Modélisation et expérimentation d'un déhumidificateur d'air des serres par fluide hygroscopique organique régénéré thermiquement

Experimentation and modelisation of air greenhouses dehumidificator by organic fluid regenerated thermically

• Auteur / Autrice : Ahmed Chraïbi
• Direction : Lucien Elegant
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'ingénieur
• Date : Soutenance en 1994
• Etablissement(s) : Nice
• Jury : Président / Présidente : Lucien Elegant
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Baille, Nicole Balbi, Isabelle-Maria Bertrand, Jacques Giordano, André Jaffrin, Philippe Suhas
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Michel Daguenet, Michel Schneider

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chaudières

Distillation

Bilan hydrologique

Humidité de l'air

Serres

Mots clés libres

Sciences biologiques fondamentales et appliquées

Agronomie, sciences du sol et production végétale

Déshumidificateur air

Déshumidification

Air humide

Bilan eau

Propriété hygroscopique

Régénération

Chaudière condensation

Serre

Modélisation

Modèle physique

Modèle mathématique

Prototype

Triéethylenglycol

Nk

Fluide hygroscopique

Cd

Résumé

Le contrôle de l'hygrométrie des serres de culture est presqu'aussi important que le contrôle de leur température, et cet impératif entraîne chez le producteur des coûts et des contraintes importantes qui limitent la rentabilité de son outil. Nous avons examiné les processus d'évapotranspiration qui sont responsables de l'excès d'humidité, puis nous avons étudié une méthode de déshumidification qui privilégie l'aspect économique et s'adapte aux systèmes de chauffage des serres : la capture de vapeur d'eau par un fluide hygroscopique régénère thermiquement. Ce fluide est le triéthylène glycol (TEG), qui se présente d'un usage plus facile que les saumures salines utilisées jusqu'ici, et la régénération se fait par distillation d'eau au contact de fumées d'un bruleur immergé. Un lavage final par une eau de basse température permet de récupérer l'enthalpie. Le processus de capture de vapeur d'eau par du TEG de concentration comprise entre 80 % et 100 % a été étudié expérimentalement sur des pads de type cooling, puis modélisé avec des équations de transfert de chaleur et de masse adaptées aux cas diphasiques, pour permettre une optimisation des géométries d'échangeur et déterminer les conditions de séchage de l'air par diverses concentrations de TEG. Une concentration de 90 % s'est révélée bien adaptée au séchage de l'air des serres. Le processus de régénération du TEG a été d'abord étudié en maquette de laboratoire, ou une fourchette admissible de 55° à 75°C a été mise en évidence pour la température d'arrosage du TEG, tandis que les fumées mises en contact pouvaient varier de 100° à 130°C. Puis une modélisation, à partir d'équations analogues à celles décrivant le processus de capture d'eau, a été réalisée et a confirmé le domaine utile de températures pour opérer l'extraction d'eau sans perte de TEG. Enfin, un prototype de régénération en vraie grandeur a été construit à partir d'une chaudière de serre à brûleur immergé. Dans sa première version, ce prototype est capable de régénérer le TEG, au voisinage de sa concentration utile de 90 %, au taux de 12 kg d'eau par heure, pour une puissance au bruleur de 75 kW, avec un lavage à température ambiante. Ce prototype est bien adapté aux besoins de chauffage et de déshumidification d'une serre de culture de 500 m2 en hiver. Le doublement de ses capacités est une opération apparemment accessible

Controlling humidity in agricultural greenhouses is the next most important feature after heating. It usually requires expensive procedures like « heating-while-ventilating », or unaffordable systems like electrical heat-pumps. The evapotranspiration, at the origin of humidity excess, is studied. An alternative way to th use of compression heat pumps is proposed. It requires a relatively common heating device for greenhouses (a condensation boller), and a dessicant organic fluid, the triethylene glycol (TEG), more convenient and less phylo-toxic than saline brines. The regeneration of the diluted TEG is done through a process of distillation by hot fumes, followed by enthalpy recovery of the fumes by cool water washing. The first step was to prove that a 90 % rich TEG aquous solution was just as good a calcium chlorine 40 % brine for air drying purposes in a greenhouse. This was done experimentally and confirmed by numerical simulations based on heat and mass transfer equations between 2 phase fluids. The numerical code enables to optimize dimensions of the trickle exchangers used as air dryers. The next step was first undertaken on a reduced laboratory scale, to check the range of admissible tempertures for TEG (from 55° to 75° C) and drying fumes (from 100° to 130° C), so that water is extracted with minimum TEG loss. Numerical simulations brought additional grounds for these values and allowed for performance predictions. Then, an industrial prototype was constructed on the basis of a commercial greenhouse condensation boiler. In the first version, this prototype was able to extract 12 kg of water per hour, from a 90 % rich hydroscopic solution, with a burner tuned at 75 kW, and fumes washed with ambiant temperature water. This is typically what is required to heat and dry the air of a 500 m2 agricultural greenhouse in winter. Prospects for as 150 kW unit able to extract more than 20 kg H2O per hour are well within reach