Étude numérique et expérimentale du transfert de chaleur dans un capteur solaire à perforations doté d'un collecteur transparent et opaque

Badache, Messaoud (2013). Étude numérique et expérimentale du transfert de chaleur dans un capteur solaire à perforations doté d'un collecteur transparent et opaque. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L'intérêt pour le chauffage solaire de l’air s’est traduit depuis quelques années par l'apparition sur le marché d’un bon nombre de systèmes, parmi lesquels on trouve les capteurs solaires perforés non vitrés mieux connus sous le nom anglais « Unglazed Transpired Collector» (UTCs) et les capteurs solaires à vitrage perforé «Transparent Transpired Collector» (TTCs).

Cette thèse a pour but d’étudier les performances thermiques de ces deux systèmes de chauffage solaire de l’air. Pour répondre à cet objectif, ce travail est structuré en trois parties qui vont constituer les principaux axes de la thèse.

Premièrement, la méthodologie des plans d’expériences a été utilisée dans le cas d’un UTC. Le plan adopté utilise au minimum trois niveaux pour les facteurs expérimentaux. La démarche suivie dans cette partie est bien adaptée à la modélisation et l’optimisation des performances thermiques de l’UTC. Pour ce faire, un prototype de mur solaire à perforations UTC a été construit et instrumenté au Centre de technologie thermique (CTT). Des mesures expérimentales de température, rayonnement et vitesse d’écoulement d’air ont été réalisées, selon la stratégie définie par le plan d’expériences. L’analyse du plan expérimental a permis, entre autres de quantifier l’influence de quatre paramètres sur le rendement de l’UTC étudié. De plus, un modèle statistique permettant de prédire le rendement de l’UTC a été établi. Ce modèle est par la suite optimisé grâce à une représentation graphique par des courbes de surfaces de réponse. Une combinaison optimale de quatre paramètres est obtenue, pour un rendement compris entre 70% et 80%.

Deuxièmement, une modélisation numérique bidimensionnelle (CFD) d’un prototype d’UTC est proposée pour l’étude des performances thermiques. Le modèle numérique est basé sur la résolution des équations de Navier-Stokes, en moyenne de Reynolds (RANS) couplée à l’équation de conservation de l’énergie. Les résultats numériques ont été comparés à des résultats expérimentaux obtenus sur un prototype conçu et instrumenté à cet effet. Les résultats de simulation CFD indiquent une bonne concordance avec les résultats expérimentaux. Une analyse détaillée du transfert de chaleur entre l’air et la plaque a permis de constater que la quantité d'énergie échangée dans le plénum est faible par rapport au taux de transfert thermique dans les perforations et sur la face de la plaque exposée au rayonnement solaire.

Troisièmement, la méthodologie des plans d’expériences a été utilisée de nouveau pour le cas d’un TTC. Bien que la démarche suivie s’apparente à celle utilisée dans le cas des UTCs, les objectifs et les résultats obtenus sont différents. L’utilisation du plan factoriel a permis d’évaluer l’influence de cinq paramètres (l’épaisseur du plénum, le pas entre les fentes, la largeur de fentes, le débit massique, et l'irradiation solaire incidente), y compris les interactions, sur le rendement d’un TTC. Les résultats montrent un effet prépondérant du débit d’air d’aspiration sur le rendement du TTC par rapport aux autres paramètres. Une augmentation du débit provoque une augmentation du rendement. L'augmentation de l'irradiation, de la largeur du plénum, de l’espace entre les fentes, et de la largeur des fentes semblent tous avoir comme effet de diminuer le rendement. Les interactions entre les paramètres ne sont pas très prononcées. L’interaction la plus importante est celle entre la largeur du plénum et la largeur de la fente.

Les résultats de ces travaux sont présentés dans cette thèse sous forme de trois articles. Le premier article est publié dans la revue Solar Energy, le deuxième est accepté dans cette même revue et le troisième a été soumis à Energy and Buildings. Cinq autres articles ont été publiés dans des comptes-rendus de conférences avec comité de lecture. Ces articles sont disponibles en format pdf sur le site de la chaire de recherche t3e (www.t3e.info). Ces travaux s’articulent principalement en cinq parties distinctes qui seront détaillées dans les différentes sections de la thèse.

Résumé traduit

Solar Air Heating systems are becoming more and more popular as they provide many possibilities for energy savings and for preheating air in various applications. They use solar energy to heat and ventilate indoor air spaces. Interest in solar air heating systems development has grown in recent years, motivating the development of new environmental energy devices; among these devices we can found the Unglazed Transpired Collector (UTCs) and the Transparent Transpired Collector (TTCs).

The objective of the work presented in this thesis is to study the thermal performance of these two solar air heating systems UTC and TTC. This work is structured in three main parts:

First, the methodology of design of experiments was used in the case of a UTC. The plan adopted uses at least three levels experimental factors. The approach is well suited to model and optimize the thermal performance of the UTC. A UTC prototype has been built in the Centre of thermal technology (CTT) at École de technologie supérieure. Experimental measurements of temperature, radiation and flow rates are achieved, according to the strategy defined by the experimental design. The experimental design methodology has allowed to determine the influence of four parameters (the absorber coating, the mass flow of air through the perforations, hole diameter and the irradiation intensity) on the efficiency of the UTC. A quadratic polynomial model for the efficiency was established, and it is shown to explain 95.47% of the output result’s variability. Various diagnostic tests (residuals analysis and analysis of variance (ANOVA)) were used to assess the validity of the best-fit model. Finally, the developed model was optimized using response surface representations. An optimum combination of the four parameters under consideration was obtained for collector efficiency of between 70-80 %.

Second, we studied in depth the thermal efficiency of an unglazed transpired collector both experimentally and numerically. Experimental investigations were carried out in a laboratory with a controlled environment. Measurements of temperatures, air velocity and irradiance were performed for three air mass flow rates, three distinct irradiances and two plenum thicknesses. Perforations in the form of slot were selected to enable a comparison with 2D numerical simulations. Meanwhile, a commercial finite volume software was used to model the heat transfer and air flow through the collector. The CFD simulation shows good agreement with experimental results. Numerical modeling has provided a detailed analysis of heat transfer through the UTC. It was found that a weak heat exchange process took place in the plenum: the maximum efficiency difference between the two plenum thicknesses (5 and 15 cm) was only 3.25%.

Third, the goal of this last section is to provide measurements from a reduced-scale prototype that can be used to estimate the thermal performance of a transpired transparent collector (TTC) and to study, the influence of five parameters (the plenum thickness, the pitch spacing, the slots width, the air mass flow rate, and the incident solar radiation) including interactions in terms of collector efficiency. To determine these parameters effects, this experimental work uses a multi level full factorial plan of replicated 48 tests. It is found that the air mass flow rate has the strongest effect on the efficiency of the transparent transpired collector. The irradiation, slots width, pitch spacing, plenum thicknesses seems to have a moderate effect.

The thesis is presented in the form of three articles. The first article is published in the journal Solar Energy, the second is accepted in the same journal and the third was submitted to Energy and Buildings. Five other articles have been published in conferences with reviewing committee. Pdf versions of these papers are available on the site web of the technologies of energy and energy efficiency industrial research chair (t3e) (www.t3e.info). This work is based on five distinct parts which are detailed in the various sections of the thesis.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse par articles présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Bibliographie : pages 155-165.
Mots-clés libres:	Capteurs solaires. Chaleur Transmission. Chauffage solaire. Équations de Navier-Stokes Solutions numériques. air, collecteur, CTT, mur, opaque, transparent, TTC, UTC
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Rousse, Daniel R.
Codirecteur:	Codirecteur Hallé, Stéphane
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	12 nov. 2013 16:27
Dernière modification:	11 août 2017 18:39
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1210

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