Intensification passive des transferts thermiques dans les capteurs solaires plans par manipulation de l’ecoulement dans les tubes caloporteurs
Jules Voguelin Simo Tala1, Emmanuel Wendsongre Ramde2, Daniel Bougeard1
⋆ : jules-voguelin.simo.tala@imt-lille-douai.fr
1 IMT Lille Douai, EI, F-59508 Douai, France
2 KNUST Kumasi, BHEC, Mech. Eng. Dept., Ghana
Mots clés : Intensification des échanges, Capteur solaire, Simulation numérique, Couplage conducto-convectif
Résumé :
Les capteurs solaires thermiques basse température sont des composants thermodynamiques employés dans les applications de conversion du rayonnement solaire en chaleur sensible basse température. Ils trouvent leurs applications notamment dans le secteur résidentiel et hôtelier des pays nordiques mais particulièrement des pays tropicaux à forte disponibilité énergétique solaire pour la production d’eau chaude sanitaire. Selon la technologie employée dans les applications ci-dessus, on distingue les capteurs plans vitrés ou non et les capteurs à tubes sous vide.
Les capteurs plans vitrés sont classiquement constitués d’un réseau de canalisations noyés dans un absorbeur isolé sur ses parois inférieure et latérales, et recouvert d’un vitrage spécifique sur sa face supérieure exposée au rayonnement solaire. Les tubes transportant le fluide caloporteur sont dans les applications courantes de géométrie simpliste et peu compact (absence d’intensification des échanges thermiques), ce qui conduit à des fonctionnements à température moyenne élevée par rapport à l’ambiance et par conséquent à des pertes thermiques élevées. Dans ces géométries, il existe un couplage fort entre les transferts thermiques conductifs, convectifs (naturels et forcés) et radiatifs. Les performances de ces composants thermiques dépendent énormément de la dynamique de l’écoulement dans les canaux transportant le fluide caloporteur, des propriétés thermo-physiques des matériaux d’isolation ainsi que des caractéristiques géométriques du capteur. L’intensification des transferts thermiques dans le fluide caloporteur par manipulation passive de l’écoulement représente un moyen intéressant de réduction des pertes thermiques et donc d’accroissement des performances de ces équipements.
La communication proposée présente les résultats obtenus en termes de performances de transfert dans une configuration géométrique de capteur plan dans laquelle une technique d’intensification des échanges thermiques est implémentée par manipulation passive de l’écoulement du fluide caloporteur pour trois points de fonctionnement correspondant à une plage de nombre de Reynolds compris entre 500 et 1500. Les résultats sont obtenus par simulations numériques réalisées à l’aide du code de calcul Star CCM+ en mettant en œuvre un couplage entre la conduction dans l’absorbeur et le matériau d’isolation, la convection forcée dans le fluide caloporteur et la convection naturelle entre l’absorbeur et le vitrage. Une attention particulière est portée au maillage et aux modèles physiques employés, en particulier la prise en compte du couplage conducto-convectif. Une analyse de l’influence du nombre de Reynolds sur les échanges thermiques est présentée en termes de structuration de l’écoulement et de performances thermiques locales et globales.
doi : https://doi.org/10.25855/SFT2020-151
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