etude theorique et experimentale d`un cuiseur solaire a changement

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Journal des Sciences
http://www.ucadjds.org
ETUDE THEORIQUE ET EXPERIMENTALE D’UN CUISEUR SOLAIRE A
CHANGEMENT DE PHASE
Papa NGOM*, Ababacar THIAM, Mamadou ADJ, Vincent SAMBOU, Dorothé AZILINON
L.E.A, Ecole Supérieure Polytechnique, Université Cheikh Anta Diop, Dakar, Sénégal
Abstract:
This work concerns a cooker made of plywood with interior
reflectors tilting outside and mirrors with 30° with the vertical
plane. The higher cover consists of a tilted double glazing of 15°
on the horizontal one. After having determined the total
radiation received by the cooker, we then established the
energy balances of the various components. Tests were carried
out at the “Laboratoire d’Energétique Appliquée, Ecole
Polytechnique, Université Cheikh Anta DIOP de dakar” and the
results obtained are conclusive and encouraging. Indeed the
cooker without paraffin makes it possible to raise 3 liters of
water of 30°C at the temperature of 90.7°C under a theoretical
2
sunning of 850 W/m . With 5 kg of paraffin (52-54) and 3 liters
of water, the temperatures reached are very satisfactory:
85.9°C for water and 58.8°C for paraffin. The maximum sunning
2
raised this day is 789.3 W/m .
Résumé:
Le présent travail porte sur un cuiseur est de type boite en
contreplaqué avec un réflecteur extérieur inclinable et des
miroirs intérieurs faisant 30° avec la verticale. La couverture
supérieure est constituée d’un double vitrage incliné de 15° sur
l’horizontale. Après avoir déterminé le rayonnement global reçu
par le cuiseur, nous avons ensuite établi les bilans énergétiques
des différents composants. Des tests ont été effectués sur le
plateau de recherche du Laboratoire d’Energétique appliquée de
l’Ecole Supérieure Polytechnique de L’Université Cheikh Anta
Diop de Dakar et les résultats obtenus sont concluants et
encourageants. En effet le cuiseur sans la paraffine permet
d’élever 3 litres d’eau de 30 °C à la température de 90,7°C sous
2
un ensoleillement théorique de 850 W/m . Avec 5 kg de
paraffine 52-54 et 3 litres d’eau, les températures atteintes sont
très satisfaisantes : 85,9°C pour l’eau et 58,8°C pour la paraffine.
2
L’ensoleillement maximal relevé ce jour est de 789,3 W/m .
Keywords: solar cooker, phase change, limps, reflecting.
Mots clés: cuiseur solaire, changement de phase, boite,
réflecteur.
NOMENCLATURE
Symboles
A
Surface des vitres
Cp
Chaleur spécifique
E
Flux solaire incident
E
Epaisseur
g
Intensité de la pesanteur
Gh Rayonnement solaire global au sol
Gg
Rayonnement global reçu par le cuiseur
h
Hauteur angulaire
hc
Coefficient d’échange par convection
hr
Coefficient d’échange par rayonnement
ID
Rayonnement direct
rm Coefficient de réflexion miroir
S
Surface de l’absorbeur
S3 Surface de la base de la marmite
T
Température
Lettres grecques

Coefficient d’absorption

Angle d’inclinaison du réflecteur

Orientation de la surface par rapport au sud

Conductivité thermique

Masse volumique

Déclinaison
*
Auteur correspondant : [email protected]
P. Ngom et al / J. Sci.Vol. 9, N° 2 (2009) 36 – 44






v
Angle horaire
Azimut
Angle d’incidence
Emissivité
Energie rayonnée
Coefficient de Stefan Boltzmann
Coefficient de transmission du verre
Indices
ab absorbeur
air
air
c
ciel
ext extérieur
O
Ouest
S
Sud
N
Nord
E
Est
ref Réflecteur extérieur
V1 vitre extérieure
V2 vitre intérieure
e
Initiale eau
paraf matériau à changement de phase
mar marmite
- 36 -
I. INTRODUCTION
Les populations des zones tropicales ont un gisement inépuisable qu’est l’énergie solaire. Cependant cela
n’empêche que nous vivons actuellement une déforestation continue due à l’utilisation du bois pour la cuisson
ou le chauffage. Dans la recherche de solutions à ces effets néfastes pour l’environnement, l’utilisation de
cuiseurs solaires serait un grand apport, surtout le cuiseur solaire à changement de phase. Ce qu’il faut
remarquer c’est que ces cuiseurs, s’ils existent, ne fonctionnent qu’en cas d’ensoleillement suffisant. Afin de
pallier à cela nous avons réalisé une étude théorique et expérimentale d’un cuiseur à changement de phase.
Dans ce travail, nous étudions le stockage de l'énergie par chaleur latente. Pour les expériences, nous utilisons
des matériaux à changement de phase à haute chaleur latente au point de fusion.
L’objectif de travail est de mener une étude théorique et expérimentale afin d’évaluer l’effet de la paraffine
sur le cuiseur.
II. FORMULATION MATHEMATIQUE
II.1 Schéma de principe
Figure 1 : Schéma de principe du cuiseur
II.2 Calcul du rayonnement global Gg reçu par le cuiseur [1]
Le flux solaire E reçu par une surface quelconque est déterminé par la relation suivante :
E  I D cos( )
(1)
où  est l’angle d’incidence entre la normale à la surface réceptrice et la direction du soleil et ID le
rayonnement direct sur la surface
cos( )  cos(  ) sin(h)  sin( ) cos( h) cos( ) (2)
II.2.1 Rayonnement Eref sur le réflecteur extérieur
Il est orienté vers le sud et incliné d’un angle   7 / 12
E
ref
 G r cos( )
h a
(3)
II.2.2 Rayonnement sur les réflecteurs intérieurs
Ils sont tous inclinés d’un angle β=/3 par rapport à l’horizontale. Les réflecteurs étant à l’intérieur du caisson,
seul le rayonnement direct sera considéré.
Les rayonnements sont calculés avec l’équation (4) dans laquelle, cos() (équation (2)) varie en fonction de
l’angle d’orientation γ du réflecteur par rapport au sud. γ sera déduit à chaque fois de l’azimut ψ.
- 37 -
E
2
 I  r cos( )
S
D v m
(4)
- Le miroir orienté sud reçoit un rayonnement ES ; Lorsque la surface est orientée dans la direction Sud prise
comme direction de référence: γ=0.
- Le miroir orienté Ouest reçoit un rayonnement EO, γ= /2
- Le miroir orienté Nord reçoit un rayonnement EN, γ= .
- Le miroir orienté Est reçoit un rayonnement EE,   3 / 2
II.2.3 Rayonnement direct sur l’absorbeur
E
ab
2
 I  sin(h)
D v
(5)
II.2.4 Rayonnement global Gg reçu par le cuiseur
Le rayonnement global reçu par l’absorbeur est obtenu en faisant la somme de tous les
rayonnements (direct et sur les réflecteurs) :
Gg  E
ref
 ES  EO  E N  E E  Eab
(6)
II.3 Bilans énergétiques des composants
II.3.1 Bilan énergétique de la vitre extérieure
La variation d’énergie interne est égale à la somme des quantités de chaleur échangées :
U          
1
2
3
4
5
(7)
T
U  m .Cp . v1
v v t
(8)
avec
 1 : Puissance solaire absorbée par la vitre extérieure
   . A.G.r
1
v
a
(9)
 2 : Puissance rayonnée par la vitre extérieure vers le ciel
4
4
   . A  T   T 
2
 c c v v1 
3
(10)
: Puissance thermique échangée par convection entre la vitre extérieure et l’extérieur

3  hcext . A Text  Tv1

(11)
 4 : Puissance thermique échangée par convection entre les deux vitres

 4  hc,v1v 2 . A Tv1  Tv 2
5

(12)
: Puissance échangée par rayonnement entre les deux vitres

5  hr ,v 2v1. A Tv 2  Tv1

(13)
- 38 -
II.3.2 Bilan énergétique de la vitre intérieure
L’équation résultante du bilan énergétique est :
U v 2   6   7  8  9  10
U v 2
(14)
: Puissance thermique moyenne contribuant à l’échauffement de la vitre intérieure
U v 2  mv .Cpv .
T v 2
(15)
t
 6 : Puissance absorbée par la vitre intérieure
 6   v . v . A.G
(16)
 7 : Flux de rayonnement entre la vitre intérieure et l’absorbeur

 7  hr ,abv 2 .S Tab  Tv 2

(17)
 8 : Flux de rayonnement entre la vitre intérieure et la vitre extérieure

8  hr ,v 2v1. A Tv1  Tv 2

(18)
 9 : Puissance due à l’échange convectif entre la vitre intérieure et la lame d’air statique au dessus de
l’absorbeur

9  hc 2 . A Tab  Tv 2

(19)
 10 : Puissance due à l’échange par convection entre la vitre intérieure et la vitre extérieure.

10  hc1. A Tv1  Tv 2

(20)
II.3.3 Bilan énergétique de la marmite
U mar  11  12 13
(21)
U mar : Puissance thermique moyenne contribuant à échauffer l’absorbeur
U mar  mmar .cp al
Tmar
t
(22)
 11 : Puissance absorbée par la marmite
11   ab .S mar .Gg
(23)
 12 : Flux échangé avec le liquide à bouillir
12  me .cpe (Tmar  Te )
(24)
- 39 -
 13 : Flux échangé par convection avec l’absorbeur

13  hc 2 .S3. Tab  Tmar

(25)
II.3.4 Bilan énergétique de l’eau à bouillir
U e  me .cp e
me cp e
Te
(26)
t
Te
t

2   e H e .(Te  Tmar )
Log (
re
)
(27)
ri
II.3.5 Bilan énergétique de l’absorbeur
U ab  14  15 16 17
(28)
U ab : Puissance thermique moyenne contribuant à échauffer l’absorbeur
U ab  mab .cp ab
Tab
(29)
t
 14 : Puissance absorbée par l’absorbeur
14   ab .S .Gg
(30)
 15 : Flux échangé par rayonnement entre l’absorbeur et la vitre intérieure

15  hr ,abv 2 .S Tv 2  Tab

(31)
 16 : Flux dû à l’échange convectif entre l’absorbeur et la lame d’air statique.

16  hc 2 .S Tv 2  Tab
 17

(32)
: Flux échangé par conduction entre l’absorbeur et la paraffine

17  ab S .(Tab  T paraf )
eab
(33)
II.3.6 Bilan énergétique de la paraffine
U paraf  18
U paraf
(34)
: Puissance contribuant à échauffer la paraffine
U paraffine  m paraf .cp paraf
T paraf
t
(35)
- 40 -
 18 : Puissance échangée avec la paraffine

18  ab S .(Tab  T paraf )
eab
(36)
III. DISPOSITF EXPÉRIMENTAL
III.1 Le cuiseur
Figure 2 : photo du cuiseur
Le cuiseur étudié est une enceinte prismatique. Il comporte un double vitrage transparent et incliné de 15° par
rapport à l’horizontale. Il est isolé à l’arrière et sur les côtés.. Un réflecteur extérieur inclinable et quatre
intérieurs faisant 30° avec la verticale y sont aussi installés.
Le caisson en bois est essentiellement en contreplaqué renforcé par une ossature intérieure en bois dur.
Le double vitrage, de longueur 780 mm sur une largeur de 590 mm, est composé de deux vitres de type
commercial d’épaisseur 4 mm espacées de 20 mm. Cette couverture transparente est utilisée pour la création
de l’effet de serre et la limitation des pertes.
L’absorbeur est constitué d’une tôle d’acier peinte en noir mat et l’espace optimal qu’il faut laisser entre la
vitre et l’absorbeur est de 28 mm (en pratique entre 25 et 40 mm) *2+.
Nous avons choisi un isolant en fibre de verre de conductivité thermique de 0,034 W/m.K et le bac à matériau
est en acier.
3.2 La paraffine
La paraffine est utilisée comme matériau à changement de phase pour cette expérience. Elle est pure à
environ 99%.La température de fusion donnée par le manufacturier est de 52-54°C. Elle est transparente à
l’état liquide, ce qui améliore considérablement ses performances thermiques[3].
Tableau I : Propriétés thermophysiques de la paraffine
liquide
solide
liquide
solide
188
liquide
Paraffine
solide
Conductivit
Chaleur
Chaleur
Masse
é
Caractéristiq latente
spécifique volumique
thermique
ues
3
(kJ/kg)
(J/kg.K)
(kg/m )
(W/m.K)
52-54
0,232 0,15 2195 2950 900 814
- 41 -
IV. RESULTATS EXPERIMENTAUX
Une série de tests expérimentaux a été effectuée sous l’ensoleillement naturel au niveau du laboratoire
d’énergétique appliquée de l’école supérieure polytechnique de dakar. Ces derniers ont été effectués en
respectant les recommandations du standard ASAE S580 *4+, qui porte sur le test et l’évaluation des
performances de cuiseurs solaires.[5] Durant les différents essais, on mesure les paramètres suivants: la
température ambiante, la température de l’eau, la température de la marmite, la température de la paraffine.
Les températures sont mesurées à l’aide de thermocouples de type K. La marmite utilisée est en aluminium
peinte en noir mat. Les essais expérimentaux sont classés selon deux groupes à savoir sans paraffine et avec
paraffine.
IV.1 Essai sans la paraffine
IV.1.1 Essai du cuiseur sans paraffine le 25 novembre 2008
Le cuiseur est exposé au rayonnement solaire avec une charge 3kg d’eau mais sans la paraffine.
Figure 3 : Evolution des températures en fonction
du temps le 25/11/08 entre 10 h et 15 h 30
En charge, une masse d’eau de 3kg est utilisée dans une marmite en aluminium classique peinte en noir mat.
Les valeurs maximales des températures respectives sur la marmite et dans l’eau sont 92,5°C et 90,7°C. Les
valeurs de l’ensoleillement ne sont pas disponibles.
IV.1.2 Droite de régression
Figure 4 : Droite de régression de la puissance
normalisée
La valeur du coefficient de régression (0,99) prouve que l’essai a donné des résultats satifaisants contenu d’un
rayonnement théorique de 850 W/m2.
- 42 -
IV.2 Essai du cuiseur avec paraffine le 26 novembre 2008
Pour cet essai la marmite contenait 3 litres d’eau et au fond du cuiseur le avait 10 kg de paraffine 52-54. les
températures respectives de l’eau et de la parffine sont 81,5 °C et 58 °C.
A 15 h 30 mn, nous avons supprimé le rayonnement sur la couverture transparente dans le but d’évaluer les
capacités du cuiseur à conserver les températures. On peut dire que ce test est concluant car jusqu’au soir à
20 h , l’eau a une température supérieure à 50°C.
Figure 5 : Evolution des températures en fonction du temps à
partir du 26/12/08 à 10h
IV.3 Essai avec paraffine
IV.3.1 Essai du cuiseur le 03 janvier 2009
Pour cet essai nous avons relevé le rayonnement solaire. Sa valeur est de de 789,3 W/m 2 la température de
l’eau a atteint 85,9 °C et celle de la paraffine 58,8 °C.
L’évolution des températures et du rayonnement ont des tendances corrélatives.
Entre 13 h 30 et 16 h la température de l’eau est restée supérieure à 80 °C malgré une ch ute presque linéaire
de l’ensoleillement pendant cette période.
Figure 6 : Evolution des températures en fonction du temps à
partir du 03/01/09 à 10 h
- 43 -
IV.3.2 Droite de régression
Avec le rayonnement relevé, la droite de régression est tracée. Le coefficient de corrélation est de 0,93 (figure
7), comparé à la valeur de 0,75 définie par le protocole, on peut considérer donc le test valide.
Figure 7 : Droite de régression de la puissance normalisée
V. CONCLUSION
Les résultats des différents essais effectués sur le cuiseur sans paraffine ou avec paraffine montrent les
performances sont réelles. Le test sans paraffine a permis à la température de l’eau de s’élever jusqu’à 90,7 °C
dépassant la limite maximale de 90 °C fixée par les normes pour la détermnation du coefficient de
régression.*6+. L’ essai avec la paraffine du 26 novembre 2008 fait ressortir la capacité du cuiseur à stocker de
la chaleur à l’absence de rayonnement solaire à partir de 15 h 30. Cela est confirmé par le fait que la
temérature de l’eau est de l’ordre de 53 °C le soir à 20 h. c’est un résultat satisfaisant
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
[1] THIAM, A, : Stockage et récupération de chaleur dans un capteur à changement de phase : application à un
chauffe eau solaire, Thèse de Docteur Ingénieur, Ecole Supérieure Polytechnique, Université Cheikh Anta Diop,
Dakar, Sénégal, (2007).
[2] COULIBALY A., Etude du confort thermique dans l’habitat social en milieu tropical. Elaboration d’un logiciel
de simulation numérique et validation de ce modèle sur une cellule-test. Thèse de docteur ingénieur, Ecole
nationale Supérieure Universitaire de Technologie, Université Cheikh Anta Diop, Dakar, Sénégal, (1990).
[3] SECK, D., Déterminationdu front du front d’une plaque de paraffine 52-54 soumise à l’ensoleillement,
Mémoire de Master, Ecole nationale Supérieure Universitaire de Technologie, Université Cheikh Anta Diop,
Sénégal, p. 35, (2008 ).
[4] ASAE, ASAE S580: Testing and Reporting of Solar Cooker Performance , 2003
[5] BIERMANN et al, Solar Cooker Acceptance in South Africa: Results of a Comparative Field-Test, Solar Energy
Vol. 66, No. 6, pp. 401-407, (1999)
[6] SHUKLA, A., BUDDHI, D, SHARMA, SD., SAGARA, K. Accelerated thermal cycle test of erythritol for the
latent heat storage application. In: Proceedings of the EM4 Indore workshop IEA ECES IA, annex 17, pp. 21–24,
Indore, India (2003).
- 44 -

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