Etude du transfert thermique dans la lame d’air d’un capteur solaire

Abstract

Le travail de cette thèse constitue une contribution à l’étude des capteurs solaires thermiques. Ainsi, nous cherchons à comprendre les mécanismes d’écoulement et de transfert en convection naturelle interne, en géométrie tridimensionnelle dans la lame d’air d’un capteur solaire dans le but de trouver la conception optimale qui permet un contrôle thermique adéquat et une performance énergétique. Une partie de cette thèse est donc consacrée à une simulation numérique basée sur la mise au point d’un modèle de la convection naturelle dans la lame d’air de forme parallélépipédique fermée contenant de l’air et inclinée d’un angle α. Les simulations ont été faites afin de déterminer les champs de température et de vitesse sous l’influence de la variation de l’épaisseur de la lame d’air, le flux de chaleur apporté à l’absorbeur et la présence d’obstacles dans la lame d’air. Ces simulations ont été effectuées avec et sans rayonnement dans la lame d’air. Le logiciel de calcul utilisé pour cette étude est le CFD fluent, basé sur la méthode des volumes finis Les résultats obtenus montrent l’influence de l’épaisseur de lame d’air sur le régime d’écoulement ; ce dernier peut être stationnaire stable ou instationnaire. Les valeurs du coefficient du transfert thermique ont été calculées pour tous les cas étudiés et une comparaison de l’écoulement avec et sans rayonnement a été faite. Ce travail numérique a été poursuivi par une étude expérimentale sur des capteurs solaires thermiques. Ainsi pour réduire les pertes, des essais ont été réalisés en évaluant le comportement thermique du capteur sur une journée en fonction des conditions extérieures (ensoleillement, température...) et bien sûr du débit d’écoulement du fluide caloporteur. Les résultats obtenus montrent l’influence de l’épaisseur sur le rendement thermique et la nécessité de trouver une épaisseur optimale pour un meilleur rendement. De même l’introduction des obstacles a contribué aussi à améliorer le rendement du capteur. This thesis aims to study the solar thermal collectors. Thus, we seek to understand the mechanisms of natural convective heat transfer in the air gap of a solar collector, in order to find an optimal design which allows adequate thermal control and energy performance. Part of this thesis is devoted to the numerical simulation using fluent, based on the development of natural convection model in an inclined parallelepiped air gap of solar collector. Fluent CFD software is based on the finite volume method. The simulations were carried out to determine the velocity and temperature fields under the effect of the air gap thicknesses, the heat flux provided to the absorber and the presence of obstacles in the air gap. The results show the effect of the air gap thickness on the flow regime, which can be steady or unsteady. These simulations were performed with and without the coupling of convection-radiation in the air gap. Values of the coefficient of heat transfer was calculated for different cases and a comparison for both cases with and without taking into account radiation was made. The numerical study was followed by an experimental work based on the study of solar collector. To reduce heat losses, experiments were carried out to evaluate the thermal behavior of solar collector under external conditions (sunshine, temperature...etc) and the coolant flow rate for various gap air thicknesses. The results show the effect of the air gap thickness on the thermal performance and the importance of having an optimum thickness for better performance. Similarly, the introduction of barriers also contributes to improve the performance of the solar collector. هذه الأطروحة تتمثل في دراسة المجسات الشمسيه الحرارية. هكذا نريد أن نفهم آليات التدفق و الإنتقال الحراري الطبيعي و الداخلي في شفرة هوائية ثلاثية الأبعاد من أجل المراقبة الحرارية الملائمة و الآداء الطاقوي . جزء من هذه الأطروحة مخصص للمحاكاة العددية باستعمال برنامج CFD و المتمثلة في تطوير نموذج الإنتقال الحراري الطبيعي داخل شفرة هوائية متوازية المستطيلات و مائلة بزاوية (α) نفذت عملية المحاكاة لتحديد حقل الحرارة و السرعة تحت تأثير التغيير في سمك الشفرة الهوائية . أجريت هذه المحاكاة مع وبدون الإشعاع في سمك الشفرة الهوائ المستخدمة النتائج أظهرت تأثير سمك الشفرة الهوائية على نظام التدفق, هذا الأخير يمكن أن يكون مستقر أو غير مستقر. تم حساب قيم معامل الانتقال الحراري في كل الحالات مع إجراء مقارنة في حالة وجود و عدم وجود إشعاع . لقد أتبعت المحاكاة العددية بدراسة تجريبية على مجسات شمسية حرارية لمدة يوم بالإعتماد على الظروف الخارجية (شمس, حرارة,...) إضافة إلى تدفق سائل التبريد. النتائج بينت تأثير السمك على المردود الحراري و ضرورة إيجاد سمك ملائم من أجل مردود أفضل . وبالمثل، وإدخال الحواجز ساهم أيضا في تحسين أداء المجسات الشمسيه .