Etude de l'écoulement et du transfert thermique dans le Photobioréacteur Algofilm pour la production solaire de microalgues : développement de la régulation thermique passive

Study of Hydrodynamics and Heat Transfer in the AlgoFilm© Photobioreactor for Microalgae Production in Solar Conditions : development of a Passive Thermal Regulation

• Auteur / Autrice : Kashif Hussain Mangi
• Direction : Jack Legrand, Si-Ahmed El-Khider, Jérémy Pruvost
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des pocédés
• Date : Soutenance le 15/07/2021
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Nantes Université)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Génie des Procédés Environnement – Agroalimentaire (GEPEA) (Saint-Nazaire)
• Jury : Président / Présidente : Vincent Goetz
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : David Rouzineau, Laurent Pilon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microalgues

Photobioréacteurs

Bilan thermique (thermique)

Température -- Régulation

Mots clés libres

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Résumé

Cette thèse a pour objectif de développer une technique de régulation thermique d’un PBR solaire. Cette technique consiste à contrôler la température du film contenant des microalgues (Algofilm©) par le biais de condensats formés au niveau de la surface intérieure du PBR qui pourrait servir de filtre pour l’infra-rouge dans des conditions solaires réelles. Ce travail a été mené en deux parties. Dans la première, une étude expérimentale et théorique détaillée à l'échelle du laboratoire (indoor conditions) pour élaborer un modèle thermique validé. La deuxième partie consiste à étendre le modèle indoor au cas outdoor (conditions solaires réelles) afin de voir l’influence du condensat sur la température du Algofilm©. Une étude expérimentale de la dynamique de croissance des gouttes de condensats a été aussi menée. Cette étude a pour but de voir l’influence du détachement des gouttes de la surface intérieure de PBR sur la température du Algofilm©. Les simulations du modèle indoor ont été validées avec les résultats expérimentaux. Dans un premier cas, la température du film a été maintenu constante. Dans le deuxième, la température du film a été variée expérimentalement afin de simuler un jour solaire typique. Pour des deux cas l’estimation du taux condensation était conforme aux résultats de l’expérience. Cette validation a démontré l'applicabilité du modèle aux conditions solaires réelles (outdoor), où une évaluation précise du condensat est nécessaire pour prédire la filtration infrarouge

This PhD study is focused on the development of a self-sustained passive thermal regulation technique for Algofilm© solar PBR. This passive thermal approach through condensate development at the under-surface of Algofilm© solar PBR was conducted in two parts; I) A detailed indoor experimental work for the development of a basis to develop a heat and mass transfer model, II) To extend the developed model in real solar conditions to estimate the condensate film thickness in dynamic day/night cycle conditions. Average condensate film thickness of 2.2 mm in steady state conditions was recorded. A theoretical, heat and mass transfer model was proposed and validated with the indoor experimental results. The condensate droplet growth and dripping were also investigated for a possible effect. The purpose of studying droplet dynamics was to see the influence of drop detachment from the inner surface of PBR on the temperature of Algofilm©. The numerical predictions of indoor model adapted to a simulated sunny day were in good agreement with the experimental recordings. This validation evidenced the model applicability to real solar conditions, where an accurate evaluation of the condensed water is required for predicting the infrared filtration. The second objective was to extend the model to outdoor dynamic condition to quantify the condensate film. The estimation of condensate film thickness was further used to quantify the removal amount of excess heat (infrared spectrum). The model revealed a significant efficiency of current regulation approach and a significant temperature reduction for a hot sunny day in summer