Le séchage des boues d'épuration est un problème environnemental actuel, qui n'est pas suffisamment décrit dans la littérature. Par conséquent, ce travail représente une étude numérique des transferts de chaleur et de masse lors du séchage solaire des boues d’épuration. Cette boue est assimilée à un milieu poreux et exposée à un écoulement laminaire de convection forcée à l'intérieur d'un canal horizontal. Les transferts dans le canal et le milieu poreux sont décrits respectivement par les équations classiques de la convection forcée et par le modèle de Darcy-Brinkman-Forchheimer. Une méthode implicite aux différences finies est utilisée pour discrétiser le système d'équations différentielles régissant les transferts. Les systèmes algébriques obtenus sont résolus en utilisant les algorithmes de Gauss, Thomas et Gauss-Seidel. Afin de déterminer la vitesse de séchage, nous associons à ces équations un modèle de cinétique de séchage. Ce modèle est basé sur le concept de la courbe caractéristique. Nous avons particulièrement étudié les effets des conditions climatiques et des conditions relatives à la boue sur les évolutions spatio-temporelles des nombres caractéristiques des transferts ainsi que sur la cinétique de séchage. Le travail est complété par des simulations en utilisant des données météorologiques réelles de la région de Tataouine au sud de la Tunisie. Ces données ont subi un traitement statistique à l’aide de la méthode de Liu et Jordan afin de déterminer la journée type de chaque mois. L’étude de rentabilité du séchoir a montré que la période estivale est la période optimale pour le séchage. / The drying of sewage sludge is a current environmental problem, not sufficiently described in the literature. Hence, the aim of this work is a numerical study of heat and mass transfers during solar drying of residual sludge. This sludge is assimilated to a porous medium and exposed to a forced convection laminar flow within a horizontal channel. The transfers in the channel and the porous medium are respectively described by the classic equations of forced convection and the Darcy-Brinkman-Forchheimer model. The implicit finite difference method is used to discretize the governing differential equation system. The algebraic systems obtained are solved using the Gauss, Thomas and Gauss-Seidel algorithms. To determine the drying rate, we associate a drying kinetics model. This model is based on the concept of the characteristic curve. We particularly studied the effects of climatic conditions (temperature, velocity and relative humidity of the ambient air as well as the solar radiation intensity) and the conditions relating to the sludge on the spatio-temporal evolutions of the transfers characteristic numbers as well as on drying kinetics. This work is completed by simulations using meteorological data from the Tataouine region in southern Tunisia. These data were statistically processed using the Liu and Jordan method to determine the typical day of each month. The rentability study of the dryer show that the summer period is the optimum period for drying.

Le séchage de denrées alimentaires est une filière clé de la transformation des aliments, tant dans nos pays que dans les pays en voie de développement. Cette opération, largement utilisée dans l’industrie agro-alimentaire, permet d’augmenter significativement la durée et la diversité d’utilisation de nombreux aliments. Néanmoins, au cours d’une opération de séchage, l’élévation de la température et l’exposition à des débits d’air importants peuvent entraîner des altérations biologiques, chimiques et mécaniques du produit. La méthode, les conditions et le temps de séchage sont donc des facteurs influençant directement la qualité des produits séchés et doivent donc être bien contrôlés.<p><p>Dans ce travail de thèse, nous nous intéressons au séchage de tranches de mangues. L’ob- jectif principal est de contribuer au développement d’une nouvelle technologie de séchage, adaptée aux pays en voie de développement et fonctionnant entièrement à l’énergie solaire. Cette nouvelle technologie a pour but d’améliorer la qualité du séchage et la productivité des séchoirs.<p><p>D’après les techniques traditionnelles de séchage présentées dans la littérature, nous choi- sissons la structure générale qu’aura la nouvelle technologie de séchage :un capteur solaire couplé à une tour de séchage, alimentée en air par des ventilateurs placés à l’entrée du capteur solaire et reliés à un panneau photovoltaïque. Cette technologie fonctionne en mode indirect :les zones de chauffe de l’air et de séchage sont différentes. Les tranches de mangues à sécher sont placées sur des plateaux dans la tour de séchage et l’écoulement de l’air se fait perpen- diculairement à ces plateaux. Nous avons l’idée originale d’ajouter des éponges et un grillage métalliques afin d’augmenter les transferts de chaleur à l’intérieur du capteur solaire.<p><p>Un premier prototype de cette nouvelle technologie est dimensionné, sur base de l’expres- sion de bilans de matière et d’énergie. Un cahier des charges doit être rempli, notamment en termes de temps de séchage, de température de l’air sortant du capteur, d’humidité finale des mangues séchées et de masse de mangues fraîches à sécher.<p><p>D’après l’étude de ce prototype, imaginé et construit en collaboration avec la société Solvay, nous développons, pour la nouvelle technologie de séchage, un modèle du capteur solaire et un modèle de l’écoulement de l’air au sein de cette technologie. Le modèle du capteur solaire est utilisé pour déterminer le coefficient de transfert de chaleur par convection entre l’air au sein du capteur et ses parois. Nous montrons que ce coefficient est très élevé, à tel point qu’il est indissociable de celui qu’aurait un capteur idéal. Les performances du capteur solaire sont donc très bonnes. Nous montrons qu’elles sont particulièrement améliorées par l’ajout des éponges et du grillage métalliques dans le capteur. Le modèle de l’écoulement de l’air décrit le lien entre la puissance fournie à l’air et le débit d’air qui circule dans le séchoir. Nous l’utilisons pour déterminer le coefficient de perte de charges d’un plateau chargé de mangues.<p><p>A plus petite échelle, nous étudions la vitesse de séchage d’une tranche de mangue, au sein d’un petit séchoir disponible au laboratoire TIPs de l’ULB. Plusieurs expériences de séchage y sont réalisées dans des conditions bien contrôlées. D’après ces essais, nous développons un modèle mathématique original de la vitesse de séchage d’une tranche de mangue qui nous permet de prédire la vitesse de séchage de tranches de mangues dans des conditions opératoires données. Une très bonne correspondance est obtenue entre les simulations du modèle et les résultats expérimentaux. Il peut donc être utilisé pour prédire la vitesse de séchage de tranches de mangues pour une large gamme de conditions opératoires.<p><p>Ce modèle est couplé à des bilans de matière et d’énergie, relatifs à la tour de séchage. Nous obtenons dès lors un modèle de fonctionnement de la tour de séchage de la nouvelle technologie.<p><p>L’ensemble des modèles développés pour caractériser le fonctionnement du capteur solaire, l’écoulement de l’air dans la technologie de séchage et le fonctionnement de la tour de séchage sont alors combinés pour obtenir un modèle complet de fonctionnement de la nouvelle tech- nologie de séchage. Ce modèle est validé et le fonctionnement de cette nouvelle technologie est optimisé par l’ajout d’une phase de permutation des plateaux après la moitié du temps de séchage. Ce modèle complet de la technologie de séchage est alors utilisé pour dimensionner des séchoirs de terrain pour une période donnée de l’année, en un endroit donné.<p><p>Nous terminons ce travail de thèse en présentant une comparaison entre un séchoir de terrain de la nouvelle technologie et un séchoir Atesta, qui est la technologie traditionnelle de séchage de mangues la plus répandue en Afrique de l’Ouest. Nous concluons que la quantité d’eau évaporée par unité de temps est bien supérieure pour le séchoir de terrain que pour l’Atesta. Le coût de fonctionnement d’un séchoir de terrain est plus faible que celui d’un séchoir Atesta car le séchoir de terrain fonctionne entièrement à l’énergie solaire et non pas au gaz, comme c’est le cas pour le séchoir Atesta. La qualité des mangues séchées obtenues dans un séchoir de terrain est supérieure à celle obtenue dans un séchoir Atesta car il n’y a pas de contact avec les gaz brûlés et la convection de l’air y est forcée. Néanmoins, l’encombrement au sol des séchoirs de terrain reste un point négatif en comparaison avec le séchoir Atesta du fait de la grande taille du capteur solaire. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L'objet de ce travail est l'étude de la physique des transferts prenant place lors du séchage solaire d'un produit emballé par un film polymère particulier; celui- ci ne laisse passer que les molécules d'eau, par phénomènes de sorption désorption. L'approche proposée a pour but de fournir au lecteur suffisamment de connaissance de cette physique afin de pouvoir envisager le dimensionnement de tout système de séchage utilisant ce type d'emballage. La démarche employée, après une présentation des principes généraux des séchoirs solaires actuels, est expérimentale et de modélisation. Un modèle à l'échelle du procédé (produit emballé soumis à un rayonnement solaire) est établi, validé et amendé à l'aide d'un système expérimental conçu et réalisé à cet effet (cellule de mesure adaptée placée sous un simulateur solaire); il est ensuite utilisé sous une version simplifiée pour étudier une application choisie pour son utilité (produit étalé sur un support -sol ou réceptacle autre- sur lequel est apposé le film). Ce modèle prévisionnel est adapté au dimensionnement de systèmes utilisant ce type d'emballage, moyennant une estimation préalable des pertes d'énergie non liées à l'évaporation.

La présente étude porte sur la modélisation à l'échelle du produit, puis à l'échelle du procédé, des transferts de chaleur et de matière, au cours du séchage solaire de viande de bœuf, et entre ce produit et son environnement. A l'échelle du produit, les isothermes de désorption et cinétiques de séchage de la viande de bœuf sont déterminées expérimentalement, puis modélisées afin de caractériser la viande sur le plan hygroscopique et de prédire son comportement au cours du séchage. L'étude et la modélisation du comportement hygroscopique permet de passer à une échelle du procédé par la mise en place d'un modèle de séchage solaire de la viande de bœuf adapté à un séchoir solaire, conçu et réalisé pour le séchage des produits carnés dans un contexte tropical (séchoir solaire de Kilichi). Le modèle est validé par des essais expérimentaux menés dans un contexte tropical (N'Gaoundéré-Cameroun). L'impact du séchage solaire sur la qualité du produit est étudié à travers des analyses microbiologiques et biochimiques effectuées sur des échantillons de viande de bœuf séchés, à l'échelle du laboratoire, dans un séchoir solaire conçu et réalisé pour une bonne maitrise des paramètres de séchage solaire. Les analyses microbiologiques montrent que l'impact du rayonnement solaire sur la destruction des microorganismes est plus significatif que celui de la température de séchage. Les analyses biochimiques montrent que le séchage induit une forte oxydation des lipides mais n'a pas d'impact sur la teneur en lipide de la viande. / This study deals with the modeling of heat and mass transfers during solar drying of beef, and between this product and its environment, at the scale of the product and thereafter at the scale of the process. At the scale of the product, desorption isotherm and drying kinetics of fresh beef were determined and modeled to characterize and predict the hygroscopic behavior of the beef during its drying. At the scale of the process, we proposed a model of solar drying of beef, adapted to a solar dryer that was designed and manufactured for the solar drying of beef in tropical environment (Solar dryer of Kilichi). This model was validated by experimental tests conducted in situ, in a tropical country (Cameroon- N'gaoundéré). The impact of solar drying on the quality of the product was investigated through microbiological and biochemical analyzes conducted on beef samples, dried at the laboratory with a solar dryer that was designed and manufactured to obtain a good control of solar drying parameters. These analyzes showed that the impact of solar radiation on the destruction of microorganisms is more significant than that of the drying temperature. Biochemical analysis showed that drying induces a severe lipid oxidation but has no impact on the lipid content of the meat.

Ce travail concerne une étude numérique des performances thermiques d’un séchoir- serre équipé d’une unité de stockage de chaleur solaire dans des matériaux à changement de phase (MCPs). L'unité de stockage de chaleur solaire, placée sous le sol de la serre, est composée d’une couche de MCPs (paraffine) disposée entre une plaque en acier et une couche de béton. L'écoulement de l'air asséchant se déroule par convection forcée et le produit disposé sur les claies du séchoir est la banane (Bananas Musa ABB CV. Kluai "Namwa"). Les équations de transfert de chaleur dans la serre, basées sur la méthode nodale, sont déduites d'un bilan thermique établi pour les différents composants du séchoir-serre. Les transferts de chaleur dans les couches de MCPs et de béton sont décrits respectivement par le modèle enthalpique et l'équation de la conduction. Le modèle de cinétique de séchage de la banane est celui d’Oswin modifié. Les équations de transferts sont résolues par une méthode implicite aux différences finies et les algorithmes de Gauss et de Thomas. Nous analysons l'influence du débit d'air asséchant et de l’irradiation solaire sur les distributions spatio-temporelles des températures des composants de la serre et de l'unité de stockage, la durée de séchage, les efficacités thermiques du séchoir-serre et de l'unité de stockage d'énergie. Cette modélisation est complétée par des simulations du fonctionnement du séchoir serre-unité de stockage de chaleur en utilisant la notion de journée type et les données météorologiques de Nakorn Pathom (Thaïlande) et par une analyse de faisabilité technico-économique. Les résultats montrent notamment que l’unité de stockage de chaleur contribue à la réduction de la durée de séchage et augmente les performances thermiques du séchoir et l’unité de stockage. / This work is about a numerical study of the thermal behavior of a solar greenhouse dryer and a heat storage unit in phase change materials (PCMs). The heat storage unit containing of PCMs (paraffin) is disposed between a metal plate and a concrete layer and placed under the floor of the greenhouse. The air drying flows along the greenhouse by forced convection and the products placed on the dryer's rack is bananas (Bananas Musa ABB CV Kluai "Namwa"). The heat transfer equations in the greenhouse are based on the nodal method and deduced from a thermal balance on the different components of the solar greenhouse dryer. The heat transfers in the PCMs and the concrete slab are described by the enthalpy method and the conduction equation, respectively. The banana drying kinetic is described by the model modified of Oswin. Transfer equations are solved using an implicit finite difference method associated to Gauss and Thomas algorithms. We analyze the effects of the air drying volumetric flow rate and the solar irradiance on the temperature distribution of the greenhouse dryer and the heat storage unit, the drying time, the solar greenhouse dryer and heat storage unit efficiencies. This modeling is complemented by simulations of the solar greenhouse dryer with the heat storage unit using the day type and the meteorological data of Nakorn Pathom (Thailand) and by an economic analysis. The results show that the heat storage unit provides the reduction of the drying time and increases the thermal performances of the solar greenhouse dryer and the heat storage unit.