Cours modélisation et simulation numérique, tutoriel & guide de travaux pratiques en pdf.

Simulation numérique

Le programme informatique élaboré est écrit en Langage Fortran. Il contient essentiellement un programme principal, sept sub routines et deux sous programmes functions. L’exécution de ce programme permet de calculer les différents flux de chaleur échangés (convection, rayonnement, évaporation, conduction), la variation des températures des éléments du distillateur, le taux decondensat, l’efficacité globale et interne du distillateur et le facteur de performance. Les sous programmes functions sont réalisés pour calculer l’éclairement solaire en fonction du temps et les subroutines permettent de calculer la température de la vitre, la température de l’eau, la température du bac absorbant, la température de l’isolant, le taux de condensat, la pression de saturation et l’efficacité globale et interne. Avant le lancement du programme, on donne les données météorologiques, telles que les températures initiales (vitre, eau, bassin et isolant), l’éclairement solaire, la vitesse du vent, la latitude avec les temps initial et final et les propriétés physiques telles que l’absorptivité, la réflectivité, la transmitivité et l’émissivité de la vitre et de l’eau et du bac absorbant, etc. L’implémentation détaillée est réalisée par un programme qui charge les données météorologiques et physiques. Le programme principal prend les valeurs initiales et appelle la subroutine Rung-Kutta, il calcule les températures des différentes parties du distillateur. Puis, il calcule le flux global incident, les différents flux (convection, rayonnement, évaporation, conduction), les différents coefficients d’échange de chaleur, les pertes de chaleur, la masse du condensat, l’efficacité globale, l’efficacité interne et le facteur de performance à l’aide des subroutines pour chaque constituant. Par la suite, il détermine les pressions de saturation et le facteur de performance.
Nous présenterons ci-dessous, l’organigramme principal correspondant à cette modélisation et ceux des subroutines de calcul des différents paramètres.

Capteur solaire

Un capteur solaire est défini comme tout système recevant l’énergie solaire et la transformant en une énergie utile. Il est essentiellement constitué d’une surface absorbante exposée au rayonnement solaire, qui échange avec un fluide caloporteur, les calories produites par absorption du rayonnement incident, et émet en s’échauffant un rayonnement thermique de plus grande longueur d’onde. Il s’établit alors un équilibre thermique entre l’absorbeur et le milieu ambiant. On capte ainsi peu d’énergie. Pour réduire les pertes par la face arrière du capteur, l’absorbeur est placé à l’intérieur d’un coffre dont les parois internes sont recouvertes d’un isolant thermique (laine de verre ou mousse synthétique, par exemple). L’isolation thermique de la face avant est réalisée en interposant entre l’absorbeur et l’air, un matériau opaque au rayonnement thermique, mais transparent au rayonnement solaire. Les verres et certains matériaux synthétiques sont transparents pour le rayonnement solaire, et opaque pour le rayonnement infrarouge lointain. Ils sont donc utilisés en tant que couvertures transparentes des capteurs solaires.Dans un capteur équipé d’une couverture transparente, le rayonnement thermique émis par l’absorbeur est absorbé par la couverture transparente qui s’échauffe et rayonne à son tour par les deux faces. Une certaine quantité du rayonnement se disperse dans le milieu extérieur et l’autre est réémise vers l’absorbeur qui est à l’origine de l’effet de serre. Les couvertures ont également pour rôle de limiter les pertes par convection, étant donné que les échanges thermiques entre deux plaques séparées par une lame d’air immobile, se font essentiellement par conduction et qu’il est connu que l’air immobile est un bon isolant thermique. Cet effet d’isolation croît avec l’épaisseur de la lame d’air séparant les deux surfaces, tant que le phénomène de transfert reste conductif (2 à 3 cm d’épaisseur). Au–delà, les effets de la convection naturelle viennent contrarier l’effet recherché. Une autre méthode pour réduire les pertes du capteur est la réalisation, sur la surface de l’absorbeur, d’un revêtement sélectif, présentant un coefficient d’absorption le plus élevé possible pour les longueurs d’onde du spectre solaire (inférieures à 2,5 mm) tout en ayant ne émissivité la plus faible possible dans le domaine de l’infrarouge correspondant au rayonnement de l’absorbeur (longueurs d’onde supérieures à 2,5 mm). De tels revêtements sélectifs sont réalisés par dépôt chimique ou par traitement électrochimique de la surface absorbante.

Paramètres et caractéristiques de fonctionnement des capteurs solaires

On peut les classer en deux catégories : paramètres externes et paramètres internes :
– Les paramètres externes : Il y a le paramètre d’ensoleillement (éclairement énergétique dû au rayonnement global, position du soleil, durée d’insolation), la température extérieure sèche, la vitesse du vent sur le capteur.
– Les paramètres internes : Comme paramètres internes, il y a :
Paramètres géométriques : Ils se spécifient par le paramètre de position (inclinaison, orientation du capteur), la superficie du capteur qui représente un paramètre important, la dimension des différentes parties du capteur(épaisseur, longueur et largeur).
Paramètres de fonctionnement : C’est la température d’entrée du fluide dans le capteur, le débit du fluide caloporteur, la température des différentes parties du capteur.
Ces caractéristiques sont très importantes car elles permettent, en tenant compte du coût, d’effectuer un choix parmi les différents types de capteur, dont entre autres : la température de sortie du fluide et la puissance thermique utile du capteur.