54 Fedali Sess 5

Séminaire International sur le Génie Climatique et l’Energétique, SIGCLE’2010 _____________________________________________________________________________________________________

---------------------------------------------------------- 6 et 7décembre 2010 Constantine, Algérie

saida FEDALI 1 cherif BOUGRIOU 2 Laboratoire d’Etudes des Systèmes Energétiques Industriels (LESEI), Département de Mécanique Université de Batna, Algérie.) * Auteur correspondant ([email protected] )

Etudes Théorique et Expérimentale d'un Distillateur Solaire sous les Conditions

Climatiques de BATNA Résumé : La distillation solaire est l'un des procédés de séparation les plus simples. Si les besoins en eau douce sont faibles, la distillation solaire directe apparaît comme une solution intéressante pour les régions éloignées ou isolées. Le distillateur solaire est examiné théoriquement et expérimentalement. Le modèle théorique, basé sur la résolution de l'équation énergétique dépendant du temps pour l'eau, la vitre, l'isolant et le bassin. Les résultats expérimentaux ont été réalisés pour vérifier le modèle théorique et examiner l'influence des paramètres de conception qui ne sont pas mentionnés dans la théorie, c'est-à-dire l'angle d'inclinaison de la couverture verrière et l'orientation du distillateur. Les expériences ont été menées à Batna, en Algérie au cours d’une série de tests effectués durant 6 jours de mois de juillet 2007 sur une eau normale et sur l’eau de mer. Le rendement journalier du distillateur solaire est de 2.5 litres/jour pour une surface de l’absorbeur de 0.54 m2. Les résultats numériques trouvés sont en accord avec les résultats expérimentaux. Mots clés : Distillation, Energie solaire, Effet de serre, Température, Eaux, Zones arides.

Nomenclature

. _C B EQ Flux thermique par convection entre

le fond du bac et le film d’eau, W/m2.

. _C E VQ Flux thermique par convection entre

le film d’eau et le vitrage, W/m2.

. _R E VQ Flux thermique par rayonnement entre

le film d’eau et le vitrage, W/m2.

EvapQ Flux thermique par évaporation-

condensation entre le film d’eau et le vitrage, W/m2.

( )Perte BQ Flux thermique perdu par le fond du

bac, W/m2.

, _Cond I BQ Flux thermique par conduction entre

le bac et l’isolant thermique, W/m2.

( )Perte IQ Flux thermique perdu par l’isolant,

W/m2.

IU Coef. global de pertes thermiques de

l'isolant, W/(m2. K).

BU Coef.global de pertes thermiques du

bassin, W/(m2. K).

fgh Chaleur latente de vaporisation, J/kg.

ET Température de l’eau, °C.

VT Température de la vitre, °C.

BT Température du bac, °C.

IT Température de l’isolant, °C.

AT Température ambiante, °C.

CielT Température du ciel, °C.

G Puissance solaire incidente, W/m2.

Indices / Exposants

C convection R rayonnement B bassin V vitre I isolant E eau A ambiant

1. Introduction:

Plus d'un milliard de personnes n'ont pas accès à suffisamment d'eau de bonne qualité dans le monde. La plupart de ces personnes vivent en Asie et en Afrique. Les eaux souterraines ont été toujours considérées comme une meilleure source d'eau potable d’une quantité suffisante. Toutefois, dans les vastes régions de ce monde entier, les eaux souterraines sont impropres à la consommation

humaine et aux autres usages domestiques en raison de niveaux élevés de sel, [1].

Différentes méthode ont été développées pour obtenir de l'eau potable à partir de l'eau impure. Les processus d'obtention d'eau potable de l'eau saline à l'aide de l'énergie solaire sont connus sous le nom de la distillation solaire. La distillation solaire est appelée à jouer un rôle important dans toute stratégie de gestion de l’eau des zones arides ou isolées. L’étude du distillateur solaire à effet de serre conventionnel est rendue délicate par la complexité des échanges thermiques et



massiques à l’intérieur et à l’extérieur du distillateur. Cette complexité a conduit à un grand nombre de travaux scientifiques ayant trait à l’étude du distillateur solaire passif (conventionnel). Notre étude consiste en une comparaison entre les résultats théoriques et expérimentaux de la température des différents constituants, dans le but d’améliorer la production du distillateur. L’idée est de parvenir à un distillateur solaire très économique.

2. Description et principe de fonctionnement

Notre distillateur est réalisé au niveau du laboratoire LESEI, voir les figures 1 et 2.

Le distillateur utilisé dans cette étude est un simple bassin de 0.54m2 de surface (0.9m de long par 0.6m de largeur). Il est construit en fer galvanisé. Le fond et les cotés du bassin sont isolées par 4cm d'épaisseur du polystyrène pour réduire les pertes de chaleur. La couverture en verre ordinaire de 3mm d'épaisseur est inclinée d’un angle de 35.33° (Latitude de BATNA), soit un angle largement supérieur à l'inclinaison minimale (10° et 15°). La distillation solaire est une technique qui utilise le rayonnement solaire pour chauffer de l’eau saumâtre dans un bac couvert par une

vitre inclinée. L’eau dans le bac va se chauffer (d’autant plus vite que le bassin est noir) et

avec l’augmentation de température une partie de l’eau s’évapore et la vapeur d’eau se liquéfie sur la surface intérieure de la vitre transparente.

3. Bilan thermique

La théorie d’un distillateur solaire simple en forme de serre, est présentée par Mousa Abu-Arabi et al [2], [3] et Yousef H. [4]. La figure 3 illustre les différents échanges de chaleur qui se produisent dans un distillateur solaire. Elle est fondée sur quatre bilans.

Figure 3 : Bilans énergétiques d’un distillateur

solaire simple [5] Comme tous les appareils de distillation à

effet de serre, le distillateur conventionnel est un système qui échange de la chaleur avec le milieu ambiant. - Le transfert de chaleur entre le distillateur et l’extérieur se fait au niveau de la vitre par rayonnement et par convection. - Au niveau de l’eau, le rayonnement incident transmis sert à chauffer l’eau. Celle-ci s’évapore et échange de la chaleur avec l’eau par convection, rayonnement et évaporation. - L’échange intérieur-extérieur se fait par conduction à travers la vitre.

Bilan thermique de la vitre :

( )V . _ . _ . _ . _1VV V V h RE V CE V Evap RV A CV A

dTM Cp G Q Q Q Q Q

dtρ α= − + + + − − (1)

( ). _ , _R E V R E V E VQ h T T= − , avec

( ) ( )4 4

, _

273.15 273.15Eff E V

R E VE V

T Th

T T

ε σ + − + =

−

, _R E Vh : Coefficient de transfert de chaleur par

rayonnement entre le film d’eau et la vitre.

( ). _ , _C E V C E V E VQ h T T= − , avec

( ) ( )1

3

. _ 3

273.150.884

268.9.10E V E

C E V E VE

P P Th T T

P

− + = − + −

, _C E Vh : Coefficient de transfert de chaleur par

convection entre le film d’eau et le vitrage, [2].

Figure 2 : Coupe longitudinale du distillateur

Figure 1 : Distillateur



( )Evap Evap E VQ h T T= − ,avec

( )( )

3, _16.273.10 E V

Evap C E VE V

P Ph h

T T− −

=−

Evaph : Coefficient de transfert de chaleur par

évaporation-condensation entre le film d’eau et le vitrage. PE et PV : Pressions de saturation de l’air humide aux températures de la saumure et du couvercle.

La chaleur latente d’évaporation est estimée par les relations suivantes [6] :

5144exp 25.317

273,15P

T

= − + et

6 33.1615 10 2.40714 10fgh T= × − ×

( ). _ , _R V A R V Ciel V AQ h T T= − ,avec

:

( ) ( )4 4

. _

273.15 273.15V V Ciel

R V CielV A

T Th

T T

ε σ + − + =

−

, _R V Cielh : Coefficient de transfert de chaleur

par rayonnement par la vitre vers l’extérieur. La température du ciel est donnée par la relation suivante [3] : 6Ciel AT T= −

( ), _ , _C V A C V A V AQ h T T= −

, _C V Ah : Coefficient de transfert de chaleur par

convection entre la vitre et l’extérieur. Le coefficient d’échange par convection

entre la face externe de la vitre et l’air est donné par la relation suivante [7] et [6] :

, _ 5.7 3.8C V Ah V= +

Bilan thermique de la masse d’eau

( )( )E . _ . _ . _1 1EE V V E h CB E CE V RE V Evap

dTMCp G Q Q Q Q

dtρ α α= − − + − − − (2)

Bilan thermique du bac absorbant

( )( )( )B . _ ( )1 1 1BB V V E B h CB E Perte B

dTMCp G Q Q

dtρ α α α= − − − − − (3)

( ), _ , _C B E C B E B EQ h T T= − , avec , _f

C B E

NuKh

L=

, _C B Eh : Coefficient de transfert de chaleur par

convection entre le fond du bac et le film d’eau.

fK : Conductivité thermique du fluide (eau).

( )( )Perte B B B IQ U T T= − Les pertes thermique du bassin par

conduction thermique à travers l’isolation est donné par [8] comme suit :

BB

B

KU

δ=

Bilan thermique de l'isolant

I , _ ( )I

I Cond I B Perte I

dTM C p Q Q

dt= − (4)

( ), _ ( )B

Cond I B Perte B B IB

KQ Q T T

L= = −

( )( )Perte I I I AQ U T T= −

Les pertes thermique de l’isolation vers l’air ambiant est donné par [8] comme suit :

11I

II I

UK h

δ−

= +

.

Les équations régissant le fonctionnement d'un distillateur solaire conventionnel sont résolues par une approche numérique basée sur la méthode de Runge-Kutta.

4. Résultats et discussion

La figure 4 présente la variation des températures en fonction du temps. La température du bac atteint une valeur maximale de 90 ºC, ceci s’explique par le coefficient d’absorption assez élevée de la peinture noire. La température de l’eau est proche de celle du bac, cette dernière est chauffée surtout par convection et d’un degré moindre par conduction (convection naturelle). La faiblesse de la température de la vitre à celle de l’eau s’explique par l’échange convectif avec l’ambiant, ceci permet à la vapeur d’eau de se condenser sur la face intérieure de la vitre. On a une variation classique en forme de cloche du rayonnement solaire.

6 8 10 12 14 16 1810

20

30

40

50

60

70

80

90

Tem

péra

ture

(°C

)

Heure (h)

Tisolant

Tvitre

Tbassin

Teau

Figure 4 : Variation des températures des

différents éléments du distillateur L’influence de la vitesse du vent sur la

température de la vitre est donnée dans la figure 5, l’écart de la température varie graduellement pour atteindre une valeur maximale de 8ºC environ à midi solaire vrai. Par contre, on constate une faible influence du vent sur la température de l’eau, c’est l’effet de serre proprement dit.



6 8 10 12 14 16 1810

20

30

40

50

60

70

80

90

V= 1,5m/s

Tem

péra

ture

(°C

)

Heure (h)

Tisolant

Tvitre

Tbassin

Teau

6 8 10 12 14 16 1810

20

30

40

50

60

70

80

90

Tem

péra

ture

(°C

)

Tisolant

Tvitre

Tbassin

Teau

Heure (h)

V= 7m/s

Figure 5 : Influence de vent sur les

températures de distillateur

5. Comparaisons entre les températures théoriques et expérimentales

La comparaison entre le calcul et l’expérience a été faite pour une période allant de 6h du matin à 18h. On a pu constater l’allure des courbes des températures en fonction du temps et du flux solaire transmit par la vitre au milieu intérieur du distillateur.

Cette comparaison donne plus de précision sur l’allure de la courbe, que sur les valeurs des températures. Malgré la précision de mesures, on a pu constater une analogie entre la théorie et l’expérience.

On notera que les températures des différents constituants du distillateur varient en fonction du flux solaire incident. Elles augmentent plus vite que la température ambiante (effet de serre).

D’après les courbes, on observe qu’il y a un écart entre les valeurs numériques et expérimentales, cet écart est dû aux hypothèses et aux incertitudes de mesures.

09:00 11:30 14:00 16:30 --

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Numérique 19/07/2007 20/07/2007 21/07/2007 22/07/2007 23/07/2007 24/07/2007

Heure (h)

Tem

péra

ture

(°C

)

Figure 6 : Températures de l’eau

09:00 11:30 14:00 16:30 --

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

Tem

pera

ture

(°C

)

Heure (h)

Numérique 19/07/2007 20/07/2007 21/07/2007 22/07/2007 23/07/2007 24/07/2007

Figure 7 : Températures du bassin

09:00 11:30 14:00 16:30 --

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Tem

péra

ture

(°C

)

Heure (h)

Numérique 19/07/2007 20/07/2007 21/07/2007 22/07/2007 23/07/2007 24/07/2007

Figure 8 : Températures de la face

intérieure de la vitre



09:00 11:30 14:00 16:30 --

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Numérique 19/07/2007 20/07/2007 21/07/2007 22/07/2007 23/07/2007 24/07/2007

Tem

péra

ture

(°C

)

Heure (h)

Figure 9 : Températures de la face extérieure de la vitre

09:00 11:30 14:00 16:30 --

10

20

30

40

50

60

Tem

pera

ture

(°C

)

Heure (h)

Numérique 19/07/2007 20/07/2007 21/07/2007 22/07/2007 23/07/2007 24/07/2007

Figure 10 : Températures de l’isolant

6. Conclusion

A travers les résultats obtenus, on a constaté une bonne concordance entre les résultats de la simulation numérique et ceux de l’expérience. Les faibles écarts des températures sont dus probablement d’une part à la précision de la mesure et d’autre part aux hypothèses utilisées dans la simulation numérique.

Les variations des températures nous suggèrent à dire que la production d’eau distillée dépend évidemment de l’énergie solaire incidente et aussi de la surface absorbante ; entre autre un volume de 2 litres de distillat de très bonne qualité a pu être récupéré en fin de journée.

Références

[1] Muhammad Ali Samee, Umar K. Mirza, Tariq Majeed, Nasir Ahmad "Design and Performance of Simple Single Basin Solar Still", Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2005.

[2] Mousa Abu-Arabie, Yousef Zurigat, Hilal Al-Hinai, Saif Al-Hiddabi "Modelling and Preformance Analysis of a Solar Unit with Double-Glass Cover Cooling", Desalination, 143,173-182, 2002.

[3] Mousa Abu-Arabia, Yousef Zurigatb "Year-Round Comparative Study of Three Types of Solar Desalination Units ", Desalination, 172, 137–143, 2005.

[4] Yousef H. Zurigat, Mousa K. Abu-Arabi "Modelling and Performance Analysis of a Regenerative Solar Desalination Unit", Applied Thermal Engineering, 24, 1061-1072, 2004.

[5] Ahmed Khedim, Klemens Schwarzer, Christian Faber, Christoph Müller" Production Décentralise de l’Eau Potable à l’Energie Solaire", Desalination, 168, 13-20, 2004.

[6] M. Benhammou, B. Omari, M. Gahgah, L. Amer, A. Boubghal "Réalisation et Expérimentation d’un Distillateur Solaire Couple à un Condenseur ", Station d’Expérimentation des Equipement Solaires en Milieu Saharien, 2003.

[7] W. A. Kamal "A Theoretical and Experimental Study of the Basin-Type Solar Still under the Arabian Gulf Climatic Conditions", Solar and Wind Technology, 5, 147-157, 1988.

[8] Hilal Al-Hinai, M. S. Al-Nassri, B. A. Jubran " Parametric Investigation of a Double-Effect Solar Still in Comparison With a Single-Effect Solar Still ", Desalination, 150, 75-83, 2002.

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