conception et réalisation d'un chauffe eau solaire · 2011. 1. 20. · conception et...

REPUBLIQUE DU SENEGALIVE {SITE IIEIKH ANTA DIOP DE DAKAR

OerEcole Supérieure Polytechnique

Centre de THIES

DEPARTEMENT GENIE MECANIQUE

PROJET DE FIN D'ETUDES

50,g

,1.;,

;"."

f<

EN VUE DE L'OBTENTION DU DIPLOME D'INGENIEUR DE CONCEPTION

Titre: CONCEPTION ET REALISATION D'UN

CHAUFFE-EAU SOLAIRE

Auteur :

Directeurs

Alioune Diop SY

Professeur SalifGAYE

Professeur A lassane DIEN E

Professeur Ngor SARR

Président du Jury: Dr Mamadou SARR chef département Génie Civil

Année: 2006/2007

Cuncepl ion el Réalisation d'lin chal/iJe -eali solaireESPITIlIES

DEDICACE

A

Mon père lhrahima SY

A-Ia m èreNdeye Ami SENE

iHa lata Sucé DiOP

El à /OU.\' mes frères et soeurs

Présenté pa,. Alioune Diop SY2()07

2006 /

Conception et Réalisation d'IIII chauffe-eau solaireESPITIflES

REMERCIEMENT

J'aimera i. exprimer toute ma reconnaissance aux personnes qUI ont contribué il

l'accomplissement de ce travail. Plus particulièrement :

:.- Le Dr Sali f GAYE, chef de départemen t GEM, pour J'intérêt qu' il porte au sujet, son

encadrement et son S( uiien continu et la mise il notre dispo. ition de document s de

base.

,. Ml' Alassane DIENE, Ingénieur chef atelier mécanique, pour l'intérêt qu'il porte au

sujet, son encadrement et son soutien continus et la mi. e à notre disposition de

documents de base et de moyens techniques, ain i que sa grande disponibilité.

,. Le Dr Mamadou SARR, chef de département Ge, pour l'intérêt qu'il porte au sujet,

son soutien continus et la mise à notre di position de documents de base.

,. Ml' Marnadou SECK, agent il la CERER. pour l' aide bibliographique et la

supervision de l' étude.

, Le Dr Ngor ARR, enseignant à [' E P, pour son soutien dans la correction du

document.

, Le Dr lbrahima TD rAYE~ enseignant à l'E8P.. pourson soutien dans la correction du

document.

).- Mme FALL Aline GOMEZ, secrétaire du CSA de l'EPT. pour la mise il notre

disposition de matériel d' impression.

Présenté par Allonne Diop sr2007

2006 /

Conception el Réalisation d'un chauffe-eau solaireESPITHIES

SOMMAIRE

Dans un contexte de hausse de coût et d'insuffisance de l'énergie. nou nous sommes

proposés de répondre aux besoins en eau chaude sanitaire d'une famille de 15 personnes à

un coût abordable; ceci par le biais des énergies renouvelables du fait de leur disponibilité.

Nous avons utilisés précis ément l'énergie solaire .

e projet vise à contribuer, de manière pratique, il l'application des connaissances acquises

ces troi dernières années par la concept ion et la réalisat ion d'un chauffe-eau solaire.

Une élude détaillée des besoin et des facteurs d'influences (saison, jour de la sema ine,

niveau de vie, etc.) de eux-ci à permis d'en faire une évaluation précise . Nous avons ainsi

pu déterm iné la . urface de l' insolateur et le olume du réservoir nécessaires . Et donc, après

un choix judic ieux des matériaux, nou avons fait le design de notre modèle de chauffe-

eau.

Après celle étape de conception, nou. vons réalisé et exp ériment é notre .hauff e-eau. Les

test menés sur notre produit permetten t de constater l' efficacité de celui-ci. En effet, il

répond aux exigences de fonctionnalité (température minimale de 50 "C au niveau du

réservoir).

Une analyse économique a permis de voir la compétitivité de notre produit sur le marché

olaire et a plus gronde rentabilité par rappor t au chauffe-eau électrique.

Le contrôle du produit s'est fait il l 'aide de thermocouple Chromel-Allumel. Nous avons

ainsi tracé J'évolution de la température en fonction de l' heure il trois différents points

(entrée capteur, ortie capteur et réservoir). Ces me lire. ont été effectuée sur trois jours

après vidange et remise en service, Pour l'étude économique nOLIs avons utilisé le délai de

récupération ct le critère de la VAJI\.

Présenté par AliOlI11l! Diop SY2007

2006 1

Conception el Réalisation d 'un chauffe-eau solaireESPITlIJES

Mots-clés : Energie; renouvelable ; Chauffe-eau; So laire; Conception ; Réalisation ;

Insolateur ; Design : Efficaci té ; Expérimen tation; Thermocoup le; Tempéra ture.

TABLE DES MATIERES

LISTE DE ' SYMBaLES ----------- --------------------------------------------------------------- i

LISTE DE ' FIGURES -- ----------- ----------- --------- -------------- ---------------------------- iii

LISTE DES TABLEAUX -------------------------------------------------------------------- v

ANNEXES ------------------------- ----------------------------------------------------------- v

INTRouUCT ION -------- ------ -------- ------------------------------------------------------- - 1

CHAP ITRE 1GENERA LITES SU R LES I-li\UfFE-EAUX SOLA IRES ------ ------------

1.1 LES PHENO MENES PHYSIQUES MIS EN JEU --------------------------------------3

1.1.1 La conduct ion ------------- ------- --------- ------ -------- ----------------------- --- -- 3

1.1 .2 La convect ion - ---------------------------------------------------------------------------41.1.3 Transferts combinés ---------- ----------- ------------------ ----------------- -- ----------- 6

1.1.4 Le rayon neme nt-- ---------------------------------------------------------------------- 7

1. 1.5 L'effet de serre ---------------------------------------------------------------------- 8

1. 1.6 L' effet thermos iphon----------------.----.--------- --------------------------------.- 9

1.2 LE CAPTEUR-----------. _----------------- ------.----------------------------._- --._-------- 9

1.2.1 Le Principe de fonct ionne ment - ------------.-- -------- --- ----------- -- -------- --- 10

1.2.2 Les types de capteurs-------------------------- --·-------------------------------- ----- 10

1.2.3 Le choix d'un modè le de capteur----------------------------------------------- 13

1.3 LE RESERVOIR ET LES CANA LISATIONS -------------------------------------- 14

1.3. 1 Le réservoir ------------------------------------------------------------------------ 14

1.3.2 Le canalisat ions ----------------------------------------------------------.----- ---- 15

lA BILAN TH . RM IQ UE ------------.--------.-------------------------------------- 15

J.4.1 Mécan isme de per tes ---------------------.------------------------------------.-------- 15

f.4.I .1 Pertes par conduction -------------------------------------------------- ------- 15

1.4.1.2 Peries par convect ion ----- -------------------.--------------------------------- 16

1.4.1.3 Pertes par réérnission ------------.-----------------------------.---.------------ 17

1.4.1.4 Pertes par réOexion-------------------------------------------------- --------- 18

1.4.1.5 Pertes totale ' ------ ---------------------------------------------------------- 18

Prés enté par ïlloune Diop sr2007

2006 1

Conception et Réalisation d'lin chauffe-eau su/aireESPITIIIES

1.4.2 Calcul du rendement ------------------------------------------------------------------ 18

J.5 MODE DE rONCTIOI\TNCNT D"UN CHAUFFE-EAU SOLAIRE-------------------- 20

1.5.1 Mode de circulation ---------------------------------------------------------------- 20

1.5.1.1 Circulation nature lle (par thermosiphon) -------------------------------------- 20

J.5.1 .2 Circulation forcée (par pompe)------------------------------------------------- 21

.1.5.2 Types de stockage ----------------------------------------------------------------- 22

1.5.2.1 Stockage avec échangeur : système adeux flu ides --------------------------- 22

1.5.2.2 Stockage sans échangeur : système Li un fluide -------------------------------- 22

CHAPITRE Il DJME SIOr--"'NEME T -------------------------------.----------------------- 23

Il.1 ETUDE DES BESOIN ------------------------------------------.-----------.--------- 23

11. 1.2.1 Besoins en fonction des habitants ------- -------- ------------------- -------- --- 25

Il.1.2.2 Besoins en fonction des logements et des équipements ----------------------- 25

11.2 CHOIX DES MATERIAUX ----------------------------------------------------------- 28

1I.2. l Le vitrage ------------------------------------------------------------------------------ 28

11.2.2 L'absorbeur et le . erpentin ----------------------------_.----------.-------------.-- 29

Il.2.3 L' iso la1ion ----------------------------------------------------------------------------- 29

11.2.4 Le cadre (ou coque) ------------------------------------._------------------------------ 29

/l .2.5 L'enveloppe intérieure du réservoir-·-----------_·---------------------------------- 29

11.3 DIMENS10r--.fNEMENT DU CAPTEUR------------------------------------------------ 30

1r.3.1 L'ab. orbeur ---------------------------------------------.----.----------------------- 30

Il.3.2 Le serpent in-------------------------------------------------------------------------- 30

Il .3.3 L'isola tion ----.------------.--------------------------------------------.----------- 32

Il.3 .4 La coque -----------.-------------------------------------------------------------- 33

Il .4 D lM ENSla t\fNEM ENT DU RESERva1R------------------------------------------- 33

Il.4.1 L"enveloppe intérieure -------------------------------------------------------------- 33

II.4.2 L' isolant --------------------------------------.------------------------------------ 34

Il.4.2.1 Les pertes nocturnes q -------------------------------------------------------- 34

II.4.2.2 L' épaisseur e de 1" isa lant--------------------------------.-------_.------------- 35

Il . - APPLICAnON : 'as particulier du domicile de la fami lle SARR --------------------- 36

Il.5. 1 Définition du cahier de charge ------------------------------------------------- 36

Il.5.2 Dimensionnement dl! modèle ---------------------------------------------------_.- 36

II.5.3 Design du modèle--------·---------------_·_--------------------------------------- 37

CHAPITRE 1Il REALISATIO ,1/'\ TALLt\TlON ET EXPERIMENTATIO/,\ ------------- 41

Pr ésent épar Alioune Diop sr2007

2006 /

Conception et Réalisation {J'IIII chauffe-eau so laireESPffl-f/ES

111. 1 REALISATION ---------------------------------------------------------------------------- 41

1I1.1.1 Réalisation du capteur-------------------------------------------------------------- 41

III.1.2 Réalisation du réservoir------------------------------------------------------------ 41

IIJ.2 INSTALLATION-----------------------.----------------------------------------- 42

II1.2.1 Implantation du capteur-------------------------------------------------------------- 42

II1.2.2 Raccordement de ln tuyauterie-------- --------------------------- ------- - - -------- 42

111.3 ETUDE EXPERI1vl ENT1\LE -- ------- ---------------------------- --- ------------ -------- 43

111.3.1 PRIN IPE 0 . L'ETUDE------------------------------------------------------ 43

Il1.3.2 MONTAGE EXPERIMEKTAL - ------------------------------------------------ 43

111.3.3 RESULTATS ET INTERPRETATIO ~ S -- -- -- ------- --- --- - - --- --- ---- - ------ --- 44

CHAPITRE IV ETUDE ECONOMIQUE ---------------------------------------------------- 53

IV.! EVALUATIO 1 ECO ' MIQUE DU 'HAUITE-E1\U SOLAIRE ---------------- 53

IV. l .1 Capteur plan------------------------------------------------------------------------ 53

IV.I .2 Ré. ervoir de stockage---------------------------------------------------------- 54

IV. 1.3 Accessoires de plomberie - --------------- ---------------------------- ------------- 54

IV. lA Main d' CCLI re et tmnsport------------------------------------------------------- 55

IV.I .5 Prix de revient du hauffe-eau------- ---- -------- --- --- ------- -----------------_.-- 55

IV.2 DELAI DE RECUPERATION DE L'INVESTISSEME ;T (DRC) ------------------ 56

IV.3 COMPARAISO ; EN'TRE LES CHAUFFE-EAUX SOLAIRE ET ELECTRIQUE- 57

CO CLUSION ----------------------------------.------------------------------------------- 58

BlBLIOGRAPH1E-- ----------- ------------------- ----------- ------------------------------- --- 59

WEBOGRAPHlE ------------------------------------------------------------------------------ 61

ANNEXES---- --------------- -------- -------------------------------- ------- --- ---------------------- a

Présenté par Alioune Diop SY20()7

20(}6 /

2006 /

Concep tion et R éaliso üon d 'un chauffe-eau solaireES?rrIlIES

LISTE DES SYMBOLES

Lettre ' latine

a: diffu ivité thermique supposée constante en 11/2.S - 1

A : surface de ' in, olateur en m2

Ah : aire du fond capteur

A~ : la surface d'échange en 11/;

AI : aire du fond et latérale du capteur

C : besoins jo umalier. en kWhJj

CI = 3.74 x IO~ W.!-un4/m!

C; - 1,6729 x 104 um.K.

C [1 : chaleur massique de t' eau

D : diamètre erpentin en m

I! ; : épaisseur de 1ï. olation

E: l'ensoleillement en kWhJm2.

j

e.,; épai l'ur de l' absorbeur

eh : épai seur du cadre

e; : dé igne l'épaisseur de la couche if : de besoins ouverts pendant 1 période la plus d éfa oris ée en %

g : acc él ération de la pesanteur en rn/s'

h : coefficient d' échange convectif en W.1JI -'.-c'.Il: distance entre le deux plans médians horizontaux du réservoir et du capteur en mh. : le coefficient d'échange convectif relatif au fluide jJ : coefficient global de pertes de charge dans le conduites de circulation

M : émittance d' un corps

m : mas e d'eau

1" : émittance du corp norr

Pdi [1<Jnibk : pression disponible dans le réseau en mee

PI: pre sion ré iduelle en mee

Pu: puissance utile

q : source de chaleur en JJ!:m,J.

if :désigne le débit de base de l'appareil des ervi en Ils

\1 : quantité de chaleur

Présent épal' Alioune Diop sr2007

Conception et Réalisat ion d'/111 chauffe-eau solaireESPITIIIES

ri : rayon intérieur du r éservoir

T : t~mpérature en "C ;

t : variable temporelle en econde en . :

TI : température de la surface absorbante

T2 : température de la surface inférieure du cadre

T,. : température de la urface lat érale du cadre

TI : température ala sur ace de 1ï olant au niveau des flancs

T" : températur de la vitreV: vitesse d 'écoulement du fluide donn ée pur la formule en mis

V, : volume de stockage

x : variable d'espace en mètre en Hl

Lettres grecques\ h : d énivetlatlon entre le point de puisage et le point le plu bas de la canalisationlIT : la diffé rence de température entre la urface de la paroi du solide et le fluide loin de la

paroi en oc.E : émis ivité

ë l : émissivité de l'a bsorbeur

El . émi: sivit éde la vitre

ç: longueur cl 'onde en um

'l'Y' : rendement du syst èrne

() : température absolue en K

1. : onductivité thermique en W.m I.K 1

i." : conductivité thermique de l 'absorbeur

Î'fûr : conductivit é thermique de ('ai

h : conductivité thermique du cadre

I.i : la conduct ivité de ln couche i

;.;: conduct ivité thermique d l'i so lation

p : ma s volumique en kg.m-1

•

pc: masse volumique de l'eau chaude en kg/m'

PI: mas. e volumique de l'eau froide en kg/m'

pm: masse volumique moy nne de l'eau en kg/rn'

cr= 5,6697x10·M H'.m-2.K- 1: constante de TEFAN -BOLTZM

Présenté par Alioune Diop sr2007

I l 2006 /

Conception el Réalisation d '/111 chauffe-eau solaireESPfTlllES

LISTE DES FIGURES

figure 1-1 : Conduction il traver un mur .4

Figure 1-_ : Convection au niveau de la surface d'un mur 5

figure [-3 : Conduction et convection combinées /)

Figure 1-4 : Spectre d'émission du soleil l l] sFigure J-5 : Description schématique de l' effet de . erre 1)

Figure 1-6 : Capteur plan vitré Il

Figure ]·7 : apreur non vitré 12

Figure I-i< : Capteur sous vide 13

Figure 1-9 : Modèle de capteur plan vitré 14

Figure [-10 : M écanis me J e pertes 15

figure 1- 11 : Perte par convect ion 17

Figure 1- 12 : Rendement d'un insolateur à absorbeur peint en noir 19

Figure 1-13 : Fonctionnement en thermosiphon 20

Figure 1-14 : fonctionnement avec circulateur 21

Figure ]-15 : Stockage avec échangeur 22

Figure 1-16 : Stockage sans échangeur. 22

Figure 11-1 : Variation de la con omrnation d'cau chaude en 23

Figure 11-2 : Variation de la consommation d'eau chaude en fonction des jours et l'heure

de ln journée 24

figure 11-3 : Schéma de l' ab orbeur 31

Figure [1-4 : Vue partielle de l' i olation du capteur 32

Figure lI-S : Répartition des temp ératures autour de l'isolation de réservoir 34

Figure 1I-6 Planning d'utili arion de l'eau chaude 36

Figure 11-7 : Vue éclat ée du capteur 3R

figure 11-8 : Vue en coupe du réservoir 39

Figure III· J ; Bouchon avec thermocouple (sortie capteur) 44

Figure 111-2 : Bouchon avec thermocouple (réservoir) 44

Figure 11[-3 : Graphe de température. pour le mercredi. .46

Figure J1I-4 : Graphe de temp ératures pour Je Jeudi .47

figure 111-5 : Graphe de températures pour le vendredi .48

Figure III-ô : Graphe de températures en entrée capteur .49

Présenté pal' Alioune Diop SY III 2{)(}6/2(}07

Concept ion et Réalisatioll d'un efwu./Je-eau solaireESPfTlllESFigure 1Jl-7 : Graphe de températures au niveau du réservoir 50Figure III-X: Graphe de température. en sortie capteur 51

Prés enté par Alioune Diop SY2007

IV 2006 1

Conception et Réalisation d 'un chauffe-eau solaireESPITIIIES

LISTE DES TABLEAUX

Tableau 11· 1 : Be. oins journalier par personne en l/j 25

Tableau 1I·2 : Besoins d'eau chaude par équipement sanitaire 26

Tableau 11-3 : Dimen ion de base du modèle 36

Tableau (JI-l : Relevés de températures 44

Tableau IV-I : E aluation du prix de revient du capteur 53

Tableau IV-2 : Evaluation du prix. de revient du réservoir. 54

Tableau IV·3 : Evaluation du prix de re ient de accessoires de plomberie 54

Tableau TV-4 : Coût supplémentaires 55

Tableau IV-5 : Prix de revient de notre chauffe-eau 55

ANNEXES

ANNEXE 1 : VARIATION DES FA .TEUR DE R -FLEXION. DETRA MI STaN

ET D'ABSORPTION DU VERRE ORDTNA IR · E . FO CTION DE L'INCIDENCE DU

FLUX SOLAIRE a

ANNEXE 2 : LASSIFICATlO PAR FORME DES SERPENTI rs I. l ] b

AN EXE 3 LISTE ISOLA 1'5 c

ANNEXE 4 MISE A L'EPREUVE DU RESERVOIR (enveloppe interne) d

A EXE 5 Dessin de définition du modèle 1

ANNEXE 6 LA REALISA1'10 Et IMAGE rn

ANNEXE 7 THERfvl0COUP LE v

Présenté par Al ioune Diop SY2007

v 2()()6 1

Conception et Réalisation d '//1I cho//ffe-eau solaireESPITIIIES

Présenté pur Allonne Diup sr20m

VI 2006 1

Conception et Réalisation d'un chauffe-eau solaireESPITfrlES

INTRODUCTION

Actuellement, l'u n de défis majeurs mondiaux est la maîtrise de l' énergie du fait que

l'énergie pétrolière, qui se trouve être la plus ut ilisée, devient de plus en plus chère et tend

à se raréfier. De plus l'u tilisation du pétrole comporte des risques pour l' environnement.

C'est pourquoi dans le souci d'économiser de l' 'nergie et de limiter J'émission des gaz il

effet de erre, on trouve une grande motivation à s'orienter vers les énergies dites

renouvelables telles que le oleil, le vent, l'eau et la biomasse qui sont in épui ables grâce

au cycle naturel, L'énergie solaire est utilisée depuis longtemps pour répondre à un certain

nombre de besoins thermiques, notamment, le . échage, la cuis on. le chauffage de l'ea u

domestique et de piscines, le dessale ment des eaux saumâtres, la stérilisation et la

réfrigération.

L' eau chaude sanitaire constitue un volet important dans la recherche de confort des

per .onnes. Cependant, on obtention demande une quantité d'énergie considérable. ous

adopterons donc la solutir n du chauffe-eau solaire compte tenu de es a antages

économiques et environnementaux plutôt que les ystèmes à accumulation ou

thermodynamique,

Ce projet vise à mettre en place un chauffe-eau olaire pour usage domest ique répondant

au besoin quotidien en eau chaude sanitaire à un coût abordable .

Une analyse des capteurs exi tanis et une évaluation des propriétés thermiques de

matériaux constitutifs complétée par une étude économique permenronr de propo er un

modèle de chauffe-eau qui convient face aux exigence précédemment citées.

Pour ce faire, nous ferons cette étude en évoquant dans un premier temps quelques

générali tés sur le chauffe-eaux (principe général. capteur. réservo ir, etc.), ensuite nous

proc éderons au dimensionnement de ' différents const ituants, la réalisation const ituera la

dernière partie.

Présent épar A lioune Diop sr2007

]()06 1

Conception et Réalisation d 'lin chauffe-eall solaireESPITIfIES

Présenté par Alioune Diop SY2(}()ï

2 2006/

Conception et Réalisation d'un chauffe-eau Sr

ESPlTlllES

CHAPITRE 1 GENERALITES SUR LES CHAUFFE-EAUX

SOLAIRES

1.1 LES PHENOMENES PHYSIQUES MIS EN JEULe chauffe-eau solaire est une unité de production d'eau chaude à part ir du rayonnementsolaire . Ce système se compose d'un capteur claire, généralement placé sur les toiture ,qui capte l' énergie sola ire pour éleve r la température de l'eau pré ente dans une tubulure leparcourant et d'un ré servoir pennettant de stocker l'eau chaude . Son fonctionnementrepose ur e principe de l'effet de sene.L'échange thermique est un transfert d 'énerg ie sous forme microscopique désordonnée . Ilintervient lorsque deux corp. ont à des températures différentes, Il existe trois modes detransfert de chaleur : la conduction, la convection et le rayonnement.Dans ce paragraphe, nou nou. proposon de donner quelques rappels sur ces phénomènesqui ont à la base du principe des chauffe-eau cla ires.

1.1.1 La conduction

Ce t le mode de tran fert de chaleur dan un corps solide. Il obéit il la loi de pourier quistipule que la densité de flux de c ialeur est proportionnelle au gradient de température.Cette loi s'écrit, pour la conduction 1D :

fi' =-À . gradl'

ê)2r _ ~T- 1 dT

ax ~ - ~ - -;; iliou

Â(1 =-- dé igne la diffus ivit é thermique suppo: ée constante en

px c

T : la temp érature du point M du corps en CJ • :

t : la variable temporelle en . econde en s ;

x: la variable d'espace en mètre en rn ;

(1)

2 -1I1/ .S ;

Â : la conduct ivité thermique en c'est une grandeur physique qui

caractérise la capacité des matériaux il résister au passage de la chaleur ;Présenté par AlimUlè Diop sr 32007

2006/

Concep tion et R éalisation d'un chauffe-eau sESPlTIIIES

p : la masse volumique en kg .m-·1

•

Sens du nu,'

(3 )

Figure 1-\ : Conduction tru ver s un mu r

Dans le cas d' une conduction avec source interne de chaleur, l' équation (2) devient :

~T _ 2-aT +1. =011 al .Â.

où

q représente la .ource de chaleur en rV./II·3.

1.1.2 La convection

C'est un échange de chaleur entre une . urface d'un elide et un fluide. les deux étant à des

températures différentes.On distingue e sentiellement deux type ' de convect ion : la onvection naturelle et laconvection forcée.

a) La convection naturelle:Aussi appelée convection libre, elle caractérise le mode de transfert où le fluide se déplacesous l' effet de la variation de masse volumique.

b) La convection forcée :

Présenté par Allonne Diop SY2007

4 2(J{)6 !

Conception el Réalisation d'un chauffe-eau solaire

esrmtusLa convection est dite forcée lorsque le mou ement du flu ide est imposé par un élément

extérieur (pompe. ventilateur. . . .).

F lu id

Tf

Figure 1-2 : Cnnvectl nn IlU niveuu Ile ln surface d ' un mu r

Ce mode de transfert de chaleur met en jeu une quantité de chaleur Q" (en W) qui est

donnée par la formule de NEWTO -RIEMi\N

Q.. =h X A, xAT (4)

où

Il : représente le coefficient d' .change convectif en Wm!.-c',A,>: la surface d'échange en ,,/ ;

l IT: la différence de température entre la surface de la paroi du solide et le fluide loin de la

paroi en oc.

Notons que Il se d étermine par l' interm édiaire de corrélations empiriques fai am intervenir

des nombres adimensionnels d étermin és à partir des propriétés du fl uide, que l'on ne

traitera pas dans ce projet.

Présenté pa/" Allonne Divp r200 7

5 2006 1

Çanception et Réa lisation d'lm chal/lIe-eau . v/aire

ESPITIIIES

1.1.3 Transferts combinés

En général la conduction se combine à ln convection faisant ain. i intervenir un facteur

appelé coefficient global d'échange de chaleur.

1 Sens du n u, T.

e l_-~·14-----·r----.l

el14

Fil:urc 1-3 : Conduction ct cnnvectiun combinée

Pour une paroi con. tituée de n couches, ce coeffi cient, souvent noté heq, e t donné par la

relation :

h = 1 _

, ,~ 1 +L/ ' + ~h, , Ii, h..

(5)

où

er: désigne l'épaisseur de la couche i

).j : la conductivité de la couche i

J'J : le coefficient d'échange convecti relatif au fluide j

Ainsi, la quantité de chaleur tran mise s écrit :

Q ="0'" X If,. x (T; - T,) (6)

Présent ép ar Alioune Diop sr2()()l

6 :!0061

Conception et Réalisation d'un chauffe-eau solaire

ESPITIIIES

1.1.4 Le rayonnement

.ontrairement aux autres forme de transfert d chaleur, le rayonnement est un mode

d'échange thermique entre deux corps. épur és par le vide ou par un milieu non matériel,

par le biais d'onde électromagn étiques,

Dans celte étude, nous nou intéressons particulièrement au rayonnement solaire ,

Cependant, nous allon rappeler quelques notions sur le rayonnement thermique.

a) Le corp noir :

Ce. t un oncept théorique qui désigne un corps qui absorbe tour rayonnement qui lui

parvient il ne réfléchit et ne transmet rien.

L'énergi e émise par un corps noir e t donnée par la relation de STEFI\N-BüLTZMI\

Q=crxA, xT ' en IV (7)

avec

cr =5,h6Q7x IO-AW.m-~ X- I est la constante de STE FA '-BOLTZMAl'\l\ ;

/l ,. : surface d' échange en m! ;

T : température absolue en K.

On définiL aus i :

( )Mo.; = _~ ( c.1,t1 1.) en~ x e -

_L' émittance M qui représente la puissance érn i e pa unité de surface sur toute la gamme

de longueur d'ondes. L'émittance spectral !v'o). d'un corps réel est inférieure à celle du

corps noir, elle est donnée par la loi de PLI\ 'CK :

CI

avec :

ç= longueur d'onde en urn ;

U= température absolue en Kelvin (K) ;

Cl = 3,74 " 108 W. um-l/m" ;

Cl = 1,6729 x 104 um.K.

_ L'ém i sivité E . t le rapport entre I' érninance M d'un corps et lérniuance M" du corps

noir li la m ême temp érature, on a :

Mt" - -

!d ll

L' érniuance du corps noir e t donné par : 11,4" = (T.T'b) Le rayonnement solaire:

(9)


7 2006 /

Concept ion et Réalisation d'lin chauffe-cau solaireESPITIIIES

Situé ù environ 150 millions de kilomètre de la terre, le soleil est une étoile de 750000

km de rayon qui émet 3,85. J 026 W par seconde. on rayonnement est un rayonnemen t

électromagné tique assimilé à celui d'un corps noir à 5770 K. " rayonne uivant des

longueurs d'ondes principalement comprises entre 0,3 et J micromètre.

O, l p O,25 ~ o,4F . O.l 5p 'p 4p IOp

Ultra-V io lot ,~~ _ ,- Inf @-6 1'>lJ>Jc __

L-_'·_H;lYOnn p.~~ ;; l_~Q.1~0_ _ .tFlgur e 1-4 : Spectre d' émlsslou du soleil [II

L'éclairement énergétique ou irradiance défini par le flux de rayonnement

électromagnétique, par unité de surface. incident sur un plan donné, dépend de plusieurs

facteur : la saison, l' heure, la latitude du lieu considéré. l' altitude de ce lieu, mais surtout

de l'état de l'atmosphère et de l' angle d' incidence.

On défini t aussi la con tante solaire comme étant t'éclairement énergétique d'une surface

normale aux. rayons . olaires et située li la limite de l' atmosphère. Sa valeur est estimée à

1353 W/n{

1.1.5 L'effet de serre

Une grande partie de l' énergie solaire est retenue par l'atmosphère et certains gaz qui

y sont présents. ceci permet d' avoir à ta surface de la terre une température moyenne de

15°C au lieu de -18 C en l'absence de J' atmosphère.

Ce phénomène naturel de réchauffement est appelé l'effet de serre . Il a favorisé la vie sur

notre planète.

Mais avec l' évolution industrielle, l'homme rejette une grande quantité de gaz dit gaz ft

effet de serre car participant à la rétention de rayons sola ires. Parmi ces gaz on

a principalement :

les gaz non artificiels tels que : la vapeur d'eau (H20 ), le dioxyde de carbone (COl ) le

méthane (CI-f.I ) , le protoxyde d' azote (N20) et l'ozone (0,) ;

les gaz indu. triels tels que : le chlorofluorocarbones (cre) et HCfC-22 comme le

fréon, le perfluorométhune et l'hexafluorure de outre (sr:6) .


8 ] 006 /

Conception ct Réalisation d'lin chaull e-eau solaireESPITIlIE

atrno ph ère

n 11

Qurface de la------------------------1 !TC

Figure (-5 : Dcscriprlon ch èmutiq ue de l'effet de serre

1.1,6 l 'effet thermosiphon

C'es t la circulation naturelle d'un liquide dans une installation du fait de la ariation de samasse volumique en fonction de la temp érature. Dans un chauffe-eau solaire nthennosiphon, le liquide caloporteu réchauffé dans le ' capteurs solaire se dilate, el, plusléger, monte vers le ballon de stockage. Il e t remplacé par le liquide froid descendant duballon.

1.2 LE CAPTEUR

De constitution simple. le capteur e 1 l'élément par l'interm édiaire duquel le rayonnement. olaire est piégé. Cette energie e t en uite transmi e au fluide caloporteur (ici l'eau) .

Présenté par A!iOlIl1C Dinp sr20{)7

9 20061

Conception el Réalisation d'li n chauffe-eau solaireESPITHIES

1.2.1 Le Principe de fonctionnement

Le capteur solaire est constitué généralement d' un cadre, d'une tôle inférieure peinte en

noire mate (absorbeur), d'une tubulaire (serpentin), dune isolation, d' un couvercle

transparent (vitrage).

Le rayonnement alaire est transmis par le vitrage à j'absorbeur qui 'échauffe et rayonne à

son tour sous de grandes longueurs d'ondes. Ces dernières émissions emprisonnées par le

vitrage contribuent fi l' échauffement de l'absorbeur . Ainsi celle chaleur est transmise, par

le biais du serpentin, à l'eau qui transporte la chaleur vers le réservoir de stockage.

1.2.2 Les types de capteurs

Compte tenu des utilisations différentes. les besoins en eau chaude ont caractérisés par

une température et un volume. Pour répondre à la diver hé des demande. plusieurs types

de capteurs ont été élaborés.

Ainsi, on peut les classer selon les plages de température d'utilisation ou selon le fluide

utilisé (eau ou nir).

On peut les repartir en trois groupes : les capteurs plans vitrés, les capteurs non vitrés et les

capteurs sou vides.

a) Les capteurs plans vitré' :

Ils sont appropriés pour le chauffage de l'eau et sont indiqués pour les températures de

l'eau de 30° ft 60° C.

Présent épar Alioune Diop sr2()()7

10 2006 1

Conception et Réalisation d 'un chauffe-eau SI

ESPITIlIES

FiJ.:urc 1-6: Capteur plan "ilré

Pouvant être intégré dans le. Laits en pente et à des façades ou posés sur de toits plats etsur le . 01, ces capteurs . ont trè répandus dan les logement ct bâtiment. de ervice.

Ils ont une durée de vie estim ée à environ 20 ans.

b) Les capteurs non iLré. :Dans celle catégorie, on dénote les capteurs métalliques et les capteurs ynthétiques.

apteurs m étall iques : Indiqués pour le chauffage des pi cine et le préchauffage del'eau chaude sanitaire, ils sont utilisés pour de température entre [00 et 40° .Capteurs synthétiques: Ils ont indiqués pour des applications nécessitant de ba. estempératures par exemple le hauffage des piscines. Pouvant être in tallé ur lestoits plat ou inclinés, leur durée de vie est estimée à 30 ans.Il est à noter qu'une protection conir le ent accroît leur efficacité. En effet, lespertes de chaleur sont trop importantes du fait de l'absence de vitrage et d'i olation.


11 2006/

'onception et Réalisation d 'un chauffe-eau solaireESPITllIES

figure 1-7 : Capteur nun vitr è

c) Le capleurs sous vide :Appropriés aussi bien pour les technique que pour le chauffage de l'eau et le chauffaged'appoint, ce type de capteur utilise le vide comme isolation thermique pour minimiser lespertes de chaleur el donc permet d'augmenter le rendement (entre 50% et 70%). Ilscomportenl au si des réflecteurs en métal ou en verre pour augmenter le facteur deconcentration ur l'absorbeur. Il. peuvent ainsi fournir des température ju qu'à 150

0

~.Cependant, il ne faut pa perdre de vue que ce' capteurs sont très fragile et que la moindrelis ure ur le tube élimine on principal avantage. Il existe peu de manufacturiers et defourni seurs pour ce type de capteur.

Pr ésentépar Alioune Diop SY2007

12 200ti 1

Conception et Réalisation d 'un cIrQl~U'e-el1u solaireESPfTHIES

Fi~ure 1-8 : C pteur sous vide

1.2.3 Le choix d'un modèle de capteurCompte tenu de nos besoins (alimentation en eau chaude . anitaire) et de. caractéristiquesde différent: capteur existants. notre choix porte sur le capteur plan vitré.La figure ci-après nous donne une idée générale de sa constitution.

Présente par Alioune Diop sr2007

13 20061

Conception et Réalisation li 'un chauffe-eau solaireESPfJllIE

Fil:urc 1-9 : Modèle de capteur plun vitr é

1.3 LE RESERVOIR ET LES CANALISATIONSOn distingue deux modes de produc tion d'eau chaude: lu production instantanée et la

production par accumulat ion- L~ première peu fréquente et très coûteuse, nous choisissonsla seconde méthode qui consiste à produire et a stocker l' eau chaude. Et donc pour leconvoiement et le stockage. le réservoir et le canalisations devront répondre à certaineexigences ue nous tenteron de résumer dans le ' paragraphe suivants,

1.3.1 Le réservoir

Le réservoir de ra être à mesurede . ub enir aux he oins journaliers de 1'habitation tant enterme de température d'ut ilisation désirée qu'en terme de quant ité souhaitée. Il e t à notercependant que la température de stockage est différente de celle d' utilisation du fait de.pertes occa: ionnées selon le type de montage. Il devra n outre résister à la pre. ion duliquide qui. auvent ne dépasse pa. 2 bars [l ],

Présenté par Allonne Diop sr2007

14 2006 /

Conception et Réalisation d 'un chauffe-eau solaireESPITHlES

1.3.2 Les canalisations

Pour la circulation de l'eau entre l' insolateur. le réservoir el le point d'utilisat ion, on a les

canalisations qui sont iège de pertes de chaleur. Pour vaincre ce d éperdit ions thermiques,

on a besoin d'un bon calorifugeage du circuit de canalisation. Celte derni ère lient compte

du type de circulation (naturelle par thermosiphon ou forcée par une pompe), de la

longueur de circuit el de. temp ératures désirées.

1.4 BILAN THERMIQUE

1.4.1 Mécanisme de pertes

L'en emble des pertes est ré "li/né il la figure 10.

COft\'ect.iOIi j nl~ricure

-Convection extéri -urc

Rcncxinn

Rcé misvion

Figure 1-10 : Mécanisme de per tes

I.4.1.1 Pertes par conduction

Ob erv ées sur la face arrière et sur les cotés de l' insolateur, les perte par conduction ont

donnée. par la relation [2J:

Présenté p al' Allonne Diop sr20n7

15 2006 1

Conception et Réalisation d'un chauffe-eau solaireESPITIlIES

T -T T, -T,0= ' ~ x A+ 1 ' x ll_c e e c /, e. e 1, ~+ ~ ~+~

À; À,) Àu À, ÀI>

(10)

A,.et Aj'sont re pectivement les aires du fond el latérale du capteure, et Â/ sont respecti emeut lépai seur et la conductivité thermique dt: Il. olation

el> et À

"

l'épaisseur et la conductivité thermique du cadre.

e" ct Àu

l'épa i eur el la conductivité thermique dt: l'ab orbeur

T, : temp érature de la surface absorbante

T1 : temp érature de ln surface inférieure du cadre

Te : température de la . urface latérale du cadre

Ti : température à la surface de l'isolant au niveau des flancs

Remarque :Le premier terme représente les pertes sur le bas et le econd terme celle sur les flanc .Noton cependant. que dans celle formule il e t supposé qu'on a le même isolant ur toutes

le face .

1.4.1.2 Pertes par convection

On note deux cas de convection : en dessous de la itre (entre vitre el absorbeur) et celle aude sus comme représenté ft lu figure 1.11.

Présenté par Alioune Diop SY2007

16 2006 1

Conception et Réalis ation d " Ill chauffe-eau solaireESPITIIIES

Con vection sous 1:1 vitre

Convecrioo au des us la vitre

Figure 1-11 : Perte par cnnvectlon

es pertes correspondent au tran fert de chaleur par conduction dans l'air entre l'absorbeur

et lu vitre distants de e. Elle sont alors donnée. par la relation :

() = Â.m- (T. - T )~n l ,

e(Il)

Où It ,. est la conductivité thermique de l'a ir. TI el Tv . ont respectivement les températures

de l' absorbeur et de la vitre.

Remarque :

Pour réduire ces pertes. on a deux alternatives:

./ réduire Â"lr c'est à dire remplacer l'ai r par un autre gaz par exemple le dioxyde de

carbone

../ augmenter e

L'augmentation de l' espacement semble plus facile mais se trouve être inefficace du fait de

la convection.

T.4.1.3 Pertes par réérni Ion

ette quantité notée Qr est obtenue par le biais de la relation . uivante [21:

( 12)

Prés enté par Alioune Diop sr2007

J7 2006 1

Conception et Réalisation d'un chauffe -eau solaireESPITIIIES

Où:

TI et 1:: , représentent respectivement la température et lémissivité de l'ab orbeur

T" el E" représentent respectivemen t la température et l' émissivit éde la vitre

Remarque:

Un vitrage multiple permet de réduire ln r éémission (cf. Figure f.12). Soulignons par

ailleurs que, dans ce cas, la première vitre doit être p lacée à 18 mm environ de l'absorbeur

puis l' interface entre le autres à 15 mm. Seule la vitre supérieure sera à fixer rigidement,

pour les autre on devra prévo ir un jeu de 2 mm pour leur permettre de . e dilater librement.

1.4.1.4 Pertes par réflexion

Elles s'observent au niveau du cou ercle transparent et de l'absorbeur.

Le verre ordinaire réfléch it 7 à ~% du rayonnement incident et la peimure noire mute en

r éfl échit 2 à 6% [3J.

On a alors :

Qrt' = (P + 0,6 1x a )x E x S + O.006 x ExS (13)

Le premier terme représente la r éflexion du itrage et le second celle de l'ab. orbeur. Les

coefficient a et r sont donnés par la courbe il. l' annexe 1.

lA . L.5 Pertes totales

Les pertes to tales notées Qr e t la somme de l' ensemble des perles évaluée dans ces

paragrap hes.

Et donc, on a :

(14 )

1.4,2 Calcul du rendement

Il dépend de l'ensolei llement et de l'écart de température entre le milieu ambiant et

"absorbeur, ainsi que des vents (qui favorisent les perte par convect ion).

Il est donn épar :

Présent épal' Alioune Diop SY20()7

18 zoo« /

Concept ion et Réalisation li '/111 chauffe-eau solaireESPITIIlE '

'7 = ] - QrEA

avec :

(15)

A : surface de l'insolateur en m2

;

E : l' ensoleillement en kWh /ml.La figure ci-après est un récapitulatif du rendement de capteurs en fonction de la

temp érature [ I I·

20 .1. 50! l1rn."t ra turoés d e ser t,

n

BO

\

1\

' .... .... .."'--, -.

2 3 - ',

"\

,_-'----''-_-L- . _~\ _ ~

160

_._ ._ 0_ '- '- '- '- '

Insolateur san. vitre (0)

Insolateur san vitre (1)

Insolateur sans vitre (2)

ln. olateur sans vitre (3)

FiRure 1-12 : Rendement d 'un lnsnluteur il absorbeur peint en noir.

snus un rayonnement de 1 000 \V 1 012


19 2006/

Conception et Réalisation d 'un hauffe-eau SI

ESPITHIES

1.5 MODE DE FONCTIONNENT D'UN CHAUFFE-EAU

SOLAIRE

1.5.1 Mode de circulation

1.5 .1 .1 Circulation naturelle (par thermosiphon)

La lm e en mouvement du fluide se fait par le princ ipe de thermosiphon décrit au

paragraphe 1. ) .6 à la page X.

tEe

Il

Fil!url' I-IJ : Fonctionne ment en thermusiphon

Le mouvement du fl uide est caractérisé par la relation suivante l4J:

j' x V ·Il x g x (Pr - p,.) ;;:; -' -2- x P..,

avec :

(16)

li di. tance (en mètre) entre les deux plans médians horizontaux du réservoir et du

capteur, On a l'e ffet thermosiphon dés que H = 300 mm.

g accélération de la pesanteur en m/s?

P f masse volumique de r eau froide en kg/ur'

P, masse volumique de l' eau chaude en kg/rn


20 2006 1

Concept ion et Réalisation tI 'UII chauffe-eau solaireESPITIIIES

Pm =~Pf X Pc masse volumique moyenne de l'cau en kg/rn 1

J coefficient global de pertes de charge dans la conduite de circulation

U vite se d 'écoulement du fluide donnée par la formule

, 2U- =-x l1xAT

J

AT différence de température entre le fluide chaud et le fluide froid

L'effet thenno iphon dépend donc de la charge " et la variation de températureAT .

1.5.1 .2 Circulation forcée (par pompe)

Dans ce cas la circulation devient plus souple et donc on a moins de contrainte pour le

dimensionnement de l' échangeur de chaleur. Comme la circulation est forcée, le parcours

des tubes dans le capteur n'a pas grande importance, contra irement à l'exemple ci-dessus.

La bonne circulation du fluide devient indifférente à la position du réservoir. (cf figure

J.14)

tEe

Figlln~ (-14 : Fun ction nernent uvee circ ulateur

Le circulateur ne fonctionne que la température en sortie de capteur est supérieure à la

température du tluide en ortie de ballon. Un sy tème de régulation simple est nécessaire,

Présenté par Alioune Diop sr200 7

21 2006 /

Conception et Réalisation d '(/11 chauffe-eau solaire

ESPITI-lIES

1.5.2 Types de stockage

r.5.2.1 Stockage avec échangeur: système à deux fluide

Le fluide primaire 1 circule dans un échangeur placé il la base du réservoir R. Il transmet

ainsi de la chaleur au fluide secondaire 2 par 1 biais de l'échangeur [5j , (cf figure 1. 1.6)

o

oFigu re ' -15 : ' Iockagc lI \ 'CC échangeur

r.5.2.2 Stockage san échangeur: système à un fluide

Pour celte disposition le fluide récupère la chaleur de lui-même du capteur. L'échange se

fait donc par mélange.

L' inconvénient réside dans le fait que le fluide qui circule dans le capteur est

continuellement renouvelé favorisant ainsi l'entartrage de l'absorbeur [5]. (cf figure 1.1.6)

t su ch.lIIde

- u ttli:mtion

Arrivéeceuteur

R

- - - _ ..._ _ ,,--_ -1Rotourcontour

Eau froide- r éseeu

Figun' I-J6 : Stoc kllgc ~lIns éc hung eu r

Présenté par AliOlI11C Diop sr200 7

22 2006 1

Conception et Réalisa/ion d'un chauffe-eau solaireESPITHIES

CHAPITRE II DIMENSIONNEMENT

Il.1 ETUDE DES BESOINS

La première étape dan le dimensionnement d'un chauffe-eau claire est la détermination

de la consommation individuelle. Cependant, celle quant ité dépend de plusieurs paramètre

et a valeur e t différente selon les auteurs.

Il.1.1 Variables qui influent sur la con sommation

Les besoin. individuels en [CS sont rattach és aux éléments sui vant" :

la natu re de l' utili ation qu i correspond au type de local (hab itation, hôtel , bureau ou

hôpital) ;

le genre de vie des uti lisa teurs qui tient compte du pays, de cou tumes, de la région,

du climat et du niveau de vie ;

l 'équipement unitaire thermique ;

la sa i on : selon qu'on so it en période de froid ou non , la consommation en eau

chaude sanitaire ar ie fortement comme on peUl le voir sur la figure ci-de sou, L6] ·

EC.

. -, - - -~ - - - - - -

ï.-.

-- . - 1'. .. . +1,

- ~ ._ - --.i-J .+J

_ ~'~~:"'-C~~:-__ ,. -~1 1 ,_.- r,-' -1--- f- - _ .-~--1- - -_. -~ + --1 - -, "- - - ... --. r-:-::- -'J. , -8

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I~~),

1-- . - - 1- - , '-- -

1, 1 1 1. / 1

7J .-JAN. F E '. MARCS AVRI L H A l JUIN J Uil AO UT S EPl OCT. NOV. D

t- 15' /

.- 10

-7~ ·.

. l e

lJ

5

f 5

i la

Flgure 11·\ : Vur ia tion de la consommutinn t1 ·t.. Il cha ude en

Ceue courbe caractérise le relev és dan s un ensemble de logements existants .

Présenté par AIiOlIl1C Diop SY2007

23 2006 1


Et on y voit que la con ommation varie d'un moi à l'autre. Néanmoins, il est il noter que

dan le dimen. ionnement, seule la valeur maximale est pertinente.

le jour de la . emaine el le moment de la journée : son influence se voit sur la figure

suivante qui est obtenue il partir de données des HLM de la région parisienne [6J.

l/h2 0 ...-----,---.,.----.------.--".,,=------y---r---r-~,._-_._-__.--_.

14

10 _"

- +o

r.

LundiMardiMercrediJeudiVendrediamedi

Dimanche

R 10 11 II, 18 20 22

Figure 11-2: Va riation dl' III consommation d'cau chaude en fonction de jours cl l'heure de lu journée

Ce graphique illustre la variation de consommations en une journée et entre le- jours de la

emaine. Cependant les aleurs à considérer dan. le calculs sont celles de la courbe

enveloppe.

Présenté par Alioune Diop SY2()07

24 2()06/

Conception et R éalisation d 'un chauffe-eau solaireESPITlflES

II.1.2 Be oin dans les habitations

Les quantités d'eau chaude san itaire nécessaires pour une habitation peuvent être

d étermin ées de deux maniere différentes : soi t par le biais du nombre d'habi tants, soit par

celui de. équipements . Notons par ailleurs que les valeurs données ci-après doivent être

reconsidérées pour les pays en voie de déve loppement.

[1. 1.2.1 Besoins en fonction des habitants

Le tableau - rivant est un récapitulatif des consommations journnlière par pel' onne l6j .

Tableau 11-1 : Besuins journalier pnr personne en IIj

Habitations Confort minimal Confort normal Confort maxima l

Con ommation (l/j ) 30 50 75

par personne à 50 "C Dans la décade à venir

35 -5 80

Pour une construction habitée olt l' on connaît le nombre d'habitants, les besoin

'obtiennent en faisant le produit du nombre d'habitants par la valeur de la consommation

pour le niveau de confort désiré. Pour une construc tion nouvelle, on utilise la valeur

moyenne du taux d'occupation normal qui est J'en iron 1,5 personne par pièce.

11. 1.2.2 Besoins en fonction des logements et des équipement

Généralement , on connaît le nombre d'équipement: sanitaires in tallés (ou à installer).

Dans cc cas, les besoins constituent le cumul les quantités que nécessite chaque appareil,

L tableau ci-après donne les quantités par équipement et par type logement jô].

Présenté pal' Alioune Diop sr2007

25 20061

Concep tion et Réalisation d 'lin bauffe-eau solaireESPITl-!IES

T nbleuu 11-2 : Besoins d 'eau chaude pur équipe ment sanitaire


26 20061

Conception e l R éalisation d'un chauJJe-eOl/ solaire

ESP/THlES

DOCU MENT S Tli:CHNIQUg FICI IE Nil

TeCHNIQU ES EAU CHAUDE QUANTITts NÉCESSAIRES 03-101.1 50" C R, DELEBECQUf

En IIIr~ p-ar jour . TCl1I pérSl 1ure d' bnse R. prod.<:l lon Inlffdll.

NO l11hrc .Ie f11!'c~ 1 2 3 1· 5prlncipnlcs1 Observations

N ornhrc 1 il 2 2 il J 3 .\ ~ 4 /1 7 5 ;\ ')d 'l ~c UIl;If I I \ -

1 Lvicr 20 JO 0\0 SU 60

• 1 11Il 2 lnvabosl.uvuh u ('l 8 12 1(. 20 • 24 • mêmes qunn tit és,

,010 Cld lJ'rcs Il uvnnt

1) UOd,C 20 20 <10 60 vurler de ± 20 ï~

Cf)s: Il id d 5 5 5 10 10'ô

Z S. --0 a. BaiyuCl irc 70 7 70 140 . 1<l1i Va leurs

..; t, < l ,JO moyennes-f-- Il;l is nnirc 11 0 11O 110 220 220V,ll,..",r

~ J r 1.30 11 1UY': 'l' i' o ·

f--""'" Iluc l (j 24 40 SO (,5lXl il Inver

~MIl<' h ilte Variable suivantlI: :" /;I \' er

50 ~O 70 90 120 les machines,~

-... l:,vicr, l':I V'I I>O, Va leu rs convenant::; l)" Il l: il c, M HG 1.16 ( (,ll 209 pOlirc, flac :1 laver hnbitnlions cournntes0-a:"

r:vicr. l.uvah»8. Valeurs, convenantUillel, Bair.noirc 19.1 207 24J 390 ,134 pour:> L I .JU0 > hnbi:::lillIlS confor t: !J1 's15 1 Mnchine i. lave r

1

"''l'il Ill.',

1'.11 juur ct pa r ii i JO(1 !I 400 iitrcsCl C i ll i 'l lle~

l lürds Par chnrnbrc ct rar jou r 40 litres (sans baignoire)200 litres (avec ba ignoire)

V) Il lrenu.\ l' a r ner son nc cl par jour Il litres~ .

CzJ I;> Ecoles

Pur pcnshnumirc cl par jour 1) lit res (s:lI1 Ç UOlldIC\>'--4 c l C nscr ucs 25 lit res ( I\ I' CC do uch e)

Cl

C:lnlines I{ep.,< VNi.<5<: lIc fuite Vahscllc fai le Observationsct Rcstuu r.uus /1 III main "1 ln machine

1 G 15 l'our les restaurantsP:1r

2 12 30 de IU ~e.rn!iouna irc do ubler ou tripler

J 15 J5 ces chi ffres

.. ...

Présent épar Alioune Diop sr20()7

27 2()(}6 /

Conception et Réalisation cl'/111 chauffe-eau solaireESPITfllES

[1.1.3 Besoins journaliers d'une habitation en kWh

Les besoins en eau chaude san itaire peuvent être exprim és en termes de puis, noce. La

relation suivante permet de pas el' des besoins en litre par jour (lIj) à ceux en kWhlj [7J :

C =O,OOllô l lxV x (y:.-Tr) ( 17)

avec:

la puissance C qui représente les besoins en kWh/j ;

le volume V représente les besoins en IIj ;

la température de l'cau froide "0 en oC;

ln temp érature de l'eau chaude T, en ° ".

Il.2 CHOIX DES MATERIAUX

Le choix des matériaux occupe une place tr ès importante dans la concept ion. En effet, il

cons titue une étape de référence dans Je dimensionnernent et a un impac t sur la r éali arion.

Il e t tributaire des exigences que l'on se fixe dans la conception (dimensionnement et

fabrication) et dan. la commercialisation.

Dans ce paragraphe nous n'aborderons pas l'ensemble des parties du chauffe-eau mais

juste les plus essentielles.

Notons cependant que le choix des matér iaux étant très important, tous les organes de notre

appareil ont été soumis à un choix rigoureux .

Il.2.1 Le vitrage

Le couvercle transparent est placé devant l'absorbeur pour deux misons :

L'isolation : il évite à l' absorbeur d'être atteint par l' air extérieur et ain i lui permet

de bien s' échauffer.

L'effet de serre : en permettan t au rayonnement solaire de passer et en retenant les

émis ion, de l' absorbeur, il réalise l'effet de serre . L"espace optima l qu'i l faut laisser

entre la vitre et l'absorbeur est de 28 mm (en pratique 25 il 40 mm) [1J.Le matériau qui convient le mieux est le verre il vitre ordinaire le plus blanc et de 4mm

d'épaisseur. Mais ce dernier e fait de plus en plus rare dans le marché ct donc on utilisera

celui qui est vendu maintenant. Car la présence d'oxydes métal lique dans ce lui-ci ne . e

l'es ent presque pas dan l'utilisation.

Présent épar Allonne Diop SY_DOl

28 2{)06 1

1Conception et Réalisation d'un chal/i le-eau solaireESPITHIES

Le verre « martelé» ou trempé ainsi que le Mylar, le Tedlar ou l' Adlar peuvent aussi être

utili ès mais les prem ier. (martelé ou trempé) coûtent très chers et les autres vieillissent

rapidement sou l'ac tion du .oleil.

Il.2.2 L'absorbeur et le serpentin

Cet ensemble permet de chauffer le fluide circulant dans la tuyauter ie. L'ab orbeur sera en

tôle galvanisée peinte en noire mate ct le serpentin en cuivre il cause de ses bonnes

propriété thermiques et que le cuivre r ési te bien li la corrosion.

Pour que le thermosiphon s'amorcefacilement, le circuit d' cau dans l'insolateur doit lui

être favorable [1J. A cet effet, classification des formes de serpentin donnée à l'annexe 2,

nous choisissons le modèle aux tubes verticaux parallèles .

Il.2.3 L'isolation

Le capteur et le réservoir doivent être bien calorifugés pour un rendement optimal. Et donc,

un choix judicieux s ' impose.

L'annexe 1 répertorie quelque isolants avec leurs propriété .

A cause de sa disponibilité ct de ses caractéristique adéquate , nous choisisson Je

polystyrène expansé therrnocomprimé .

11.2.4 Le cadre (ou coque)

Il maintien t rigide l'ensemble. Les mat ériaux poss ibles pour son élaboration sont :

./ Tôle noire ordinaire : bon marché, mais facilite les pertes thermiques et néees. ite

un matérie l lourd (plieuse. po te de soudure , . . .)

./ Bois : bon marché, mais durée de ie relativement faible.

./ Plastique : fibre de verre et résine. Sure et pas très chère, ne nécessite aucun

matériel particulier, demande beaucoup de 'oins, mais de plu. en plus utilisé

Dans notre cas !l OU choisissons d'u tiliser le bois car plus acces ible dans le marché.

Il.2.5 L'enveloppe intérieure du réservoir

Elle sera faite avec de la tôle gnlva pour éviter sa corrosion. On pourra prévoir un

revêtement anti-rouille pour une meilleure protection.


29 2()061

1Conception et Réalisation d 'un chauffe-eau solaireESP/TIlIES

Il.3 DIMENS/ONNEMENT DU CAPTEUR

Nou n'aborderons, dans cette partie, que le dimensionnement de l' absorbeur. du serpentin

et de l'isolation . En effet. le ' autres dimension dépendent de celle. de ces éléments.

11.3.1 L'absorbeur

Le premier pas dans la conception du capteur est la d étermination de la urface de

l' in olateur. Cette aire de captation est donnée par la relation suivante l7J:

avec :

A == _I_x l xC'1..)., E

(1~)

la surface A en rrf :

le rendement souhaité 'l .,y.• du système ;

ln fraction f des besoin couvert pendant la période la plus défavorisée ;

le be oin C en kWh/j donné par l' é luation ( )7) ;

l' ensoleillement E en kWhlj (on utilisera sa valeur maximale E miL< pour un y tèrne avec

appoint et sa valeur minimale E mm pour un sy tème 100% alaire),

11.3.2 Le serpentin

Le dimensionnement de l'échangeur consiste en la détermination de son diam ètre D car sa

longueur est tributaire des dimensions de l' absorbeur.

e diamètre est donné par la relation lgJ:

( 19)

Ol!

if désigne le débit de base de l'appareil de. ervi (il est donné dans les abaque pour la

nonne françai e et la nonne REEF, dans ce qui suit nous considéreron . que l'appareillage

e ré anne en un robinet de puisage el nou utili. eron: la nonne REEF) :

U la vitesse de circulation du fluide caloporteur ici l' eau (choi i entre 0,5 et 2 mis);

p. sa masse volumique.

Cependant. il conviendra d vérifier la pres ion résiduelle P, au point d 'utilisation .

Présenté par Alioun Diop SY2007

30 20061

1Conception el Réalisation d 'un chauffe-eau solaireESPITlllES

Exemple de calcu l :

Cas d'un serpent in avec U = 0.7 ml , pression disponible Pùi ~flO<1ihl" = JO mee

L : longueur absorbeurb : largeur absorbeurN : nombre de tubeW : espacement destube.

L

·1b

N----- ----- -

W-. ~1·

Figure 1(-3 : Sch éma dl' I'ubsurbeur

Le fluide caloporteur est de l'eau et on utilise la nonne REEr, donc on a:

r = 1000 kg/m3 ; QII = 0,7 I/s.

Appareillage : robinet de puisage Pr = 2 mee

Qbrut (I/s) Total equip. y Qproba. 1 Vt: ])thlionQue D normallsé Vréellc r0,05 1 1 0,0'5 .1 0,7 95 .~6545 10 0,6'>6112 2,35E-05

J représente les pertes de charges.

Vérification de la pres. ion :

L\h est la dénivellation entre le point de pu i. age et le point le plus bas de la canalisation ,

elle est prise égale à J ,2 mètres.

1 tih Prlislduclle N x L Pt

2,34735E-OS 1,1 2 26,1 5 6,ïOO706

On a : P, disponib le = 30 mee

Or,

Prés enté pur Alioune Diop sr2007

31 2 (){)(j 1

1Conception et R éali ation d'lI11 chauffe-eau solaireESP/TllIES

P, = 23.3 mee > Pr

Conclusion : La pression au point de puisage est suffisan te.

Il.3.3 L'isolation

Pour ce calcul, I\ OU adrnetton une baisse de temp érature de l'air (p=O, 998 kg/l1/ et P =

W09 JIkg.K à 350K) confiné entre l' absorbeur et le vitrage, et que son volume est de 0,2

nr'.L'isolant utilisé est le poly tyrène expan. é thermocomprim é(Il =0,029 IV / m.oC ).

Fil:urc II·~ : Vue par tielle de l'i. olutioo du cap teur

e est I' épai eur de l' isolant :

TI est la température du coté du vitrage ;

T:! est la température du coté oppos éau vitrage,

On prendra Tl = 80 oc et T2 = 25 oc.Le flux de chaleur tp à travers l'isolation. 'écrit :

(20)

Les perte évaluer au paragraphe lA à la page 13 sont généralement de l' odre de 100 à 200

W/m1 l9j. ou prendron de perte. de l'ordre 150 W/m2•

Ce nous permet d'avoir l'épaisseur, et donc on a :


32 2006 /

1Conception el Réal isat ion d'un chauffe-eau solaireESP17H1ES

À x (1'- 1~ )t.' = 1 _

ffJ

L' 1" , . d O,04 Ix(80 - 25)app icauon numerique orme e =-----'---'-150

(21)

D' où e =15,03111111

Remarque :

Nous choisissons de renforcer l' i olation du bas avec une feuille d'aluminium de 4/ 10 [ l].

Elle sera disposée entre le polystyrène et l' absorbeur en veillant il ce que ce dernier ne soit

pas en contact avec elle.

Sa contribution dan. l' i olation réside dans Il: fait qu'dl réfléchit le rayonnement

infrarouge de l'absorbeur.

11.3.4 La coque

Elle est de constirution assez simple. C'est une boite en bois avec un fond et quatre cotés.

Pour un bonne rigidité il est conseillé de les prendre avec une épaisseur de 50 à 100 mm.

l i J

ependant, vue la taille de notre capteur !lOU optons pour une épais eur de 30 mm ce qui

donne néanmoins une bonne résistance.

Il.4 DIMENSIONNEMENT DU RESERVOIR

Il ne era que tion dans cette partie que de d étermination des dimensions de l'enveloppe

intérieure et de l' isolant pour le. mêmes raisons que dans le dimensionnemen t du capteur.

Il.4.1 L'enveloppe intérieure

Le volume de stockage V, en litre est donné par ln relation l7J:

Vs= 350 x E x il. 7~. - 7i (22)

Ainsi, en fixant la longueur L" (en mètre) du réservoir supposé cylindrique on obtient son

rayon intérieur l'j (en mètre) en posant :

Prés enté p ar Alioune Diop sr2007

33 2()06 1

Conception et R éalisation d '1111 chauffe-eau solaireESPITIlIES

VI'l' = ., VO,OOI XJrx L"

(23)

Remarqu e :

L 'épaisseur de cette enveloppe a été d imensionn ée grâce au logiciel de 1\0 So lidworks.

Les résultats 'ont donnés à l'annexe 2.

Il.4.2 L'isolant

Cette partie concerne la d étermination de l 'épaisseur de J'isolation. Pour cela, nous avons

be oin de d éterminer le flux de chale ur à travers celle-ci.

-r

Figure 11-5 : Répartition des temp ér atu res ru tnur de J' isolution de réservoir

h, Ta

L'essen tiel des pertes therm iques se résume aux pertes nocturne que nous auron â

d éterminer, Ains i, nous allons d éterminer ce perles en pre mier lieu.

11.4.2 . [ Les pertes noctu rnes q

Hypo thèse de calcu l :

la température Ti dans le réservoir il 18h00 est Ti = ôO°C ;Présenté par Alioune Diop sr 34]007

2006/

Conception et R éalisation d'un chauffe-eau solaire

esrnuusla temp érature T' dans le ré ervoir à xhOO e 1 Ti' = 57°C ;

la ma se d'eau M dans le réservoir est M = 250 kg.

Calcul de q :

On a :

avec :

'1 = MC \(1

M : mas e d'eau ;

: chaleur massique de "eau ;

.. (1 : variation de température entre 1RhOO et 08h00 .

q = 250 x 41RO x 3

q = 3135000 J soit 60,20 W

11.4,2.2 L'épaisseur e de l'i solant

La quantité de chaleur à travers l'iso lntion est donnée par la relation :

Posons : r, = r, + e

(24)

(24) devient :

D'où

2ff X À x L x (T. - T )'1 = fi t ('

I O~ 1 .~)

[ (2Tr X). XL" «çr; - TJ j )e =,; exp - }

. q .

(25)

(26)

En plus des hypoth èt es du 4.2 .1 , nous supposons que 7;, = 20°C, L" = 1,2 m el que

1Isolant est le poly tyrène expan é rhermocomprirn é ( À =0,029 W Im.oC ).

On a : v=250 =0,001 x Ir x r? x L,)

t'. =,v

0,00\ x n: »: L"(27)

~ r;= 257 mm

En mettant, ce valeurs numériques dan ' (26) , on obtient :

e = 40,76 mm

Présent é peIr Alioune Diop SY2007

35 2006 !

Conception et Réalisation d '/11/ chauffe-eau solaireESI'ITf ilES

/1.5 APPLICATION : Cas particulier du domicile de la famille

5ARR

11.5.1 Définition du cahier de charge

Il est demandé Je fournir de 1·eau chaude (destinée au lavage corporel exclusivement), li la

température de 36°C, à une maison de 15personnes.

Chaque occupant devra pouvoir e laver deux fois par jour elon le planning suivant :

6hOO 91100 IHh3ü 20h00 ohOO

Fi~lJrl' n -6 Plnnning d'lJtlli~nlion tic l'eau chaude

La maison se situe dans ln ilIe de THIES .

Il.5.2 Dimensionnement du modèle

Le rnodel est dimensionné av c une marge de 10% sur les be oins individuels.

Par les différente." méthodes exposées aux paragraphes lU (page 26) el 11.4 (page 30),

nous obtenons les valeurs données au tableau Il.3.

Tablea u 11-3 : Dimensions de buse du modèle

Besoin par personne (I/j) 15

Besoin pour 15 personnes (I/j) 250

Besoin pour 15 personnes

(kWh/j) 8,7082 5

Surface de captation (m2) 2,327371938

Volume de stockage (1) 162,9160356

Présenté par Alioune Diop sr20{)7

36 200(5 1

Conception et Réalisation d 'un chauffe-eau so laireESP171flES

Il.5.3 Design du modèle

Compte tenu de, dimensions, nous avo ns é laboré Je dessin.

Nous avons aux figures IL? et II. S respect ivemeru la vue éc latée de notre capteur et la vue

en coupe de notre réservoir, et nous vous proposons il l'annexe 5 de dessins de notre

chauffe-eau.

Pr ésent épar Alioune Diop S Y2007

37 _O()6 /

Conception et Réalisa/ion d'un chauffe-eau solaire

ESPITI-lIES

•

/ / /1serpe n lrn, /

isolant (polystyrén "'l /

Figure 11-7 : Vue èclu tèe du ca pteur

Présent épar Alioune Diop SY2007

3X 20061

Conception el Réalisation d 'un chauffe-eau so laireESPl7ï lJES

Sortie utilisation

retour eau chaude ducapteur

Alimentation eaufroide

Vidange el alimenlalioncapleur

Figure 11-8 : Vue en cuupe du r éservoi r

Présenté par Alioune Di()JI sr2007

39 _006 /

•Conception et Réalisation d 'lin chauffe-eau solaireESPl7ï llES

1111

1

1

1

Concept ion et Réalisat ion d 'lin chauffe-eau solairessrrrutes

CHAPITRE III REALISATION, INSTALLATION ET

EXPERIMENTATION

/1/.1 REALISATlON

Dans ce paragraphe. nous donnons une de. cription sommaire des opérations de

fabrications. Elle est complétée par l' annexe 4.

111.1.1 Réalisation du capteur

./ L'a bsorbeur

Celui-ci est constitué d' un serpentin fixé sur une tôle peinte en noire mate.

Sa réalis ation se fait en deux phases : confection J e l'échangeur et fixation de celui-ci sur

la tôle.

Les étapes de la fabrication du serpentin sont le découpage du tube, le cintrage . uivi du

perçage (pour la fixation des traverses) des deux tubes en bordure et l'as emblage par

soudure des différent éléments.

La durée de l'ensemble des opérations est de 2 heures.

./ Le cadre

La mise en œuvre du cadre en bois est relativement facile, elle consiste au découpage du

bai aux dimensions souhaitées, sciage pour les onglets, le rainurage pour le contre-plaqué

de fond et pour la vitr . enfin le collage et cloutage des flancs el du contre-plaqué.

La durée de J' ensemble des opérations est de 3 heures.

./ Le support du capteur

[ci, les opérations se résument au ciage et soudage des corni ères.

111.1.2 Réalisation du réservoir

Le réservoir est constitué de deux enveloppes séparée. par l' isolation. Le principe de la

réali:ation de es demière. est le même. Il con. i. te en des opérat ion de cintrage de la tôle,

de perçage (pour les entrées e l . orties d 'eau) c l de soudure pour j'assemblage.


4 1 2006 !

COIIC.'ep /io/1 et Réal isa/ ion d'un chauffe-cau solaireistvtinES

Il faudra prévoir un revêtement anti-roui lle pour l' intérieur du réservo ir et la mise en placed'un robinet flotteur au niveau du remplissage.

11I.2 INSTALLATION

11I.2.1 Implantation du capteur

Il existe plusieurs modes de po e du capteur.

./ Sur une toiture inclinée:C'est 'ou ent une bonne solution parce que le toit peut difficilemen t avoir un autre usage

(vérifier l'ombre parlée).

En outre, le capteurs plats peuvent ervir de couverture.

./ ur un toit plat :E cellcnte solution: l' orientation el l' inclinai on des capteurs peut être cha ioie de manière

optimale .

./ En facade / contre un parapet de balcon :Mauvai rendement i les capteurs sont placés verticalement en êt é. Un angle d 15 - 200environ améliore sensib lement le rendement (solution adéquate pour le chauffage

d'appoint).

./ Sur un ta ltl. / jardin :Solution ac eptable lorsque le champ de capteurs ne se trouve pas dan la zone de I'ombrportée (bâtiments, arbre. bosquets, etc.).

11I.2.2 Raccordement de la tuyauterie

./ Le diamètre des conduites est choisi de sorte il faciliter la circulation du fluide.11 e t important de réduire le nombre de singularités (coude, changement deection,. ..) afin de limiter les perte ' de charge .

./ La tuyauterie de la boucle olaire est isolée pour améliorer le rendement. Cetteisolation devra résister il l' humidité est au rayonnement ultraviolet. Certainsprojets-pilotes ont . ugg éré l ' utilisation d' un matériau sou ent disponible enrégion en oleill ée et peu coûteux à remplacer: la tige poreuse de bamboufendue en deux, évidée puis recollée autour des tuyaux l7J.

Présent épar Alioune Diop sr2007

42 2006 /

Conception et Réalisation d'lin chauffe-eau solaireESJ)!Tf-I/ES

./ Tous les raccordements, matériaux et soudure. doivent respecter les nonnes

locales d' utilisation. Eviter l'utilisation de métaux différents pouvant causer

de problème de corrosion galvanique.

./ Dans le systèmes à thermosiphon, il est recommandé de conserver une

montante tout au long du parcours de la base du capteur jusqu 'en haut du

réservoir la hauteur du retour de la boucle solaire sur ré .ervoir thermosiphon

joue ur la stratification de températures dans celui-ci. Plus on veut récupérer

rapidement de l'énergie, plus on a intérêt à placer le retour vers le haut. Si on

veut utili: er pleinement et efficacement la capacité de stockage pour une

consommation de nuit par exemple. on a intérêt il placer plu bas Je niveau du

retour.

1/1.3 ETUDE EXPERIMENTALE

11I.3.1 PRINCIPE DE L'ETUDE

Cette phase consiste en la v érifica tion de l'efficacité du système par le biais de mesure des

températures d'en trée et de ortie du capteur ainsi que la température au niveau du ballon

de stockage pendant une durée de 24 heures, cette opération sera renouvelée Il trois

reprises,

es températures eront mesurées il l'a ide de thermocouple dont le montage et la courbe

l'étalonnage sont donnés à l'an nexe 5, NOl! Y donnons aussi une table des type. de

thermocouple "

11I.3.2 MONTAGE EXPERIMENTAL

Le montage expérimental e t celui de la figure IV, ! et IV.2

II s'agi t de placer des bouchons avec le. thermocouples chrornel-Al lumel au niveau de

l'entrée et de la orti du capteur ainsi qu'au niveau du réservoir.

Présenté pa,. Alioune Diop SY2007

43 200n !

Conception et Réalisation d 'un chauffe-eau SI

ESPl7ïllES

Figu re 111-1 : Rouchon a vec thcrrnncnuple (sortie cap teur)

Figure 111-2 : Rouchon U\'CC th crrnocuuplc (r é ervuir ]

111.3.3 RESULTATS ET INTERPRETATIONS

Tableau nl-I : Relev és de temp éra ture...

Jour Horaires Sortiecaptaur Réservoir EntréecaplGur Sortiecaptour Réservoir EntréecaplOur

mV 'C

10:30 1 -0,1 -0,5 69,366 39,6044 28,782

:c 11:15 1,4 0,2 -0,5 80,1884 47,7212 28,782al - ---- - - - -.. 12:10 - 2,"1 0,4 -0,4 99,1276 53,1324 31,4876u..CD

13:08 2,1 0 -0,1 99,1276 42,31 39,6044:e14:15 2,2 0,5 -0,1 101,8332 55,838 39.6044

15:05 1,7 0,5 0 88,3052 55,838 42 ,31

Présenté pa,. Al i01I11CDiop sr20m

44 2006 /

Conception et Réalisation li '/111 chauffe-eau solairessrrrutes

16:00 0,8 0.4 0 63.9548 53.1324 42 .31

17:08 0,7 0,4 -0.2 61.2492 53,1324 36.8988- --- ---- --- -

47.721218:07 0,5 0,4 0,2 55.838 53.1324

19:00 0,4 0,4 0,3 53,1324 53,1324 50,4268---- - --- - - --- - -

7:05 -0,1 0,3 -0.2 39.6044 50,4268 36,8988

11:05 1,7 0,3 -0,4 88,3052 50,4268 31 4876

12:10 2,2 0,4 -0,4 101.8332 53,1324 31,4876------ --- - -- - -

13:08 2,2 0.5 -0,1 101.8332 55,838 39,6044

ï5 14:15 2,2 0,5 -0.1 101.8332 55,838 39,6044;,CIl 15:05 1.7 0,5 0 88,3052 55,838 42 ,31..,

16:00 0.9 0,4 0 66,6604 53.1324 42 .31

17:08 0.7 0,4 -0,2 61,2492 53,1324 36,8988

18:07 0,5 0,4 0,2 55.838 53.1324 47,7212

19:00 0,4 0.3 0,3 53,1324 50,4268. 50,4268

-- - - -- -_.--- - -- 1-

7:05 -0,1 0,2 -0,2 39.,044 H ; .. 12 -';;~gslJ.l

9:10 0.2 0 -0,3 1932

12:10 1,4 0.2 -0,2 .u;. SlllilJ.\

13:02 1,6 0,2 -0,1 Al; I:,QQ.; ,04·\

ï5 - -CIl 14:12 1,8 0,4 -0,1 14..."0

15:05 1,8 0,5 -0,1 10U ·iiU44c:CIl> 16:00 1,7 0,7 0,1 3n~,] i St)

----- -17:08 1.5 0.7 0,1 I~

18:07 1 0.7 0 1,

19:00 0.9 0,6 0 ;1

Samedi 07:00 -0,2 0,3 -0,2 36.B9BB 50,4268 6,8988

A parti r de ce aleurs , nous avons ainsi tracé l' évolution de la température en fonction de

l'heure à trois lifférents points (entrée capteur, sortie capteur el réservoir),


45 20061

Conception et R éalisation d'un chauffe-eau solaireESPITlllES

Températures en fonction des heures de lajournée de mercredi 5 juillet 2007

'120

100

80~

.1 60

! 40

•...../ " c . ..h. .O~ , " ,

<,/ " .

"-1 r-,

~,

r'-*h... -- ~-

z- :;:;

-- . • •--- ....... '''' \,"1 1\.n '.20

o9'36 12:00 '14 '24

TmJPS lh)

16:48 '1 9' 12 2 '1:36

Figure 11I-3 : Graphe de temp ératures pour Je mercredi

Pré. ente par Alioune Diop sr2007

46 2006/

Conception et Réalisation d'un hauffe-euu si

ESPITIlfES

Températures en fonction des heures de lajournée de Jeudi 6 juillet 2007

'120

'100

80t....5 60~.~•t--

40

20

0

-

. ........ .1 / "."

<,

"'-" . <,

r"...

..... ~

i;::>'

• •

-,... ... , i"" lUI" rU>

-

9 .36 12:00 14 24Ternps(hl

16.48 19:12 2136

Figure /11-4 : Cruphe de températures pou r le .Jeudi

Présenté par A IiO/ IIl I? Diop sr2007

47 2006 1

1Conception el Réalisation d '//11 chauffe-eau scESPilïlJES

Te ératu es en fonction des heures de lajournée de Vendredi 7 juillet 2007

100

90

80

P 70.,"~ 60.~~.,

50...

40

30

-

.

1/ .

. .

20

8 24 "10 :48 13:12Terrps(h)

15'36 18:00 2û:24

Figure 1lI-:'ï : Grnphc de rcmpé r utures pour le vendredi

Présenté jJor Alioune Diop sr2007

4X 2(){J(j 1

Conception et Réalisa/ion d 'un chauffe-eau solaireesemues

Température à l'entrée de capteur en fonction del'heure

55

50

P 45c:lU

... 40:::J1;.~ 35Q.

~ 30t-

25

1

~..,

.

.20

7 12 93 6 12.00 ·16:48 19'12

Figure IJI-6 : Graphe de temp ératures 'Il en tr ée capteur

Présent épal' Alioune Diop sr2007

49 2006 1

Conception et Réal isation d'un chauffe-eau solaireESPI'IUIJ::S

Température au niveau du reservoir en fonctionde l'heure

65

o55

E50e~ 45~

35

30

,

•

,

,

25

7"12 936 12.00 1424Temps tll)

19' 12 2" 36

Figure 111-7 : Cruphe dl' ternp èruturcs DU 1I1\'~8U du r èservn lr


50 2006 /

,f--

,

Conception et Réalisation d '1111 chauffe-eau solaireESPITHIES

Température sortie apteur en fonction del'heure

110

100

90

80

70

60

50

40

30

::?o7 12 936 '12 00 14 ·24

Temps(h)

16 :48 19.12 21 :36

Figure 111-8 : Graphe de temp èrutures Cil sortie capteur

I~TERPRETATI O~S

On voit que les températures augmentent jusqu'à un maximum vers 13h30 au

niveau de la sortie du capteur. Cette période correspondant à l'ensoleillement

maximum. Pour le réservoir et l'entrée du capteur on voit qu'elles croissent et

tendent à se stabiliser jusqu'au environ de 19h mais on note une baisse de 2 à 3

'C de celles-ci entre 19h00 et 7hOO. Cette baisse est du aux pertes nocturnes.

La température maximale atteinte est dépendante de la journée plus précisément

des conditions climatiques. On voit sur le graphe 3 qu'elle ne dépasse pas 90 'C

pour le vendredi alors qu'elle dépasse 100 'C pour le mercredi et le Jeudi. Notons

que la journée du vendredi était un peu nuageuse.


51 2006 1

'onception el Réalisa/ion d'UI1 chauffe-eau solaireESP/THIES

Conception ct Réalisation d 'un chauffe-eau solaireESl'/TlIlES

CHAPITRE IV ETUDE ECONOMIQUE

IV.1 EVALUATION ECONOMIQUE DU CHAUFFE-EAU

SOLAIRE

Dans celte partie, nous nous proposons d' e .timer le prix de revient de notre chauffe- eau .

Les matériaux et procédés uti lisés son t ceux décrits nu chapitre 3 et 4 . Les pri so nt donnés

toute s taxes comprise . Le coût Je la main-d 'œuvre era pri éga l il 35'Yo du coût de la

matière première. Nou ado pterons un montant forfaitaire de 5 000 feFA pour le

transport.

Désignat ion Unité 1 Quant it é

IV.1 .1 Capteur plan

Prix unitaire en FCFA Prix Total en FCFA

Tn bleuu IV-l : Evalualion du pri. de r evient du capteur_ . -- r-- - . - - - ---~-- ---TUYAUTERIE

Tube de cuivr-e tOx12 ml1

26,5 1 600 424001

Baquette orqent u 8 200 1600

VITRAGE 1

Verre ord inair e épaisseur 3mm u 1 6 000 6000

ABSORBEUR

Feuille de tô le gollla de I rnm (2xl) u 1 17000 17000

Peinture noire mate u 1 2 4 000 8000

CADRE

Planche 2 t raits ml 2 2 000 4 000

Feuille de cont re-plaquet de 4mm u 1 7 000 7000

I SOLATION

Polyst yrène expansé (5Omm) m' 1 3 5 000 15000

Feuill e d 'alumium Imm (2xl ) u 1 1 30000 30000

Mastique kg 1 1 300 1300

SUPPORT-- - - -- t--- -- -- - - --cor niére ml -

Baguette ordinaire u 1 20 15 300

Tot al 132600

Présenté par Allonne Diop SY2007

53 2006/

Conception et Réalisation cl'ml chauffe-eau so laireES?11'111ES

IV.1.2 Réservoir de stockage

Tublenn IV-2 : Evafua rion du prix de re vient du réservoir

Désignation Unité Quantité 1Prix unitaire en fCfA Prix Total en fCFA

Enveloppe interne (tôle galva de1 17 000 17 000u

Imm (2xl))

Enveloppe externe (tôle galva de1 17 000 17 000u

Irnm (2xl))

Isolation u 21

5 000 10000

Tot al

IV.1.3 Accessoires de plomberie

Tableau IV-) : Eva lna tion du prix de revient des uccessoires de plnmb eri e

44 000 1

Désignation Unité Quantité 1Prix unitaire en fCfA Prix Total en fCfA

manchon 20/27 u 21

400 800

manchon 15/21 u 11

400 400

coude 20/27 u 21

500 1000

coude 15/21 u 31

500 1500

f---- - " - r--- - - --:~--=- ---Té 15121 u 400 400

- --- --- - -----Raccord mixte male/ma le u 500 1500

1

Raccord mixte male/femelle u 21

500 1000

réducteur 20/27 u 31

500 1500

Présenté par AIiOll11e Diop sr2007

54 2006 /

Concept ion et Réalisation d 'lill chauffe-cau solaireESP/TI-I/ES

Bouchon 15/21 u 1 400 400

Robinet d'a r rêt u 1 2500 2500- --- ---------------

Robinet de puisage u 11

2 000 2 000

Tot al

IV.1 .4 Main d'œuvre et transport

Le coût de la main-dœu re sera pris égal à 35% du coût d la matière première.... Nous

adopterons un montant forfaitaire de 5 000 FerA pour le transport.

Ta blea u IV-4 : Coûts. uppl émentalrcs

13 000 1

Main d' œuvre

Transport

65695

5 000

FCFA

FCFAl- '- _

Total

IV.1.5 Prix de revient du chauffe-eau

70 695 FCFA

Le prix de revient de notre chauffe-eau e t le cumul de toute ces sommes et donc, on fi :

Tuhleuu IV-5 : Prix de revient de not re cha uffe-ea u

Capteur 132600 FCFA

réservoir de sto ckage 44 000 FCFA

Accessoir e de plomberie 13 000 FCFA

Main-d'œuvre et transport 70 695 fCFA

COUT DU CHAUFFE-EAU 260 960 FCFA

Présente par Alioune Diop sr2007

55 2006 /

Conception et Réalisation d'un chauffe-eau so laireESPITllJES

Remarque :

Un chauffe-eau solaire de même capacité que le notre ( 163 1) coûte 950 000 fCfA. donc

notre produit e 1 de loin plu abordable .

IV.2 DELAI DE RECUP RATION DE L'INVESTI SEMENT

(D C)

Hypothèse de calcul

Température d'eau froide = 20 "C

Température d'eau chaude = 60 "C

On suppose que l' eau chaude sera utili é journellement à hauteur de R5% du volume de

stockage soit 138.48 J.

Calcul de la duré d'amortissement

La quantité de chaleur Qu nécessaire pour porter à une température de 60 oc, 138.48 1

d'eau à 20 "C est:

Qu= M'" 'l'*LH

Qu = 138.48*(60-20)

Qu = 5539,2 kcal

Ce qui correspond à une puissance utile Pu égale à :

Pu = 5539,2*4,18!3600

Pu = (,43 kWh

Le coût du kWh est 126,2 f e f A avec une TVA de J % el une taxe communale de 2,5 Xl

donc celte puis ance correspond à une économie journalière E de :

E = 6.4 .'* 126,2*( 1~O, JR.;.;') ,25)

E = 1160,39 fe f A

Le DR est donnée par la relation suivante :

DRe = Investissemen tEconomie

Et donc, on obtient DRe = 223 jours soit environ 7 mois et demi.

Presen te par Allonne Diop sr2007

56 2006 1

Conception et R éalisation d 'un chauffe-cau solaireESPITI JJES

Le produit devra fonc tionner correc tement pendant une durée de 7 mois el demi pour être

amorti.

IV.3 COMPARAISON ENTRE LES CHAUFFE-EAUX SOLAIRE

ET ELEC TRIQUE

Nous nous proposons dans cette pa rtie de faire une élude corn pamtive entre notre produit et

un hau ffe-eau électrique qu i fournirnis la même puissance j ournalière. Cette campa ison

se fera sur une pé riode de dix (10) ans avec un Lam d' actualisa tion de 12 '%.

Ce lte énergi e nécessair e est de S,7mQ S Wh/j soi t 3 17R,51 125 kWh/an.

L'évaluation du co ût d 'expl oitat ion s'es t fa it de la même man ière qu ' au paragraphe V.2.

CHAUFFE-EAU ELECTRIQU E

Valeur Valeur actuelle VAN

Investissement -320 000 -320000

Coüt exploitation -428 741 -1 331 604 -1 331 604

Coüt entretien 0 0 0

VAN -1 651 604 1

CHAUFF E-EAU SOLAIRE

Valeur Valeur actuelle VAN

Investissement -260 960 -260 960

Coüt exploitation 0 0 0

Coût entretien -15000 -46588 -46588

VAN -307 548


57 2()()fi 1

Conception el Réalisation d 'un chauffe -eau solaireESPITHIES

Ces résultats montrent que not e prodi it est plus rentable qu'un chauffe-eau électrique de

même capacité .

CONCLUSION

Né d'un besoin d'économie d' énergie et de onfort du Professeur SARR, ce projet a

permis de voir l'aspect pratique des connaissances acquises durant notre formatior . En

effet, nous avons eu à concevoir et à réaliser un chauffe-eau solaire (capteur « r éservoir)

pour une maison de 15 personnes et il l'expérimenter.

L'objectif vis , qui était de garantir Je façon continue l'eau chaude sanitaire, ceci il un

coût moindre, a été atteint (température minimale de 50 'Je dans le réservoir).

Les études expérimentales et économique, effectuées sur notre produit ont témoigné de sa

conformit é ave nos exigences tant du point dt: vue coût que du point de vue

fonctionnalité.

Nous avons montré par notre étude la rentabilité du chauffe-eau solaire par rapport à celui

fonctionnant à l'électricité.

Des étud . menées en parall èle ont montre 1 forte demande de ce produit ainsi que la

rentabili té d' une unité de fabrication de chauffe-eaux solaire.

Qu'est ce donc à dire si ce n'est que l'ori entation vers les énergies renouvelables, en

particulier le solaire, est une alternative d'envergure face à la problématique de l' énergie.

Pr tsent ép ar Alioune Diop sr200 7

5l:i 20061

Conception et R éalisation l'un chaujJè-euli solaireESPITIIlES

BIBLIOGRAPHIE

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« SYSTEAJECl/A UI·FJ:.'-EA U CAl'THUR . OLAIRE »PROJE DE FIN D'ETUDE ; Ecol e: Polytechni ue de 111iès (EPT) 1982

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« CONCEPTION D'UN NOUVEAU lv/ODELE Dt: Cl lA UFFE-EAU SOLAIRE »PROJET 0 • FI D'ETUDES; Ecol e Polytechniqu e: de Thés (EP ) 198\}

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APPLICATIONS,})

Technique & Documentation Lav oisi er. 2° diti on uugmentée 1980

ln] Paul DE 18A

Présenté pur Alioune Diop sr2007

59 2(}06 1

Concept ion el R éalisation d 'lin chauffe-cau salaireESPfJ'l1lES

« PLOMBERiE ET IN 7ALLAT/ONS DE TUYAUTERIES INDUSTRIELLES)1

NOTE DE COURS, Ecole Supérieure Polytechnique (ESP) Centre de Thiès 2007

l7J Abdelhamine BENALLOU - Jacques BOUGARD

« GUIDE:: DE L'ENERGiE SOLAIRE : LH SOLAIRE T1IERMIQUEAU St'RVICE

DU DEVELOPPEMENT DURA BLE»

Uq Henri Charl ent

« TRAITE DI.:: PLOMBEIUE JI

DUNOD, 14" édition révi sée en 1984

19J Centre d'Etudes et de Recherche sur les Energies Renouvelables

C -RER (Huon DAKAR SENEGAL)

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« BASIC NEAT TRANSFJ:.'R»

HARPER & ROW, New York 1980

l l l] John A. Duffie - William A. Beckman

«SaLAN ENERGY 'l'11ER/HAL l'NOCE SES»

Joh n Wiley & Son, 1974

Présen t épa r Alioune Diop sr2007

60 2006 /

Conception et R éalisation d'un chauffe-eau solaireESPfflllES

WEBOGRAPHIE

www.ademe.fr

http://www.google.fr/url?q=http://www.rel creen.net/fr/home.php&sa=X&oi= map&resnu

m= 1&cI=resull&cd=2&usg=AFOjCNFVRNOn hLYzpn9 105tbznWYPEawA

http://perso.orange.fr/t"5zv/AMIS/GAlA/GA04/GAD4A07.html

http://domsweb.orglecolo/solaire.php

Illtp://pages. videotron.com/cluber/index.html

http ://eosweb.larc.nasa.gov/sse/RETScreen/

http://perso.orange. fr/5zv/AM IS/GAIN GA04/GAD4A.html

http://www.onpeutlefaire.com/ilslontfait/regis-chauffe-eau-solaire.php

http://perso.orange. fr/fSzv/SOLAIRElSM5/ M5.html

http ://www.outilsolaires.com/premier/prin-thennosiphon.htm

http://www.tecsol.fr/slfr/calcuI2.htm

http://www.alpilles-solaires.fr/CPCSVMNlPartoul.html#mozTocId902938

Pré.'enté pur Alioune Diop sr2007

(il 2006 /

Concepti on et Réalisation d 'un chauffe-cali solaireESPfTNI 'S


62 2006 1

Conception el Réalisation d 'un chauffe-eau solaireESP/TIIIES

Pré (~1I1é par Alioune Diop ~ Y2007

51 2006 /

Con ception ct Réalisat ion d 'un clw/ljlc-call so laire:E5P1THfE5

ANNEXES

ANNEXE 1 ; VARIATION DES FACTEURS DE REFLEXiON, DETRANSMISSION ET D'ABSORPTlOr" DU VERRE ORDll'\AlRE Er" fO l'\CTlOr"DE L'INCIDENCE DU FLUX SOLAIRE

o - f1,\ 1~ '; ,

't o1 1

ti 0 70

,Su1.0

--y-- '---'- - -lli JO {ô

-o

0. 1, -. =-==:..=.- --- --

o,S -..-- --- - --

0,) - - -- -- - - . '

0,7

0,1. ---- --- - - -- -- , - - - ------

0, a

:t1,_a--------~, j0,'3;-------

0,&-

.,- - - - - - - - - - -- - ---------

Présenté par Al ioune Diop sr2007

a 2()()ô /

Conception et Réalisation d 'un chauffe-eau solaireESPITHIES

ANNEXE 2: CLASSIFICATION PAR FORME DES SERPENTINS Il]

BON

&; -:'-0~ /J .. -,~p /~ .... ~ ~/

Plaquns sou déespar pointe

Tub... " vert icauxPMall ele.>

? 1 ~ '1 · ) t" ~ S :;uLlbe- ~

Si l ! : (':( :$ pt ~ ~

,... .

MO'ilN

TIJt'\l:, Il nrcn tauxparall c1es

MEDIOC RE


b 2006 1

Conception el Réalisation d 'li n chauffe-eau solaire

AN'NEXE 3 U STE ISOLAI TS

ESPfT IIIES

1Mll"e Conductivit éthermique 'Jcmpérature résistance Pr ésen tations courantes

volumique maximale

1

(klY'ml) dutili ation

(\ \!I m, oC) (kenl!1t. m. "C) Humidité Feu Rongeur! chimique1

11

1 1 11ine d~ \>erre: 1 20 à 7() 0,041 0 ,C/.i5 Sup érieur iJ 1 x néces site Xxx xxx

1

.\ ..X..\

1

- feut re souple

1150' C

1

parc va peur

1

- pann eaux rillid<s plans (meilleure rési tance il l'humidit é)

1 1

- coqui lle cylindriques pour tuyuuteries' X bon

1

1

- matelas de feut re I: OU )'U sur carton ou grill:1g~

1

1

XX moye 1

1

- remarq ue : les feutres, POODèlI1L\ 1.1 coquilles peuvem ~rc ne" Ou co llés surX mauva s

lUI " arc , apeur (krall bitumé, atuminisé...) 11

La ine de roche 80 li 15U 0.04 1 0,035 Supérieur il

1

.\ nécessite

1

.\.JU'~ JI.XX x xx

1

Voir laine de verre (sauf bourrelets}

1

150 pare vapeur Remarques : Il résrste mieux à I' écrasemem "lue la laine de I.CITe

1 1 1

21 lu \aiJIC de roche .:st g én èraleme nt ut ilisée pour des température, plus

1d~\·cr:s

Polysryr èn« expans é 1 15 ~ 2~ 0 .042 il 0.039 0.03 6 a 0.03.1 R5' C , x n éc es sâte

1

x x x solvants1

- punnelllL~ rigides

1obtenu par oulage parc \' AJlI: tU

1

agres sifs1

- coquilles pour canalisations

11 1

- segm ents pour r éservoirs

11

- per les et copt..:l\u.\

Polysryrëne expans é

1

IRil 30 1J.U38 il o.oie

1

0.033 n U.U31 85'C 1 v\x 1 X x

1

.X solvants 1 Voir polystyrène obtenu par mou lage

1thermo comprun é

1 1agressif 1 Remarque : bonne réslstan ce ,', l' écrases cnt

Mousse dt: 30s 35 0.029 oms G én éralement1

xxx 1 x mais ne X.\ X M 1 - panneaux rigides

1polyuréthane lin peu

1

propage pas - plaqu es souple.

supérieur ,t

1

la tÙUl1ll1C ~ manchons s..ouples pour tuyaut...~r ies

11000

1Remarque : certa ines qualités som variab les selon ·S mnrq u~s.

Mou~se de1

25 0.027 0.023 IOO'C ou plu;

1

.'-X.\. X mais ne xxx .U 1 Une bombe de 1kg d nne un volume de 40 litres

1i"" lyul';l!tane en

1

propage pas

1

Remarque : n 'adh ère pHS sur 1", 'lIicon es, le t éflon. le polyéth ylène

bombe1

III fl amme1

Li ège expansé pur 210 0,043 0.037 Sup érieur ilt

xxx1

x xx Ah

Présent épar Alioune Diop sr 2006 1 2007

:rs~.::.sc'"-21~-s...:::~

~;:~

~§-.2 èS-~

i;].~

;:-- .Q~' '1.)

-.Cl::...~

'::lêi

~~'-~iS~

.~::::et~

Cl

Conception et Réalisation d'un chauffe-eau solaireESPfI'HIES

ANNEXE 4 MISE A L'EPREUVE DU RESERVOIR (enveloppe interne)

1. Introduction

NOUS AVONS CHOISI DE LA TOLE GALVA AVEC UNE EPAISSEUR DE 1mm. IL

NOUS FALLLAIT DONC VERIFIER SON ADEQUATION.

2. Informations sur les fichiers

Nom du

modèle:

Emplacement

du modèle:

Emplacement

des résultats:

Nom de

l'étude:

3. Matériau.

reservoir envintr

C:'Documents and Settings\ALIOUNE\Bureau\pr

2main\NGOR REPRlS\reservoir envintr.SLDPRT- -

C:\Program Files\SolidWorks (2)\COSMOS\work

COSMOSXpressStlldy (-Défaut-)

1

- - - - - ~ -- - --1SW1Acier allié

1 reservoir envintr1 - inoxydable

Nell" d" lu picec \l1lcéri:1 Il \ \ nlumique

13Ü33-10.00482644

kg :m1\3 1

4. Informations sur les chargements et les déplacements imposé

Déplacements imposés


d 2006 1

Conception et Réalisation d'un chauffe-eau solaireESPITHIES

IDéplacement imposél F ur 1 Face(s) immobile (pas de translation).

I<reservoir_envintr> 1

rsCriPtiO~ J--_------Chargements

Chargementl

<reservoir envintr>

IDescription:

5. Propriété d'étude

sur 2 Face(s) avec pression 2e+OOS N/m1\2

le long de la normale à la face sélectionnée

Informations sur le maillage

ITYPe de maillage:

Mailleur utilisé:

ITmnsition automatique:

Maillage lissé :

IVérif. du Jacobien:

------Taille de l'élément:

!Tolérance:

Qualité:

INombre d'éléments:

Nombre de noeuds:

[Maillage volumique

Standard

rDésactivé(e)

Activé(e)

4 Points1--- 16.903 mm

!0.84513 mm1

Haute

i562231

108859

Informations sur le solveur

Qualité:

IType de solveur:

6. Contraintes


Haute

e

j

20061

Conception et Réalisation d'un chauffe-eau solaireESPITHlES

1(94.8212 (-47.1766

177.7783 mm, 6.6885e+007 mm,contrainte

Tracél N/m"2 782 mm, N/m"2 780 mm,de von

1-12.4165Mises

-101.012

mm) mm)

Nom du modèle: reservoir envinlrNom de rélude: COSMOSXpressSludyType de tracé: stliltfque contrainte nodale Tracé1EcheUe de détormation: 803.738

von Mises (NIlTr'2 )

6 .688e+007

. 6 .131 e+007

.5.574e+OO7

5.D16e+007

. 4 .4Sge+OO7

_3 .902e+007

3 .344e+007

2.787e+00 7

2 .23Oe+OO7

1 .672e+OO7

1 .115e+007

5.574e+006

7.776e+001

~imile d'élasticité:2.41 :

z


f 20061


7. Déplacements

ro - -1~ 11.904

0.000194658 mm,

résultant

oID

EIII IlJlin' III CIl ,

(-51.4318

mm,

782 mm,

-94 mm)

ID

Elllpll.l~·~·mël\f

-781 mm,

-2.76665

mm)

-- --- -----------------------'


g 20061

Conception et Réalisation d'un chauffe-eau solaireESPlrHlES

Nom du modèle: reservoir_envïntrNom de l'étude: COSMOSXpressstudyType de tracé: Déplacement statique Tracé2EcheCe de déformation: 803 .738

z

8. Déformées

URES (rn)

1 .947e-004

1.784e-004

_1 .622e-004

1.460e-004

_1 .298e-0ü4

1 .136e-004

_9.733e-OOS

8 .111e-005

6.48ge-OOS

4 .86Ge-OOS

3.244e-005

1.622e-005

1.000e-033

Tracé 1111. Facleur tJ'~chc"c

803.74


h 20061


Nom du modèle: reservoir_envintrNom de rétude: COSMOSXpressStuclyType de tracé: Modèle déformé Trecé3EcheDe.de défonnation: 803.738

z

9. Contrôle de conception

J


20061


Nom de la bibliothèque de matériaux: Matériaux SolidWorks

Type de modèle de matériau: Linéaire élastique isotropique

Nllm rt" Il! propri êtè "lIleu r

l!Kelvin-----'=-----""=----------,------- --==--- -r-----'=::;...,=.""""'----Coefficient d'expansion thermique I.Se-OOS

1 -- -- -- -- - , --lModule d'élasticité ( ge+Oll IN/m

A2

1

'Coefficient de Poisson 0.26 NA-- --

IN/mA 2lModule de cisaillement 7.8e+01O1

Masse volumique 7300 kg/mA3

,,Limite de traction 4.4808e+008

Limite d'élasticité 2.4128e+008

Conductivité thermique

[Chaleur spécifique

38

440

W/(m.K)

iJ/(kg·K)

Note:

COSMOSXpress Lesrésultats sont bases sur la théorie de l'analyse statique linéaire et le

matériau est supposé isotropique.L'analyse statique linéaire suppose que: 1) Le

comportement du matériau est linéaire et suit la loi de Hooke, 2) les déplacements induits

sont suffisamment petits pour ignorer les modifications de rigidité dus aux chargements, et

3) les chargements sont appliqués lentement et les effet dynamiques sont négligeables.

Ne basez pas vos décisions de conceptions uniquement sur les données présentées dans ce

rapport. Utilisez ces informations en conjonction avec des données expérimentales et votre

expérience pratique. Des test réels sont indispensables pour valider votre produit final.

COSMOSXpress permet de réduire la durée de développement de vos produits en

diminuant le nombre de tests réels, mais pas en les supprimant totalement.


k 20061


ANNEXE 5 Dessins de définition du modèle

Présenté par Alioune Diop SY

ESPITHIES

200612007

-


ANNEXE 6 LA REALISAnON EN IMAGE

1. Découpage des planches pourle cadre

2. Rainurage des faces latéralesdu cadre


m 20061

Conception et Réalisation d 'un chauffe-eau solaireESprrHJES

3. montage duserpentin surl'absorbeur

4. Mise en place de l'isolation

Présenté par A/ioune Diop sr2007

n 20061


5. Assemblage cadre-absorbeur(1)

6. Assemblage cadre-absorbeur(2)


o 20061

Conception et Réalisation d'un chauffe-eau solaireESPITH1ES

7. Découpage de la vitre 8. Préparation du cadre pour lavitre


plO. Fixation de la vitre 2006/


ESPITHlES

9. Application du mastic sur lesjointions cadre-vitre

Il . support du capteur


q 20061

Conception el Réalisation d'un chauffe-eau solaireESPITHlES

12. Interconnexion descanalisations

13. Point de purgage


r

14. Mise en place de la vis de

purge 20061

Conception et Réalisation d'un chauffe-eau solaireESPITHLES

15. Capteur monté


s 20061

Conception et Réalisation d'un chauffe-eau solaireESPfFHlES

16. Peinte dusupport du réservoir(1)


20061

1Conception et Réalisation d 'un chauffe-eau solaireESPITHlES

17. Ensemble capteur-réservoir


u 20061

1Conception et Réalisation d'un chauffe-eau solaireESP/THIES

ANNEXE 7 THERMOCOUPLE

Ils sont utilisés pour la mesure de température et leurs avantages résident dans le fait qu'ils

sont bon marché et qu'ils permettent de mesurer une grande gamme de températures.

Cependant, un défaut de précision constitue leur véritable point faible. En effet, il est très

difficile d'obtenir des mesures avec une erreur relative entre O. lOC et -0.2°e.

La mesure de la température est basée sur l'effet Seebeck

Le thermocouple est un générateur thermoélectrique constitué de deux conducteurs de

natures différentes réunis en un point par une soudure. TI fournit une force électromotrice

dont la valeur est fonction de la température du point de jonction. Ce point est appelé

soudure chaude ou soudure de mesure. L'autre point de jonction est la soudure froide.

Par effet Seebeck, le thermocouple génère une différence de potentiel qui dépend de la

différence de température entre les deux jonctions Tl - T2.

Câble en cuivre

Câble cl'extension

T

Thermocouple

Fig. 1 .10. : Principe du thermocouple

Les thermocouples mesurent une différence de température et non pas proprement parler

une température. Ainsi, pour mesurer la température inconnue c'est-à-dire celle de la

soudure chaude, la jonction de la soudure froide doit être maintenue une température

connue (température de référence)

II existe plusieurs types de thermocouples .Tous sont utilisés pour une gamme précise de

température de quelques degrés à quelques milliers de degrés. Les signaux électriques de

ces sondes sont de l'ordre du microvolt au millivolt et sont non linéaires. Les signaux sont


v 2006/


traités par des modules électroniques intégrant une fonction adaptée au thermocouple qui

linéarise le signal et le corrige avec la soudure froide .

Ainsi, à partir de points de référence de coordonnées (4mA, O°C) et (20mA,

1200°C), l'automaticien peut à partir d'une mesure donnée du courant déduire la

correspondance thermique.

Les thermocouples peuvent être classés selon les types de métaux qui les constituent .Ils

différent ainsi par leur gamme de température, leur précision, et aussi leur type d'isolation.

Nous pouvons citer:

Tableau: Type Métal! Métal 2 Gamme de température

Types Métal! Métal 2 Gamme de température

K Chromel (Nickel + Chrome) Alumel (nickel + -200°C à 1200°C

aluminium)

E Chromel (Nickel + Chrome Constantan (cuivre + Pour basses températures

nickel)

N Nicrisil (Nickel + chrome + Nisil (nickel +silicium) Pour hautes températures

silicium)

J Fer Constantan (cuivre + Fonctionnement dans le

nickel) vide

T Cuivre Constantan (cuivre + Pour basses températures

nickel)

R Platine + Rhodium (13%) Platine Pour hautes températures

S Platine + Rhodium (10%) Platine Pour hautes températures

B Platine + Rhodium (30%) Platine + Rhodium Pour hautes températures

(6%)


w 20061

Conception et Réalisation d'un chauffe-eau solaireESPII'HlES

Montaze d'étalonnaze

Etalonnage du thermocouple: T =f(V)

r- 120

>.5-c.2li)cCDt-

20

y =27 ,056x + 42,31

- Série1

- Linéaire (Série1 )

-1 o 1

Température (CC)

2 3

Présenté par Alioune Di0R:.~~rbe d'étalonnage du thermocouple2007

20061


MAINTENANCE

Les systèmes solaires sont construits pour durer aussi longtemps que tout système de

plomberie, et doivent être conçus pour résister aux intempéries. TI s'agit donc de systèmes

fiables, demandant peu d'entretien. C'est en particulier la cas des systèmes du type

thermosiphon qui ne possèdent aucun contrôleur pouvant faire défaut, ni pièce mécanique

en mouvement. Des contrôles de routine permettront de détecter à temps tout problème sur

le système solaire. Leur entretien maintiendra ses performances et prolongera sa durée de

vie.

Boucle solaire

Les suivants sont recommandés après chaque tempête. TI s'agit d'effectuer une inspection

des capteurs solaires et de la tuyauterie.

• Détecter et corriger tout bris de vitre, de tuyauterie, ou d'isolant.

• Nettoyer si nécessaire les capteurs solaires.

• Vérifier l'état et la solidité des supports.

• Chercher et corriger toute fuite éventuelle.

• Dans les capteurs plans vitrés, surveiller l'apparition d'humidité. Si c'est le cas,

vérifier et corriger le joint entre le cadre et la vitre. TI faut aussi vérifier que les

drains placés en dessous du capteur soient bien dégagés, permettant à l'isolant du

capteur de respirer

Réservoir de stockage

Dans les endroits ou l'eau est chargée en minéraux ou particules en suspension, il est

recommandé de procéder régulièrement à une vidange complète et au nettoyage du

réservoir. L'élimination des dépôts permet de conserver l'efficacité du système, de

prévenir des risques d'obstruction de la tuyauterie, mais également des risques de

prolifération bactérienne.


y 20061

Conception et Réalisation d 'un chauffe-eau solaireESP/THlES

Sécurité

Les capteurs en stagnation peuvent atteindre des températures d'autant plus élevées qu'ils

sont performants. Même un capteur plan à simple vitrage put monter en stagnation à une

température supérieure à lOO°e. TI existe un danger de brûlure au simple contact des

pièces métalliques proches de la plaque absorbante .On recommande de porter des gants et

d'utiliser une toile pour couvrir les capteurs pendant J'installation ou la maintenance.


z 2006/