre pour considรฉrer le rรฉtrรฉcissement du matรฉriau sรฉchรฉ.
Le modรจle de Chen and Pei [Chen, et al. ,1989] est basรฉ sur les transferts simultanรฉs de chaleur et de masse dans un systรจme multiphase. Ce modรจle tient compte de la structure du solide, des diffรฉrentes formes de lโeau au sein du solide ainsi que de plusieurs mรฉcanismes de transfert de lโhumiditรฉ au sein du grain. Ce modรจle a รฉtรฉ appliquรฉ au sรฉchage de produits non-hygroscopiques (briques) et ร celui de produits hygroscopiques (laine et grains de maรฏs).
Pour les solides non-hygroscopiques, ces auteurs assimilent le solide ร une matrice parcourue par un rรฉseau de capillaires de diffรฉrentes sections. Lโeau autour des grains et dans les capillaires de grandes sections est appelรฉe eau libre. Lโeau prรฉsente dans les pores de faibles dimensions est considรฉrรฉe comme de lโeau liรฉe. Quant aux produits hygroscopiques, leur structure est assimilรฉe ร un ensemble de cellules similaires. Lโespacement intracellulaire, identique au degrรฉ de vide dans les solides poreux, est interconnectรฉ et rempli par lโeau libre et par lโair. Les cellules elles-mรชmes contiennent aussi de lโeau mais sous forme liรฉe. La membrane cellulaire est considรฉrรฉe comme รฉtant semi-permรฉable et peut jouer le rรดle dโun passage capillaire pour la migration de lโeau liรฉe.
Le modรจle de Chen and Pei suppose lโapparition et la progression dโun front dโรฉvaporation ร lโintรฉrieur du grain de solide au cours du sรฉchage. Ce front dโรฉvaporation sรฉpare le solide en deux rรฉgions : une rรฉgion humide qui rรฉtrรฉcit en fonction de lโavancรฉe du sรฉchage et oรน le mรฉcanisme de transfert dโhumiditรฉ principal est le flux capillaire, et une zone de sorption oรน toute lโeau est dans un รฉtat liรฉ et les mรฉcanismes principaux de transfert dโhumiditรฉ sont le mouvement de lโeau liรฉe et le transfert de vapeur (Figure I.12).
Plus prรฉcisรฉment, les hypothรจses du modรจle de Chen et Pei sont [Chen, et al. ,1989] :
Zone humide :
le solide est macroscopiquement homogรจne ;
il nโy a pas de gradient significatif de tempรฉrature ;
les effets de la pression totale et de la gravitรฉ sont nรฉgligeables. Zone de sorption :
la force motrice du transfert de liquide dans cette rรฉgion est le gradient de pression de vapeur ;
lโinteraction entre lโeau liรฉe et le matรฉriau solide est exprimรฉe par une isotherme de sorption.
Le modรจle dรฉveloppรฉ par Chen et Pei a permis de dรฉcrire de faรงon satisfaisante lโรฉvolution du sรฉchage de plusieurs matรฉriaux hygroscopiques (laine, grains de maรฏs) et non-hygroscopiques (briques).
Balaban propose une mรฉthode originale pour tenir compte du rรฉtrรฉcissement du solide pendant le sรฉchage dโaprรจs [Bossart, 2006]. Son modรจle prend en compte les transferts simultanรฉs de chaleur et de matiรจre qui sont exprimรฉs par les lois de Fick et de Fourier dans lesquelles la conductivitรฉ thermique, la capacitรฉ calorifique, le coefficient de diffusion et lโactivitรฉ de lโeau en surface sont dรฉterminรฉs expรฉrimentalement. Lโรฉvolution du rรฉtrรฉcissement, fonction du taux dโhumiditรฉ du solide, est รฉgalement dรฉterminรฉe expรฉrimentalement. Il tient compte de la variation du volume lors de la rรฉsolution des รฉquations diffรฉrentielles de son modรจle en introduisant une variation de la distance entre les nลuds dans sa mรฉthode de rรฉsolution par diffรฉrences finies. Les rรฉsultats thรฉoriques de Balaban ont รฉtรฉ comparรฉs avec succรจs aux rรฉsultats expรฉrimentaux de sรฉchage par convection de tranches de poisson. Le modรจle de Balaban requiert toutefois la connaissance ร priori de nombreuses donnรฉes expรฉrimentales de sรฉchage du matรฉriau sรฉchรฉ .
Lโoriginalitรฉ du modรจle de Fusco ne repose pas sur le modรจle de sรฉchage proprement dit qui est un modรจle diffusionnel mais sur lโintroduction de la variation du volume du solide pendant le sรฉchage dโaprรจs [Bossart, 2006]. La modification du volume du solide aurait lieu pendant la phase de sรฉchage ร vitesse dรฉcroissante. Bien que Fusco soit conscient du fait que beaucoup de matรฉriaux naturels prรฉsentent deux rรฉgions dans cette phase de sรฉchage ร vitesse dรฉcroissante, son modรจle nโen considรจre quโune seule. A son modรจle diffusionnel qui exploite la seconde loi de Fick, Fusco ajoute une รฉquation reliant le volume et lโhumiditรฉ moyenne du solide. Cette expression est purement empirique et de la forme :
oรน
: constantes
: volume moyen
: humiditรฉ moyenne du solide โฒ
: humiditรฉ absolue initiale du solide โฒ
: masse volumique du solide sec
: masse volumique de lโeau
Fusco a obtenu, avec son modรจle, des courbes de sรฉchage thรฉoriques similaires aux courbes de sรฉchage expรฉrimentales pour des produits alimentaires sous forme de longues tranches. Par contre dans le cas de produits sous forme cylindrique ou sphรฉrique, les rรฉsultats thรฉoriques ne recoupent pas les rรฉsultats expรฉrimentaux.
Le concept de la courbe caractรฉristique de sรฉchage.
Le concept de la courbe caractรฉristique de sรฉchage, note C.C.S., est mis au point par [Meel, 1957].
Lโobjectif consiste ร modรฉliser la vitesse de sรฉchage : il sโagit en quelques sorte dโexaminer si, en dรฉpit de la complexitรฉ des phรฉnomรจnes au niveau microscopique (c’est-a-dire dans les pores du milieu), il est possible dโobtenir au niveau macroscopique une certaine simplicitรฉ dโinterprรฉtation des rรฉsultats expรฉrimentaux et un mรชme modรจle de comportement du produit รฉtudie, quelles que soient les conditions de lโexpรฉrience. La dรฉmarche consiste a normรฉs les teneurs en eau moyennes et les vitesses de sรฉchage pour obtenir une courbe unique pour un produit donne, de dimensions dรฉterminรฉes et indรฉpendamment des conditions aรฉrothermiques (vitesse, tempรฉrature, et hygromรฉtrie de lโair de sรฉchage).
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Table des matiรจres
INTRODUCTION GENERALEย
CHAPITRE I :ETAT DE LโART SUR LE SECHAGE SOLAIREย
I.1 INTRODUCTION
I-2 LE SECHAGE
I-2.1 Historique
I-2.2 Sรฉchage et รฉnergie
I-2.3 Domaines dโutilisation.
I-2.4 Les diffรฉrents modes de sรฉchage.
I-3 SECHOIRS SOLAIRES
I-3.1 Introduction
I-3.2 Les diffรฉrents principes de sรฉchage solaire
I-3.2.1 Sรฉchage en mode direct
I-3.2.1 Sรฉchage en mode indirect
I-3.3.1 Mode direct et convection naturelle
I-3.3.2 Mode indirect et convection naturelle
I-3.3.3 Mode indirect et convection forcรฉe
I-4 CINETIQUE DE SECHAGE.
I-4.1 Phase transitoire.
I-4.2 Phase de sรฉchage ร vitesse constante.
I-4.3 Phase de sรฉchage ร vitesse dรฉcroissante.
I.5 DEVELOPPEMENT DE LA MODELISATION MATHEMATIQUE DES TRANSFERTS LORS DU
SECHAGE.
I.5.1 Les modรจles mathรฉmatiques.
I.5.1.1 La phase de sรฉchage ร vitesse constante.
I.5.1.2 La phase de sรฉchage ร vitesse dรฉcroissante.
I.6 CONCLUSION
CHAPITR II : MODELISATION DES INSOLATEURS PLAN A AIRย
II.1 INTRODUCTION
II.2. ETAT DE LโART DES INSOLATEUR PLAN A AIR
II.2.1. Description
II.2.2. Analyse globale
II.2.2.1 Evolution de lโunitรฉ sรฉlective
II.2.2.2 Evolution de lโabsorbeur
II.2.2.3 Evolution de lโunitรฉ dโisolation
II.3. LโINSOLATEUR PLAN A AIR CHOISI
II.4. MODELISATION DE LโINSOLATEUR
II.5. PUISSANCE ABSORBEE
II.6. CALCUL DES PERTES THERMIQUE
II.6.1. Pertes ร lโavant
II.6.2. Pertes ร lโarriรจre
II.7 MODELISATION DES COEFFICIENTS DโECHANGE THERMIQUE
II.7.1 Transfert conductif
II.7.2 Transfert convectif
II.7.2.1 Transfert convectif du au vent
II.7.2.2 Transfert convectif dans le dans la veine d’air mobile
II.7.3 Transfert radiatif
II.8. ALGORITHME DE CALCUL DES PERFORMANCES DE LโINSOLATEUR PLAN A AIR
II.9. CONCLUSION
CHAPITRE III : CARACTERISATIONย
III.1 INTRODUCTION
III.2 CARACTERISATION TECHNOLOGIQUE
III. 2.1 Equilibre entre lโhumiditรฉ de lโair et le produit.
Activitรฉ en eau dโun produit
Teneur en eau
Isothermes de sorption
III. 2.2 Modรฉlisation des isothermes de sorption
III. 2.3 Dรฉtermination de la chaleur isostรฉrique de sorption
III.2.4 Modรฉlisation des cinรฉtiques de sรฉchage
III.2.4.1 Courbes de sรฉchage
III.2.4.2 Modรจles thรฉoriques de sรฉchage en couche mince
III.3 CARACTERISATION PHYSIQUE
III.3.1.1 Masses volumiques
III.3.1.2 Conductivitรฉs thermiques
III.3.1.3 Chaleur spรฉcifique
III.4 CONCLUSION
CHAPITRE IV : DESCRIPTION ET MODELISATION DU SECHOIRย
IV.1 INTRODUCTION
IV.2 MODELISATION DE LโUNITE DE SECHAGE
IV.2.1 Description
IV.2.2 Formulation mathรฉmatique
IV.2.2.1 Equations de masse et de la chaleur des deux phases du produit poreux
IV.2.2.1.1 Equation de conservation de la masse dans lโair
IV.2.2.1.2 Equation de conservation de la masse du produit
IV.2.2.1.3 Couplage des deux รฉquations de conservation de la masse
IV.2.2.1.4 Equation de conservation de lโรฉnergie dans lโair
IV.2.2.1.5 Equation de conservation de lโรฉnergie dans le produit
IV.2.2.2 Echange entre lโair et les parois du sรฉchoir
IV.2.2.2.1 Au niveau du lit de particules
IV.2.2.2.2 Entre deux lits de particules
IV.3VITESSE DE SECHAGE
IV.4 COEFFICIENT DโECHANGE THERMIQUE ET MASSIQUE DU PRODUIT
IV.4.1 Transfert internes
IV.4.1.1 Transfert internes de matiรจre
IV.4.1.2 Transfert internes de chaleur
IV.4.2 Transfert externes
IV.4.2.1 Transfert externes de matiรจre
IV.4.2.2 Transfert externe de chaleur
IV.5 COEFFICIENT DโECHANGE THERMIQUE DANS LโARMOIRE DE SECHAGE
IV.5.1 Echange entre lโair et la paroi intรฉrieur de lโarmoire de sรฉchage
IV.5.2 Echange entre lโarmoire de sรฉchage et le milieu extรฉrieur
Par conduction
Par convecti
Par rayonnement
IV.6 PUISSANCE ECHANGEE PAR CHANGEMENT DE PHASE
IV.7 PERFORMANCE DU SECHOIR SOLAIRE
IV.8 CONCLUSION
CHAPITRE V : MODELISATION NUMERIQUEย
V.1 INTRODUCTION
V.2 SYSTEME DโEQUATION A RESOUDRE
V.3 APPROXIMATION DES DERIVEES PARTIELLES PAR DIFFERENCES FINIES
V.4 DISCRETISATION DES EQUATIONS REGISSANT LE PROCESSUS DE SECHAGE
Lit fin
Lit รฉpais
Entre deux lits de particule
V.5 ALGORITHME DE PROGRAMME QUI SIMULE LE COMPORTEMENT THERMIQUE DU
SECHOIR
V.6 CONCLUION
CHAPITRE VI : SIMULATION NUMERIQUEย
VI.1 INTRODUCTION
VI.2 DETERMINATION DU COEFFICIENT MOYEN DE TRANSFERT DโHUMIDITE INTERNE PROPRE A LA FIGUE.
VI.2.1 Description
VI.2.2 Influence de la tempรฉrature, la vitesse dโair assรฉchant et lโรฉpaisseur du lit sur le coefficient de transfert dโhumiditรฉ interne โ
VI.2.2.1 Lโinfluence de la Tempรฉrature dโair assรฉchant
VI.2.2.2 Lโinfluence de la vitesse dโair assรฉchant
VI.2.2.3 Lโinfluence de lโรฉpaisseur de lit de la figue
VI.3 PERFORMANCE DU CAPTEUR SOLAIRE PLAN A AIR
VI.4 PERFO
VI.4.3.1 La porositรฉ apparente du li
VI.4.3.2 Vitesse moyenne de lโair dans le lit
VI.4.3.3 Diamรจtre du produit (รฉpaisseur du lit)
VI.4.3.4 Surface dโรฉchange air-produit dans un lit
VI.5 PERFORMANCE DE LA CHAINE ENERGETIQUE CAPTEUR-SECHOIR
VI.5.1 Ensoleillement naturel
VI.4.1.1. Intensitรฉ du rayonnement reรงu par le capteur plan ร air
VI.4.1.2. Tempรฉrature ambiante et humiditรฉ relative durant la journรฉe ensoleillรฉe
VI.5.2 Prรฉsentation des Profils dans le cas dโensoleillement naturelle et au cas de lโappoint
รฉlectrique
VI.5.2.1 Teneur en eau ร base sรจche du produit
VI.5.2.2 Tempรฉrature de lโair
VI.5.2.3 Tempรฉrature du produit
VI.5.2.4 Humiditรฉ relative de lโair
VI.5.2.5 Teneur en eau de lโair
VI.5.3 Rendement thermique du sรฉchoir solaire
VI.6 INFLUENCE DES PARAMETRES CLIMATIQUES DE LโAIR ASSECHANT SUR LE SECHAGE
DE LA FIGUE
VI. 6.1 Influence de la tempรฉrature de sรฉchage
VI. 6.2 Influence du dรฉbit dโair assรฉchant
VI. 6.3 Influence du lโhygromรฉtrie dโair assรฉchant
VI.7 EFFET DU FLUX SOLAIRE SUR LE SECHAGE DE LA FIGUE
VI.8 CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVE
ANNEXE
ANNEXE A
CARACTERISTIQUES HYGROMETRIQUES ET PROPRIETE THERMOPHYSIQUE DE LโAIR ASSECHANT
ANNEXE B
LA FRACTION DU RAYONNEMENT SOLAIRE ABSORBEE PAR LE CAPTEUR SOLAIRE
A-B.1 Mouvements de la terre
A-B.2 Mouvement apparent du Soleil.
A-B.3 Rayonnement global reรงu par une surface inclinรฉe
BIBLIOGRAPHIE
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