FR3040774A1 - Sechoir solaire pour produits agricoles ou marins. - Google Patents

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Abstract

Chambre de séchage (2) pour produits agricoles ou marins comprenant : - des clayettes (3) destinées à supporter les produits agricoles ou marins à sécher, les clayettes (3) étant disposées parallèlement les unes aux autres à l'intérieur de la chambre de séchage (2), - une entrée de fluide de séchage (4) et une sortie du fluide de séchage (5) séparées par les clayettes (3), de manière à placer les clayettes (3) le long du flux de fluide de séchage à l'intérieur de la chambre de séchage (2), l'entrée de fluide de séchage (4) étant positionnée sur une extrémité de la chambre de séchage (2), la sortie de fluide de séchage (5) étant disposée à l'extrémité opposée de la chambre de séchage (2). Les clayettes (3) sont positionnées de manière à séparer le flux de fluide de séchage en provenance de l'entrée (4) en une pluralité de sous-flux, un sous-flux circulant parallèlement entre deux clayettes (3). La chambre de séchage (2) est reliée à un capteur solaire, configuré pour chauffer le fluide de séchage, avant son entrée dans la chambre de séchage (2).

Description

Séchoir solaire pour produits agricoles ou marins.
Domaine technique de l'invention L’invention est relative à un séchoir solaire pour produits agricoles ou marins, et plus particulièrement, à une chambre de séchage pour produits agricoles ou marins. État de la technique
La spiruline (Arthrospira Platensis) est une microalgue à forte teneur en protéines, vitamines, minéraux et acides gras saturés. Les protéines représentent 60 à 70% du poids sec de la spiruline. Cette microalgue présente donc un fort potentiel nutritif et est couramment utilisée pour l’alimentation, en tant que complément alimentaire.
La spiruline séchée peut conserver ses qualités nutritives pendant plusieurs années. La déshydratation de la spiruline permet, non seulement, d’éviter la présence de micro-organisme, et de stopper les réactions enzymatiques, mais également de réduire le poids et le volume de la spiruline, ce qui facilite ensuite le transport et le stockage.
Il est donc essentiel de pouvoir déshydrater efficacement la spiruline.
Plusieurs techniques de séchage existent actuellement : 1) La lyophilisation (congélation + séchage par sublimation grâce à une pompe à vide), 2) Le séchage par atomisation (dispersion de la pâte fluide dans un gaz porteur chaud), 3) Le séchage par air chaud convectif utilisant une ressource primaire, 4) Le séchage solaire direct, 5) Le séchage solaire indirect.
La lyophilisation et le séchage par atomisation sont des techniques de séchage nécessitant l’utilisation de technologies avancées, et donc un investissement initial important. De plus, elles sont particulièrement énergivores (congélation, pompe, chauffage, etc).
Le séchage par air chaud convectif est l’un des procédés les plus utilisé dans l’industrie : de l’air chaud est envoyé sur le produit à sécher. L’air chaud fournit la chaleur nécessaire à l'évaporation du liquide, présent dans le produit, et entraîne la vapeur formée. L’air chaud peut être obtenu par combustion de gaz naturel. Cette technique nécessite également beaucoup d’énergie pour la combustion du gaz et n’est donc pas adapté pour sécher les micro-algues de façon artisanale.
Pour sécher de petites quantités de spiruline, des déshydrateurs électriques sont souvent utilisés. Le principe est d’utiliser la puissance électrique à la fois pour le renouvellement de l’air (convection) et comme source de chaleur. Les fabricants les plus connus sont notamment Stockli et Tribest.
Les techniques 4) et 5) sont particulièrement intéressantes car elles profitent du rayonnement solaire comme source de chaleur.
Le séchage solaire « direct » expose la matière à déshydrater au rayonnement solaire. Par exemple, le séchoir solaire est sous la forme d’une tente. Les parois de la tente sont en matière plastique. Des aliments à sécher, comme du poisson, sont disposés sur le plancher de la tente. Des entrées d’air situées dans la partie inférieure de la tente assurent la convection de l’air et le séchage des aliments (« Conserver et Transformer le Poisson », éd. par le GRET, ISBN: 2-86844-053-3).
Cette technique de séchage est largement utilisée mondialement car elle est simple à mettre en place et nécessite peu d’investissement.
Cependant, cette exposition directe peut occasionner des dégradations comme le découpage de liaisons chimiques par les ultra-violets (UV), ou encore la surchauffe non maîtrisée de la matière par exemple.
La dernière technique, le séchage solaire indirect 5), est une technique couramment utilisée pour le séchage des denrées alimentaires (fruits, champignons, légumes, etc) et des microalgues.
Dans cette technique de séchage, les denrées à sécher ne sont pas directement soumises au rayonnement solaire et notamment aux UV. La température des denrées est ainsi beaucoup plus homogène et n’atteint pas d’extrema susceptibles de dégrader les produits : l’intégrité des protéines ou des vitamines est préservée.
Comme représenté sur la figure 1, les séchoirs solaires comprennent un capteur solaire 1 et une chambre de séchage 2, en communication fluidique. Par communication fluidique, on entend que l’air peut circuler depuis le capteur solaire 1 vers la chambre de séchage 2.
Les produits à sécher sont répartis dans la chambre de séchage 2 sur différents étages, sur des clayettes 3 ou claies. L’air est chauffé dans le capteur solaire 1 et circule, ensuite, vers la chambre de séchage 2. Le mouvement de l’air se fait de haut en bas dans la chambre de séchage 2.
Cependant, dans ce type de dispositif, l’air chaud et sec est introduit par le dessous du produit. L’air se refroidit et se charge d’humidité au contact des premières couches de produit. Les couches supérieures ne sont donc pas séchées en même temps que les premières couches. De plus, le produit ayant le taux d’humidité la plus faible est en contact avec l’air le plus chaud et le moins humide. Il existe donc toujours un risque de détériorer les produits thermosensibles.
Afin d’assurer la bonne uniformité de séchage de pallier à cet inconvénient, il est possible d’agiter le produit et/ou de déplacer manuellement les clayettes 2. Cependant, ce type de dispositif n’est pas pratique à mettre en œuvre.
Objet de l'invention L’invention a pour but de remédier aux inconvénients de l’art antérieur et, en particulier, de proposer une chambre de séchage permettant de sécher de façon homogène et efficace le produit à déshydrater.
Cet objet est atteint par une chambre de séchage pour produits agricoles ou marins comprenant : - des clayettes destinées à supporter les produits agricoles ou marins à sécher, les clayettes étant disposées parallèlement les unes aux autres à l’intérieur de la chambre de séchage, - une entrée de fluide de séchage et une sortie du fluide de séchage séparées par les clayettes, de manière à placer les clayettes le long du flux de fluide de séchage à l’intérieur de la chambre de séchage, l’entrée de fluide de séchage étant positionnée sur une extrémité de la chambre de séchage, la sortie de fluide de séchage étant disposée à l’extrémité opposée de la chambre de séchage.
Les clayettes sont positionnées de manière à séparer le flux de fluide de séchage en provenance de l’entrée en une pluralité de sous-flux, un sous-flux circulant parallèlement entre deux clayettes.
Cet objet est également atteint par un séchoir solaire pour produits agricoles ou marins, comprenant : - une chambre de séchage telle que précédemment décrite, - un capteur solaire, muni d’une entrée de fluide de séchage et d’une sortie de fluide de séchage, le capteur solaire étant configuré pour chauffer le fluide de séchage, - un système de jonction reliant la sortie du fluide de séchage du capteur solaire à l’entrée de fluide de séchage de la chambre de séchage.
Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 représente, de manière schématique, en coupe, un séchoir solaire selon l’art antérieur, - la figure 2 représente en trois dimensions, de manière schématique, une chambre de séchage selon un mode de réalisation de l’invention, - la figure 3 représente en trois dimensions, de manière schématique, une clayette d’une chambre de séchage selon un mode de réalisation de l’invention, - la figure 4 représente en trois dimensions, de manière schématique, un séchoir solaire comprenant une chambre de séchage et un capteur solaire selon un mode de réalisation de l’invention, - la figure 5 représente en trois dimensions, de manière schématique, un capteur solaire selon un mode de réalisation de l’invention, - la figure 6 est un graphique donnant la température d’équilibre d’un capteur solaire en fonction de l’émissivité de la surface, dans le cas théorique où il n’y aurait pas de refroidissement par convection et pour un flux solaire incident de 800W/m2, - la figure 7 est un graphique donnant la puissance émise par un capteur solaire en fonction de l’émissivité de la surface pour les mêmes hypothèses que celles de la figure 6 ; le trait représente la puissance solaire typique à mi-journée en été en PACA.
Description d’un mode de réalisation préférentiel de l’invention
La chambre de séchage 2 est une chambre de séchage pour produits agricoles ou marins, notamment pour des applications alimentaires. Les produits à déshydrater peuvent être des fruits, des légumes, ou encore des champignons.
Il peut également s’agir d’algues, et plus particulièrement de microalgues. Préférentiellement, la microalgue à sécher est de la spiruline, une cyanobactérie très cultivée dans le monde. La biomasse algale est généralement obtenue, après une étape de filtration, sous la forme d’une pâte comprenant plus de 80% d’eau. Pour être séchée, la pâte est disposée dans la chambre de séchage 2 sous la forme d’une fine couche ou encore sous la forme de spaghetti.
Comme illustré à la figure 2, la chambre de séchage 2 pour ces produits agricoles ou marins est creuse et comporte un orifice d’entrée d’un fluide de séchage 4 et un orifice de sortie du fluide de séchage 5. Dans l’exemple particulier de la figure 2, la chambre de séchage 2 a sensiblement la forme d’un pavé droit qui comprend une paroi supérieure 6, une paroi inférieure 7, deux parois latérales, une paroi avant et une paroi arrière.
La paroi supérieure 6 et la paroi inférieure 7 sont sensiblement parallèles entre elles. L’entrée du fluide de séchage 4 est disposée à une extrémité de la chambre de séchage et la sortie du fluide de séchage 5 est disposée à l’extrémité opposée de la chambre de séchage 2.
La paroi dite avant correspond à la face avant de la chambre de séchage 2. L’entrée d’air 4 est positionnée sur la paroi avant. La paroi avant est avantageusement perpendiculaire aux parois supérieure 6 et inférieure 7.
Dans la configuration illustrée, l’orifice d’entrée 4 et l’orifice de sortie 5 sont configurés pour que le flux d’air, représenté par les flèches sur la figure 2, soit parallèle aux parois supérieure 6 et inférieure 7 sur au moins une partie de son trajet entre l’entrée d’air 4 et la sortie d’air 5.
Un flux de fluide de séchage peut circuler à l’intérieur de la chambre de séchage 2 depuis l’orifice d’entrée 4 jusqu’à l’orifice de sortie 5. Le fluide séchage étant chaud, il a tendance à monter à l’intérieur de la chambre de séchage. Il est donc particulièrement avantageux de placer l’orifice de sortie plus haut que l’orifice d’entrée lorsque la chambre est en fonctionnement.
Les flux du fluide de séchage sur les différentes figures sont représentés par des flèches pleines. Le fluide de séchage pourrait être un gaz neutre, de type azote. De manière avantageuse, le fluide de séchage est de l’air car il est facilement accessible. Dans le reste de la description, le fluide de séchage est présenté comme étant de l’air.
Dans le mode de réalisation illustré, l’entrée d’air 4 est positionnée sur la paroi avant pour balayer au mieux toute la section interne de la chambre. La sortie d’air 5 est disposée de manière à ce que l’air circule facilement et de manière passive, entre la paroi inférieure 7 et la paroi supérieure 6, c’est-à-dire que la sortie d’air 5 est disposée plus haute que l’entrée d’air de telle sorte que l’air entre par la paroi avant et que l’air circule entre la paroi supérieure 6 et la paroi inférieure 7 jusqu’à la sortie d’air 5.
La sortie d’air 5 peut être positionnée au niveau de la paroi arrière, située à l’opposée de la paroi avant. Dans cette configuration, et si la sortie d’air est au même niveau que l’entrée d’air, un ventilateur peut être disposé au niveau de l’entrée d’air 4 de manière forcer, accélérer le mouvement de l’air entre l’entrée d’air 4 et la sortie d’air 5.
La sortie d’air 5 peut être disposée au niveau de la face inférieure 7 de la chambre de séchage 2. Un ventilateur peut être utilisé pour forcer la convection. Cette configuration est, avantageuse, notamment en début de séchage puisque l’air peut devenir plus froid que l’air ambiant, après passage dans le séchoir et après s’être chargé en humidité.
En effet, l’air chaud cède sa chaleur « sensible » pour compenser l’enthalpie de vaporisation de l’eau contenue dans le produit à sécher qui passe en phase vapeur.
Préférentiellement, la sortie d’air 5 est disposée au niveau de la face supérieure 6 de la chambre de séchage 2. L’air sortant de la chambre de séchage, étant plus chaud que l’air à l’extérieur de la chambre, notamment en fin de séchage, l’air de séchage aura tendance à monter et sera évacué facilement par la sortie 5 positionnée sur la paroi supérieure 6 de la chambre de séchage 2. Avantageusement, une cheminée est positionnée au-dessus de la sortie 5 de la chambre de séchage 2 pour avoir un tirage plus important. Une assistance électrique peut être utilisée pour améliorer le tirage.
Selon une autre alternative, le tirage peut être amélioré avec un dispositif de cheminée solaire : un matériau absorbant l’énergie solaire est positionné sur la cheminée pour chauffer l’air et donc améliorer le tirage.
La chambre 2 comprend, en outre, des clayettes 3 destinées à supporter les produits agricoles ou marins à sécher.
Par clayette, on entend une petite claie ou un petit plateau amovible servant de support au produit à déshydrater. L’entrée d’air 4 et la sortie d’air 5 sont séparées par les clayettes 3, de manière à placer les clayettes 3 le long du flux d’air à l’intérieur de la chambre de séchage 2, et de manière à ce que la surface des clayettes soit balayée par l’air.
Les clayettes 3 sont disposées parallèlement les unes aux autres à l’intérieur de la chambre de séchage 2. Par parallèlement, on entend que les clayettes peuvent être aussi sensiblement parallèles entre elles.
Dans les chambres de séchage classiques, les clayettes 3 sont disposées perpendiculairement au flux d’air (figure 1).
Les clayettes 3 de la chambre de séchage 2, selon l’invention, sont disposées parallèlement au flux d’air à l’intérieur de la chambre, c’est-à-dire que le vecteur représentatif du flux d’air est parallèle à la surface de la clayette supportant le matériau à sécher.
Les clayettes 3 sont positionnées de manière à séparer le flux de fluide de séchage en provenance de l’entrée 4 en une pluralité de sous-flux, un sous-flux circulant parallèlement entre deux clayettes 3. L’orifice d’entrée 4 et l’orifice de sortie 5 sont, avantageusement, configurés pour que l’air circulant dans la chambre présente des vitesses d’écoulement similaires (température et flux massique d’air) dans les différents canaux.
Dans la configuration illustrée à la figure 2, les clayettes 3 sont disposées perpendiculairement à la paroi avant de manière à être disposées parallèlement au flux d’air entrant par l’entrée d’air 4. Les clayettes 3 sont disposées parallèlement aux parois supérieure 6 et inférieure 7. L’espace entre deux clayettes 3 consécutives définit un canal de circulation d’air longitudinal 8, aussi appelé canal de circulation ou canal hydraulique. Le flux d’air circule le long de ces canaux 8, parallèlement aux clayettes 3. Plus particulièrement, dans chaque canal 8 circule un sous-flux d’air.
Comme l’air chaud circule parallèlement aux clayettes 3, le produit à déshydrater, réparti sur les différentes clayettes 3, reçoit de l’air présentant le même degré d’hygrométrie pour chacune des clayettes.
En sortie, l’air chargé en humidité, au contact des produits à déshydrater est évacué par l’orifice de sortie.
Cette disposition particulière conduit à une meilleure répartition du flux d’air dans les différents canaux, conduisant à une meilleure homogénéité du séchage. Il n’y a pas besoin d’intervention manuelle pour répartir le flux d’air ni pour déplacer les clayettes en cours de séchage afin que les produits à déshydrater sèchent en moyenne à la même vitesse.
Comme représenté sur la figure 3, les clayettes 3 sont avantageusement formées d’une zone de support 3a qui est perméable à l’air et d’une zone vide 3b.
Par perméable à l’air, on entend que l’air peut traverser, pénétrer la zone de support. La zone de support peut supporter le matériau à déshydrater tout en autorisant la pénétration de l’air, ce qui facilite le séchage de la biomasse par les deux côtés.
La zone vide 3b forme un trou permettant le passage sans obstacle de l’air vers la sortie d’air 5 de la chambre de séchage 2.
La zone vide 3b, configurée pour permettre le passage de l’air, est au niveau de la sortie d’air 5 de la chambre de séchage 3b dans le cas d’un orifice de sortie aménagé dans la paroi supérieure 6, ou dans la paroi inférieure 7.
La zone de support 3a supporte les produits à déshydrater. Il peut s’agir d’un tamis ou d’une grille, par exemple en nylon. L’air circulant à la fois dans le canal d’air situé au-dessus de la clayette 3 et dans le canal d’air au-dessous de la clayette, les produits à déshydrater sont en contact avec deux canaux de circulation d’air et le séchage est plus efficace.
La clayette 3 peut présenter une longueur supérieure à sa largeur. La longueur de la clayette 3 est la dimension de la clayette 3 selon l’axe qui relie l’entrée d’air à la sortie et qui est sensiblement parallèle au flux d’air.
Par exemple, pour une clayette 3 présentant une longueur de 75cm et une largeur de 57,5cm, la zone vide 3b a pour dimension 50cm x 17cm et la zone de support poreuse 3a a pour dimension 50cm x 50cm.
Les clayettes seront, avantageusement, toutes positionnées en butée au niveau de la face arrière de la chambre de séchage, de manière à avoir les zones vides 3b de toutes les clayettes 3 alignées.
Dans le mode de réalisation où la sortie d’air 5 est sur la paroi arrière, la clayette 3 peut ne pas comporter de zone vide 3b. Elle alors formé, avantageusement, d’un cadre supportant le tamis ou la grille.
Selon un mode de réalisation préférentiel, pour des clayettes de grandes dimensions notamment, les clayettes 3 ont une longueur inférieure à leur largeur, pour améliorer l’homogénéité du séchage sur une même clayette. Les produits disposés vers la face arrière sécheront sensiblement à la même vitesse que les produits disposés vers la face avant. La largeur de la clayette est, avantageusement, deux fois plus grande que la longueur.
Les clayettes 3 sont, avantageusement, réalisées à partir d’un matériau apte à être mis en contact avec des produits alimentaires, typiquement du polyéthylène. Le matériau doit être suffisamment rigide pour pouvoir supporter le poids des produits à sécher et, en même temps, présenter de bonnes propriétés mécaniques (tribologiques, aisance de manipulation, étanchéité, résistance au fluage).
Chaque clayette 3 comporte, avantageusement, des poignées pour faciliter sa manipulation.
Chaque clayette est montée amovible dans la chambre de séchage.
La biomasse à sécher est répartie sur les différentes clayettes 3. Les clayettes 3 sont ensuite insérées dans la chambre de séchage.
Selon une première alternative, les clayettes 3 sont insérées par la face arrière. Le positionnement de la sortie d’air 5 au niveau de la paroi supérieure 6 est particulièrement avantageux dans le cas d’un chargement des clayettes par la face arrière. Ceci évite de devoir démonter et remonter les éléments disposés au niveau de l’orifice de sortie. Selon une autre alternative, les éléments formant la sortie d’air 5 sont intégrés dans la face arrière, pour faciliter les manipulations.
Selon une autre alternative, les clayettes 3 peuvent insérées par une des deux parois latérales.
Afin d’améliorer la répartition du flux d’air, la distance entre deux clayettes 3 consécutives peut être modifiée. La chambre de séchage comporte des moyens de réglage de la position des clayettes à l’intérieur de la chambre 2 et plus particulièrement de la distance entre deux clayettes selon un axe passant par la face supérieure et la face inférieure.
Avantageusement, la distance entre deux clayettes est croissante depuis la paroi inférieure 7 vers la paroi supérieure 6 de la chambre de séchage 2. La section des canaux hydrauliques 6 est croissante depuis la paroi inférieure 7 vers la paroi supérieure 6 de la chambre de séchage 2. La section d’un canal d’air longitudinal 8 dépend de la distance entre deux clayettes 3 consécutives et de la distance entre les parois latérales. La section d’un canal 8 correspond au produit de la hauteur entre deux clayettes et de la largeur d’une clayette. Avantageusement, toutes les clayettes 3 présentent la même largeur et la même longueur.
Selon un autre mode de réalisation préférentiel, compatible avec le précédent, des plaques à gradient d’ouverture 9 sont disposées en entrée 4 et/ou en sortie 5 de la chambre de séchage 2.
Sur la figure 2, pour plus de visibilité, seule la plaque à gradient d’ouverture 9, disposée à la sortie d’air 5 de la chambre de séchage 2 est représentée. Préférentiellement, des plaques à gradient d’ouverture 9 sont présentes à la fois au niveau de l’entrée d’air 4 et au niveau de la sortie d’air 5 de la chambre de séchage 2.
Les plaques à gradient d’ouverture 9 sont configurées pour modifier la résistance hydraulique de l’air en entrée et en sortie de la chambre.
La modification de la résistance hydraulique des canaux 8 permet d’homogénéiser le flux d’air chaud et les températures à l’intérieur de la chambre de séchage 2 : l’écoulement dans chaque canal de circulation d’air longitudinal 8 est uniforme.
Les plaques à gradient d’ouverture 9 en entrée 4 et en sortie participent à la répartition du flux d’air entre les clayettes 3.
Ces plaques 9 sont munies d’ouvertures. Les ouvertures peuvent être de toute forme. Elles sont avantageusement circulaires. Ce type d’ouverture est facilement réalisable par perçage (forêts, scies cloches).
Les ouvertures présentent différentes tailles et/ou des taux d’ouvertures différents. Pour une plaque à gradient d’ouverture située en entrée, les ouvertures les plus proches de la paroi supérieure 6 sont plus petites que celles qui sont proches de la paroi inférieure 7 et/ou elles sont en moins grande densité qu’à proximité de la paroi inférieure. Par exemple, les ouvertures circulaires proches de la paroi inférieure 7 ont un diamètre de 3cm alors que celles proches de la paroi supérieure 6 ont un diamètre de 2cm. L’air chaud, ayant une densité plus faible que l’air froid, monte naturellement. Ce gradient de section permet de mieux répartir l’air chaud au sein de la chambre de séchage 2, en mettant des obstacles sur le trajet naturel de l’air chaud, i.e. en mettant des ouvertures plus petites au niveau du passage naturel de l’air chaud (dans la partie supérieure de la chambre de séchage).
Ce gradient d’ouverture est particulièrement avantageux en amont de la chambre de séchage, c’est-à-dire positionné au niveau de l’entrée d’air 4 de la chambre de séchage 2. La plaque à gradient d’ouverture 9 est, avantageusement, configurée de manière à ce que le débit soit identique entre les canaux.
La plaque à gradient d’ouverture 9 en face avant est, avantageusement, perpendiculaire aux clayettes 3 positionnées dans la chambre de séchage 2.
La plaque à gradient d’ouverture 9, positionnée entre l’entrée d’air 4 et les clayettes 3, est configurée pour modifier la résistance hydraulique d’entrée dans un canal de circulation 8 défini par deux clayettes consécutives.
Les ouvertures de la plaque 9 sont, avantageusement, positionnées en dessous de chaque clayette, ou entre deux clayettes, pour mieux contrôler la section efficace du canal longitudinal.
Les ouvertures sont avantageusement réparties de façon homogène sur toute la largeur des clayettes. Il y a par exemple, entre 5 et 10 ouvertures, avantageusement, équidistantes sur la largeur de la plaque 9.
Dans le cas où la sortie d’air 5 est au niveau de la paroi arrière, la plaque à gradient d’ouverture 9 sera, avantageusement, perpendiculaire aux clayettes 3 et à la paroi supérieure 6 et/ou avantageusement parallèle à plaque à gradient d’ouverture disposée à l’entrée de la chambre 2.
Dans le cas où le dispositif comporte une sortie d’air 5 au niveau de la paroi supérieure 6, la plaque à gradient d’ouverture 9 en sortie est positionnée au niveau de la partie supérieure de la chambre de séchage 2. Elle est avantageusement parallèle à la paroi supérieure 6 et aux clayettes 3.
Il est avantageux que la plaque à gradient d’ouverture en entrée présente au moins la même surface d’entrée d’air que la plaque à gradient d’ouverture en sortie.
La chambre de séchage peut comporter un système de convection, alimenté, de préférence, par un panneau photovoltaïque, éventuellement relié à une batterie, comme décrit dans le brevet BE 1008430. Le système de convection peut être formé d’un ou plusieurs ventilateurs. Ce ou ces ventilateurs peuvent être alimentés par la batterie.
Cette convection forcée permet une homogénéisation de la température dans la chambre de séchage, une meilleure homogénéité de séchage ainsi qu’une accélération du processus de déshydratation. Ce mode de réalisation associant une convection forcée et un panneau photovoltaïque est particulièrement avantageux, notamment sous des latitudes tropicales où l’air extérieur est humide et la ressource solaire importante. L’utilisation d’une ou plusieurs batteries (accumulateurs électrochimiques) pour alimenter un ou plusieurs ventilateurs, évite de dépendre des conditions météorologiques pour le séchage, notamment dans le cas du passage de formations nuageuses.
La ou les batteries et, éventuellement, un thermostat peuvent être disposés dans une armoire électrique 16 fixée sur les supports de la chambre de séchage 2 (figure 4).
Avantageusement, il est possible d’intégrer, en plus, dans le circuit de pilotage une sonde de pluie afin de neutraliser la convection forcée en cas d’averse, qui entraînerait la réhydratation des produits.
Eventuellement, dans le cas où le produit à déshydrater ne serait pas disposé de manière homogène, il est possible d’agiter de temps en temps manuellement les clayettes 3, ou en utilisant un dispositif d’agitation.
La chambre de séchage 2 fait, avantageusement, partie d’un séchoir solaire pour produits agricoles ou marins. Comme représenté sur la figure 4, le séchoir comprend, en plus de la chambre de séchage 2 précédemment décrite : - un capteur solaire 1, muni d’une entrée d’air 12 et d’une sortie d’air 13, - un système de jonction reliant la sortie d’air 13 du capteur solaire 1 à l’entrée d’air 4 de la chambre de séchage 2.
Le capteur solaire 1 sert à chauffer l’air : l’air entre dans le capteur solaire 1 où il est réchauffé, puis il ressort du capteur solaire 1 pour être transmis à la chambre de séchage 2 via un connecteur.
La température de l’air ambiant est de l’ordre de 15-30°C, en fonction des saisons et de la latitude d’utilisation de l’invention.
Pour déshydrater les produits, la température de l’air entrant dans la chambre de séchage 2 doit être, de préférence, comprise entre 20°C et 70°C, et idéalement entre 40°C et 70°C. La température en sortie de ladite chambre, lorsque le matériau à déshydrater est sec, peut être proche de la température d’entrée. Lors d’un fonctionnement sans convection forcée, la température de sortie de la chambre de séchage est idéalement inférieure à 40°C.
Avantageusement, la température de l’air en sortie du capteur solaire sera supérieure à la température de l’air en entrée du capteur solaire de 5°C à 40°C. Pour obtenir un capteur solaire chauffant efficacement l’air ambiant jusqu’à 20-70°C, et idéalement jusqu’à 40-70°C, il est nécessaire soit d’utiliser de grandes surfaces dédiées à l’absorption du rayonnement incident, soit d’utiliser des surfaces plus petites et de la recouvrir d’un revêtement, par exemple une plaque peinte en noir, pour améliorer l’absorption du rayonnement incident ou encore de réaliser des motifs de surface sur la plaque, comme des rainures, pour améliorer les échanges thermiques avec l’air.
Une autre solution est d’utiliser un capteur solaire muni de tubes de captation solaire, utilisés pour les chauffe-eau thermiques (tel que décrit dans le document CN 103322779). Il s’agit de tubes sous vide en verre dans lesquels sont insérés des tubes avec un traitement sélectif, comme un dépôt multicouche.
Cependant, ces capteurs solaires présentent soit un faible rendement de captation solaire car la peinture noire présente, notamment, l’inconvénient de fortement émettre de rayonnements infrarouges, soit un fort coût d’investissement dans le cas de l’utilisation de tubes sous vide.
Afin de chauffer l’air ambiant avec un fort rendement et un faible coût d’investissement, le capteur solaire 1 forme une chambre de chauffage du fluide de séchage et comporte (figure 5) : o une entrée du fluide de séchage 12, o une sortie du fluide de séchage 13, o un absorbeur solaire 15 disposé entre l’entrée 12 et la sortie 13 du fluide de séchage et agencé pour chauffer le fluide séchage, o une vitre configurée pour permettre la captation et la transmission d’un rayonnement incident par l’absorbeur solaire.
Dans le mode de réalisation illustré aux figures 4 et 5, le capteur solaire comporte plus particulièrement : - une vitre formant une paroi supérieure 10, disposée de manière à recevoir le rayonnement solaire incident, la paroi supérieure 10 étant disposée, de manière avantageuse, parallèlement au flux d’air allant de l’entrée d’air 12 à la sortie d’air 13 du capteur solaire 1, - une paroi inférieure 11, - deux parois latérales, - une paroi avant et une paroi arrière, - un absorbeur solaire 15 disposé entre la paroi supérieure 10 et la paroi inférieure 11, l’absorbeur 15 étant disposé de façon sensiblement parallèle à la paroi supérieure 10.
Ce capteur solaire 1 permet de chauffer efficacement l’air ambiant jusqu’à une température de 30°C à 70°C, et idéalement de 50 à 70°C en sortie 13 du capteur.
La température de l’air ambiant dépend, évidemment, des conditions météorologiques. La température en sortie du capteur solaire 13 dépend de la température de l’air, de l’intensité lumineuse incidente et du temps d’exposition du capteur au soleil. Une inertie thermique est présente en début d’exposition, plus ou moins importante en fonction de la géométrie et des matériaux de construction dudit capteur.
Pour que la température de l’air en sortie du capteur solaire soit de l’ordre de 70°C, la température correspondante de l’absorbeur est de l’ordre de 100°C.
La régulation de la température se fait plutôt par la convection : un air plus chaud circule plus vite, ce qui créée une autorégulation des températures.
Dans le cas de l’intégration d’un ventilateur, il est possible d’augmenter la vitesse de rotation du ventilateur afin de limiter le temps de séjour de l’air dans le capteur solaire, pour diminuer la température de l’air chaud.
Il est possible d’utiliser des températures supérieures à 70°C sans que le produit ne s’abîme, tant que le produit est humide, car le transfert de l’eau du produit vers l’air (vaporisation) consomme de l’énergie (enthalpie) et refroidit donc le produit.
Le rayonnement solaire entre dans le capteur solaire 1 à travers la vitre. La vitre limite, avantageusement, les pertes par convection. La vitre est avantageusement en verre et, plus particulièrement, en verre translucide. Le verre est le matériau qui possède une des meilleures transmissions. Encore plus avantageusement, ce verre sera revêtu d’un matériau antireflet afin d’améliorer la transmission de l’énergie incidente.
Avantageusement, la vitre limite les pertes convectives, i.e. les pertes par convection de l’air chauffé par l’absorbeur.
Le capteur solaire 1 est, avantageusement, incliné d’un angle d’environ 15° pour obtenir la meilleure incidence possible du rayonnement solaire sur la vitre. Cet angle est toutefois variable en fonction du lieu d’implantation du séchoir solaire. L’absorbeur solaire 15 est une plaque métallique de manière à être facilement réalisable à moindre coût, de préférence, en aluminium, en alliage d’aluminium ou en acier inoxydable (par exemple en AISI 430 ou 304). La plaque présente une épaisseur de quelques millimètres, typiquement de l’ordre de 2mm. L’absorbeur a sensiblement la même longueur et la même largeur que la chambre de chauffage, et dans l’exemple illustré, la même longueur et la même largeur que la paroi supérieure 10 et inférieure 11 du capteur 1 pour gagner en efficacité. L’absorbeur 15 chauffe grâce au rayonnement solaire incident. L’absorbeur 15 est, en outre, avantageusement recouvert d’un revêtement optiquement sélectif. Le revêtement sélectif permet une absorption maximale de l’énergie solaire incidente tout en réémettant le moins possible de rayonnements infrarouges (principe du corps noir). En particulier, le revêtement sélectif absorbe plus de 80% de la lumière incidente et réfléchit moins de 25% du rayonnement infrarouge (IR).
Ce revêtement permet d’augmenter significativement la température d’équilibre du capteur solaire. La température d’équilibre est la température à laquelle le flux du rayonnement solaire incident et le flux d’énergie émis en IR est à l’équilibre, en présence ou non d’un flux d’air convectif.
Le revêtement sélectif recouvre, avantageusement, toute la surface de l’absorbeur solaire 15 destinée à être exposée au soleil.
Le revêtement optiquement sélectif est, préférentiellement, une couche de peinture.
Avant d’utiliser le capteur solaire dans un séchoir solaire pour déshydrater des aliments, le capteur solaire sera, de préférence, soumis un traitement thermique (typiquement à 200°C pendant 15 min) afin d’évaporer le solvant contenu dans la peinture.
Avantageusement, ce traitement thermique conduit à un durcissement de la surface de la peinture, et donc à une meilleure adhésion de la peinture sur la plaque métallique et ainsi à une plus grande robustesse du revêtement lors de la manipulation de l’absorbeur.
Le graphique de la figure 6 illustre notamment la variation de cette température d’équilibre en fonction des propriétés optiques de la surface (absorption solaire et émissivité infrarouge de la surface).
Les valeurs numériques ont été obtenues avec un flux solaire incident de 800 W/m2, et sans que la plaque ne soit refroidie par convection d’air. Dans des conditions réelles de fonctionnement réelles, l’utilisation d’une convection permet de ne pas atteindre les valeurs de températures indiquées dans le graphique.
La diminution de l’émissivité conduit à une augmentation de la température d’équilibre, ce qui améliore le rendement du capteur solaire. L’énergie solaire captée par l’absorbeur est ainsi transférée à l’air et les pertes radiatives sont limitées.
En effet, plus la température d’équilibre de l’absorbeur sera élevée, plus l’air dans la chambre de séchage sera chaud et plus le séchage sera efficace.
Il a également été montré qu’une absorption de 0,9 augmente significativement la température d’équilibre par rapport à une absorption de 0,5. Le phénomène est encore plus marqué à faible émissivité.
La figure 7 représente l’influence de la valeur de l’émissivité d’une surface sur la puissance émise par cette surface (W/m2) en fonction de sa température. La puissance émise correspond directement à la puissance perdue. Les pertes thermiques se répartissent en émissivité de l’absorbeur, convection -notamment pertes au niveau de la vitre -, et conduction - a priori faible.
La ligne horizontale à 800W/m2 représente la puissance solaire typique à mi-journée dans la région Provence Alpes Côte d’Azur (PACA) en France.
Lorsque que l’émissivité est réduite d’un facteur 10, notamment de 1 à 0,1, grâce à la présence d’un revêtement de surface, les pertes par infra-rouge de la surface sont également diminuées d’un facteur 10.
Le coefficient d’échange entre l’absorbeur solaire et l’air peut être amélioré en texturant l’absorbeur solaire. La plaque de l’absorbeur peut être munie à sa surface de motifs macroscopiques de dimension millimétrique. Il peut s’agir, par exemple, de parallélépipèdes, de 2mm de largeur et de 5mm de longueur. Les parallélépipèdes sont séparés les uns des autres par une distance de 2mm.
Un meilleur coefficient d’échange permet de chauffer plus efficacement l’air dans le capteur solaire et, avantageusement, de diminuer les pertes IR puisque la chaleur absorbée par la plaque est plus rapidement transmise à l’air.
Le capteur solaire peut comporter un ou plusieurs isolants thermiques de manière à limiter les pertes thermiques au sein du capteur. Avantageusement, l’isolant, non seulement, évite les pertes de chaleur par conduction vers l’extérieur mais réfléchit également le rayonnement IR. Il peut s’agir d’un matériau comprenant un tissu de verre/aluminium, tel que celui commercialisé par la société Winco Technologies sous le nom de SkyTechPro ® par exemple.
La structure du capteur solaire est, avantageusement, en bois qui outre son faible coût, est un bon isolant thermique et évite les pertes de chaleur depuis l’intérieur du capteur vers l’extérieur. Afin de lui assurer une bonne durabilité en extérieur, on appliquera, par exemple, une couche de peinture ou de lasure pour améliorer sa tenue à l’humidité.
Avantageusement, la section de l’entrée d’air 12 est identique à celle de la sortie d’air 13.
Afin d’obtenir des sections identiques, il est possible d’équiper l’entrée d’air d’une plaque percée 14 (figures 4 et 5). La plaque percée 14 comprend au moins une ouverture. La section de l’ouverture de ladite plaque 14 étant identique à celle de la sortie d’air 13 du capteur solaire 1.
Si la plaque 14 comporte plusieurs ouvertures, l’aire totale des ouvertures représente la section efficace d’entrée d’air. Cette section efficace est identique à la section de sortie d’air 13. Par exemple, des ouvertures circulaires de 6cm de diamètre peuvent être utilisées.
La sortie d’air du capteur solaire 1 aura, de préférence, la même dimension que l’entrée d’air de la chambre de séchage 2.
Le système de jonction comporte, avantageusement, au moins une partie souple, de type soufflet, de manière à pouvoir modifier l’angle entre le capteur solaire 1 et la chambre de séchage 2 en fonction des saisons et de l’ensoleillement.
Le système de jonction est, par exemple, formé de deux manchons et d’un soufflet souple, chaque manchon étant en contact soit avec le capteur solaire 1 soit avec la chambre de séchage 2.
Le capteur solaire 1 présente, avantageusement, une longueur d’au moins un mètre pour pouvoir chauffer efficacement l’air ambiant, mais la surface de captation sera, avantageusement, adaptée au lieu d’implantation et à la quantité de matière à déshydrater souhaitée. Le capteur solaire 1 est par exemple sous la forme d’un parallélépipède rectangle dont les dimensions sont 143cm x 100cm x35cm.
Le dimensionnement d’un séchoir va dépendre de son emplacement d’utilisation (position géographique), de la période pendant laquelle il est utilisé et de la quantité de matière que l’on souhaite sécher. Les deux premières données sont décisives dans l’évaluation de l’énergie quotidienne reçu par le capteur solaire et donc de la capacité de séchage du séchoir.
En première approche, le dimensionnement de la surface de captation solaire peut se faire en fonction de la masse d’eau à évacuer au sein de la biomasse, du nombre de jours nécessaires au séchage, et de la dose d’énergie lumineuse reçue au cours de la journée, selon l’équation suivante :
Avec :
- S : la surface du capteur (m2) - meau : la masse d’eau à évaporer (kg) - njmir : le nombre de jour nécessaire/voulu pour le séchage - Lv(T) : la chaleur latente d’évaporation de l’eau, fonction de la température et éventuellement pondérée par l’activité de l’eau (kJ/kg) - G* : la mesure du rayonnement solaire que reçoit la surface du capteur en une journée (kJ/m2) - η : le rendement du capteur solaire.
Un séchoir solaire comportant un capteur non optimisé peut avoir un rendement très faible, c’est-à-dire de l’ordre de 0,1 ou inférieur. Les pertes sont principalement des pertes par émissivité IR, par conduction au niveau du capteur solaire, ou encore des pertes liées au coût énergétique de l’effet thermosiphon.
Les différentes options de dimensionnement (compromis investissement/efficacité) vont permettre d’augmenter le rendement η du capteur solaire.
On réalise un capteur solaire optimisé, c’est-à-dire un capteur dont le rendement peut atteindre des valeurs supérieures à 0,3. Pour obtenir un tel rendement, l’émissivité de l’absorbeur est, de préférence, inférieure à 0,1 et les parois inférieure et latérales du capteur comprennent un matériau thermiquement isolant. Ceci permet de mieux capter et de mieux conserver la chaleur solaire. A partir de l’équation précédente, et en considérant que : - 1 kg de Biomasse contenant 80% d’eau doit être séché (cas de la spiruline juste essorée en sortie de bassin de production) ; la biomasse une fois séchée doit contenir 10% d’eau résiduelle (20g) pour être compatible avec un stockage longue durée; il y a donc 780 g d’eau à évaporer, - le séchoir solaire est installé en région PACA, - le séchage doit être réalisé en une journée ensoleillée ; l’ensoleillement moyen d’une journée d’octobre en PACA étant de 4,7 kWh soit 16,92 MJ/m2, - la valeur de chaleur latente d’évaporation est de 3,5 kJ/g ; cette valeur est légèrement élevée afin de tenir compte de l’activité de l’eau qui devient de plus en plus faible au fur et à mesure que la matière se déshydrate ; cette valeur de chaleur latente d’évaporation est cohérente avec une mise en forme de la Spiruline sous forme de spaghetti de 2 mm de diamètre pour laquelle l’activité de l’eau reste relativement haute, la surface du capteur solaire absorbant le rayonnement solaire nécessaire pour obtenir un tel rendement est :
L’activité de l’eau est le rapport de pression entre la vapeur d’eau à la surface du produit et la vapeur d’eau sur la surface plane d’un liquide à la même température. Il s’agit de la pression de vapeur saturante à une température donnée. L’activité de l’eau représente la disponibilité d’eau libre aux abords du produit. L’activité de l’eau A vaut 1 lorsque le produit est en contact avec de l’eau libre. Pour des soucis de qualité et de conservation, l’activité de l’eau dans le produit doit être abaissée à 0,6. Lorsque l’activité de l’eau baisse (autour des 20% d’humidité), une plus grande quantité d’énergie sera nécessaire afin d’éliminer. Même en surestimant la surface du capteur solaire nécessaire, il est raisonnable de considérer qu’une surface de captation solaire de 1 m2 sera suffisante pour sécher la biomasse de 1kg jusqu’à un pourcentage résiduel d’humidité de 10%.
La biomasse est déposée sur des clayettes 3, de type toile filtrante. La biomasse est déposée sous forme de spaghetti de 2mm de diamètre. Le cœur du produit peut facilement être déshydraté. De tels spaghettis sont obtenus par extrusion de la pâte d’algue.
Le produit est réparti uniformément sur les différentes clayettes. Pour une telle quantité, cinq clayettes de 0,25m2 sont utilisées. Chaque clayette supporte 200g de produit.
Ces proportions peuvent être adaptées en fonction de la localisation et de la période d’utilisation du séchoir (ensoleillement, température, humidité de l’air, etc).

Claims (16)

  1. Revendications
    1. Chambre de séchage (2) pour produits agricoles ou marins comprenant : - des clayettes (3) destinées à supporter les produits agricoles ou marins à sécher, les clayettes (3) étant disposées parallèlement les unes aux autres à l’intérieur de la chambre de séchage (2), - une entrée de fluide de séchage (4) et une sortie du fluide de séchage (5) séparées par les clayettes (3), de manière à placer les clayettes (3) le long du flux de fluide de séchage à l’intérieur de la chambre de séchage (2), l’entrée de fluide de séchage (4) étant positionnée sur une extrémité de la chambre de séchage (2), la sortie de fluide de séchage (5) étant disposée à l’extrémité opposée de la chambre de séchage (2), caractérisée en ce que les clayettes (3) sont positionnées de manière à séparer le flux de fluide de séchage en provenance de l’entrée (4) en une pluralité de sous-flux, un sous-flux circulant parallèlement entre deux clayettes (3).
  2. 2. Chambre de séchage (2) selon la revendication 1, caractérisée en ce que la sortie de fluide de séchage (5) est positionnée sur une face opposée à la face contenant l’entrée de fluide de séchage (4).
  3. 3. Chambre de séchage (2) selon la revendication 1, caractérisée en ce que la sortie de fluide de séchage (5) est positionnée au niveau d’une paroi supérieure (6) de la chambre de séchage (2).
  4. 4. Chambre de séchage (2) selon la revendication 1, caractérisée en ce que la sortie de fluide de séchage (5) est positionnée au niveau d’une paroi inférieure (7) de la chambre de séchage (2).
  5. 5. Chambre de séchage (2) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu’une plaque à gradient d’ouvertures (9) est disposée entre l’entrée de fluide de séchage (4) et les clayettes (3), la plaque à gradient d’ouvertures (9) étant configurée pour modifier la résistance hydraulique d’entrée dans un canal de circulation (8) défini entre deux clayettes (3) consécutives, la plaque à gradient d’ouvertures, étant perpendiculaire aux clayettes (3).
  6. 6. Chambre de séchage (2) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’une plaque à gradient d’ouvertures (9) est disposée au niveau de la sortie de fluide de séchage (5).
  7. 7. Chambre de séchage (2) selon les revendications 3 ou 4 et 6, caractérisée en ce que la plaque à gradient d’ouvertures (9), disposée au niveau de la sortie de fluide de séchage (5), est parallèle à la paroi supérieure (6).
  8. 8. Chambre de séchage (2) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la section des canaux longitudinaux (8) définie par deux clayettes consécutives est croissante depuis la paroi inférieure (7) vers la paroi supérieure (6) de la chambre de séchage (2).
  9. 9. Chambre de séchage (2) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les clayettes (3) sont formées d’une zone en matériau perméable à l’air (3a) et d’une zone vide (3b), la zone vide (3b) étant configurée pour permettre le passage du fluide de séchage, la zone vide (3b) étant au niveau de la sortie (5) de la chambre de séchage (2).
  10. 10. Chambre de séchage (2) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’elle comporte un système de convection du fluide de séchage, alimenté, de préférence, par un panneau photovoltaïque, éventuellement relié à une batterie.
  11. 11. Séchoir solaire pour produits agricoles ou marins, comprenant : - une chambre de séchage (2) selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, - un capteur solaire (1), muni d’une entrée du fluide de séchage (12) et d’une sortie du fluide de séchage (13), le capteur solaire (1) étant configuré pour chauffer le fluide de séchage, - un connecteur reliant la sortie du fluide de séchage (13) du capteur solaire (1) à l’entrée du fluide de séchage (4) de la chambre de séchage (2).
  12. 12. Séchoir selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le capteur solaire (1) comporte : o une entrée du fluide de séchage (12), o une sortie du fluide de séchage (13), o un absorbeur solaire 15 disposé entre l’entrée (12) et la sortie du fluide de séchage (13) et agencé pour chauffer le fluide séchage dans la chambre de chauffage, ledit absorbeur étant recouvert d’un revêtement optiquement sélectif - une vitre configurée pour permettre la transmission du rayonnement solaire incident par l’absorbeur.
  13. 13. Séchoir selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le revêtement optiquement sélectif est une couche de peinture.
  14. 14. Séchoir selon l’une des revendications 12 et 13, caractérisé en ce que l’absorbeur solaire (15) est une plaque en aluminium, en alliage d’aluminium ou en acier inoxydable.
  15. 15. Séchoir selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l’entrée du fluide de séchage (12) du capteur solaire (1) est munie d’une plaque percée (14) comprenant au moins une ouverture, la section de l’ouverture de ladite plaque (14) étant identique à celle de la sortie du fluide de séchage (13) du capteur solaire (1).
  16. 16. Séchoir selon l’une quelconque des revendications 11 à 15, caractérisé en ce que le capteur solaire (1) comporte un ou plusieurs isolants thermiques de manière à limiter les pertes thermiques.
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