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EPIGRAPHE; DEDICACE; REMERCIEMENT; SIGLES ET ABREVIATIONS

A mon divin Père Eternel

Créateur du ciel et de la terre ;

A Marie

Mater Ter Admirabilis ;

A mon très cher Papa

Raphaël MATABISHI MWANAWABENE ;

A ma très chère Maman

Colette IGEGA M’NAKAHANGA ;

Aux familles de mes grands frères

Mac MUGUMAODERHA et Lune MARUBA,

Arnold BAHATI et Clara BAHATI,

Serge BATUMIKE et Tyne MUGANDA,

Elvis BAZISULE et Mamie MAHESHE ;

Aux familles de mes grandes sœurs

Innocent NZIGI et Suzanne SIFA BULONZA, Innocent KABUYE et Solange BINTU ;

A mes grands frères

Papy Patient Percheron BIRINGANINE,

Rodrigue BASHAGALUKE, Bernard AGANZE ;

A ma douce petite sœur Nathalie BULANGALIRE. 

Je dédie ce travail.

Pacifique KOSHIKWINJA MATABISHI

Remerciements

En celui en qui tout ce qui existe tient nom et trouve sens, mon Dieu Père, Fils et Esprit Saint, j’adresse mes premiers sentiments de profonde gratitude pour son amour, sa miséricorde, ses dons et grâces sans les quels tous mes efforts seraient vains pour l’accomplissement de ce travail.

J’adresse aussi mes vifs remerciements à Monsieur Vyumvuhore Jérôme qui a accepté de diriger ce projet de fin d’études et pour son soutien permanent tout au long de ce laborieux travail. L’intérêt qu’il y a apporté et la confiance qu’il m’a constamment témoignée m’ont été très motivants et utiles pour l’aboutissement de ce travail.

Mes remerciements s’adressent également à tous les enseignants qui m’ont édifié depuis mon entrée au banc de l’école, au corps professoral de l’Université du Burundi, spécialement les professeurs de l’Institut Technique Supérieur, particulièrement ceux du département du génie électromécanique, pour la formation scientifique et humaine qu’ils m’ont procurée. Qu’ils se sentent fiers de l’homme que je suis devenu.

Que tous ceux qui ont participé d’une manière ou d’une autre à l’accomplissement de ce travail se sentent flattés à travers ses pages. Je pense particulièrement au personnel de l’Université du Burundi, de l’Institut Géographique du Burundi, à Mac Mugumaoderha, à Fidèle Rurihose, à Bob K. Amissi.

Mes pensées vont de manière très spéciale à toute ma famille, non seulement pour leur appui financier sans lequel cette formation ne saurait aboutir, mais aussi et surtout pour m’avoir sans cesse soutenu et avoir supporté mon absence pendant ce moment de dur labeur. À mes aimables  petits neveux et nièces, à mes cousins et cousines, oncles et tantes, la grande famille Ntagengwa ainsi que la grande famille Rubakuza.

Que tous ceux qui ont rendu agréable mon séjour à Bujumbura : la Communauté du Chemin neuf de Bujumbura, le centre spirituel Emmaüs de Kiriri, la famille de Shoenstatt du Burundi, Monsieur Nsibula Roger et sa famille, la famille Ntiruseseka, Paul Mufariji et sa famille, Ndayisenga Chérine Arlette, Melissa B., Juste R., Nérie B., Patricia B., Daniele F., Neila T., Lauraine N., Iddy Ngendakumana, Elvin N., Zéphirin, la communauté estudiantine Rumuri, spécialement du campus Kiriri, mes promotionnels, Erick, Larissa, etc., se sentent gratifiés par l’aboutissement de la formation d’Ingénieur Industriel qui offre le cadre de présentation de ce travail.

Mon cœur déborde de gratitude envers la Communauté des Etudiant Congolais de l’Université du Burundi, à mes amis et proches avec qui nous avons passé d’agréables temps fraternels. Je pense à Espoir B., Flaviens M., Moïse B., Aladin, Docile C.,Landry F., John L., Espérance K., Serge B., Fabien O., Isaac B., Bagula, Christian, Awa, Prosper M., Erast, Yves, Derrick, Kamili, Metalor, etc. et plus spécialement à Monsieur Tardif Bisimwa Polepole.

En fin je remercie les membres du jury pour la lecture et l’évaluation de ce travail.

Pacifique KOSHIKWINJA MATABISHI

Epigraphe

    

« Nous devons apprendre à écouter la terre si nous voulons survivre » 

(Pape Benoit XVI)

« It’s always seems impossible until it’s done » 

(Nelson Mandela)

« There are two possible outcomes : if the result confirms the hypothesis, then you’ve made a measurement, if the result is contrary to the hypothesis, then you’ve made a discovery »

(Enrico Fermi)

             

RESUME

Ce travail a permis d’étudier, concevoir, optimiser et évaluer par simulation numérique les performances d’un réfrigérateur solaire à adsorption à usage domestique utilisant le couple gel de silice/eau. Le réfrigérateur à été conçu de manière à être construit intégralement par les matériaux et technologies disponibles dans la sous-région des grands lacs africains tout en tenant compte des aspects économiques, écologiques, techniques et esthétiques. 

Dans les conditions climatologiques de la ville de Bujumbura, nos résultats ont montré que pour une surface utile de 1m2 du capteur (réacteur solaire), la masse optimale du gel de silice est de 10,6 kg. Dans les conditions normales de fonctionnement, le réfrigérateur produit quotidiennement le froid équivalant énergétiquement à abaisser de 20°C une masse d’eau de 35kg avec un coefficient de performance global d’ordre de 0,16. Un système de stockage de froid sous forme de glace permet une autonomie de 3 jours d’absence de soleil et de maintenir la température interne du bahut inférieur à 8°C.

Le réfrigérateur étant alimenté énergétiquement par l’énergie solaire, un code de calcul permettant de prédire les caractéristiques ainsi que les composants du rayonnement solaire à chaque instant de la journée a été élaboré. L’étude thermodynamique du réfrigérateur a été abordée par l’analyse classique des bilans énergétiques des quatre phases du cycle. L’équation d’équilibre thermodynamique bivalent issue de la théorie de DUBININ et RADUSHKEVICH nous a permis d’évaluer l’influence des différents paramètres sur les performances de la machine.

Pour optimiser et évaluer les performances du réfrigérateur, le comportement transitoire du réacteur solaire a été étudié durant le cycle complet de la machine. De ce fait, une modélisation mathématique de transfert de chaleur et de masse au sein du réacteur à été fait avec les hypothèses simplificatrices. Le modèle mathématique est basé sur les équations de conservation de l’énergie et de masse ainsi que l’équation d’état de DUBININ et RADUSHKEVICH. La résolution des équations différentielles trouvées a été faite par la méthode des différences finies. Les codes des calculs ont été élaborés en Matlab. L’ensemble des résultats numériques obtenus a permis de mettre en évidence les paramètres optimaux, l’évolution spatio-temporelle des variables d’états (température, masse, pression) et l’influence des différents paramètres sur les performances de la machine. 

             

TABLE DES MATIERES

Table des matières

Liste des figures

Liste des tableaux

NOMENCLATURE

Symbole

2D

3D

Ac

a   B   

C  

Ca  

CB

Cs

COP

COPth COPs

Cpv

Ce

Cm

Ca

Cs Ce dj d   dext  

dint  

D*  (D-R) e E

E0 Ea eib eil ep ET g G 

G* 

G0

Description

Deux dimensions

Trois dimensions

Surface du générateur 

Surface du condenseur 

Azimut

Microstructure paramètre de l’adsorbant constante de l'équation de Clausius-Clapeyron

Capacité calorifique de l’acier

Constante de B.E.T, fonction de la chaleur d'adsorption

Capacité calorifique du silicagel 

Coefficient de performance

Coefficient de performance thermique

Coefficient de performance solaire

Capacité calorifique de la vapeur d’eau à pression constante 

Chaleur spécifique de l’adsorbat de l’eau liquide

Chaleur spécifique des parties métalliques de l’adsorbeur 

Chaleur spécifique de l’acier

Capacité calorifique du gel de silice 

Capacité calorifique de l’eau liquide  Durée du jour

distance entre parois absorbante et vitre 

Diamètre extérieur de tuyau 

Diamètre intérieur du tuyau 

Irradiation solaire journalière diffuse 

Densité de flux solaire diffus 

Equation de Dubinin-Radeshkevich

Épaisseur

Energie caractéristique d’un système donné adsorbant/adsorbat

Constante solaire

Energie d’activation 

Épaisseur l’isolant thermique à la base du capteur 

Épaisseur l’isolant thermique aux cotés latérales du capteur 

Épaisseur de la plaque absorbante du capteur 

Equation du temps

Accélération de la pesanteur

Irradiation solaire journalière globale 

Densité de flux solaire global 

Irradiation solaire journalière globale hors atmosphère 

Unité

m2 m2

°

J/kg.K 

J/kg.K

J/K.kg

J/K.kg

J/K.kg

J/ kg.K

J/ kg.K

J/ kg.K heure

mm mm mm

kWh/m2/jour

W/m2

mm

J/mol

W/m2

J/kg

m m m heure m/s2 kWh/m2/jour W/m2 kWh/m2.jour

ΔG

h                    hb  hc hl  hp hs hvent

hc,c-a   hc,p-v 

 hr,v-a 

 hr,p-v 

Hads

i                      I  I* 

KT K

Le

Lc

Lf l 

lc Lc  L

m  ms mv  mm

mmax  mmin Δm  n Nv

Pa  

Pc

Pe  

Energie libre de GIBBS

Hauteur du soleil 

Coefficient des pertes thermiques vers l’arrière du réacteur solaire,

Coefficient de d’échange thermique du condenseur

Coefficient des pertes thermiques latérales du réacteur solaire

Coefficient global de pertes du capteur 

Coefficient des pertes thermiques vers l’avant du réacteur solaire

Coefficient de chaleur lié au vent

Coefficient d’échange thermique par convection entre couverture et ambiance Coefficient d’échange thermique par convection entre couverture et paroi absorbante 

Coefficient d’échange thermique par rayonnement entre couverture et ambiance

Coefficient d’échange thermique par rayonnement entre la couverture et la paroi absorbante 

Chaleur isostérique de sorption

Orientation du capteur

Irradiation solaire journalière directe perpendiculairement aux rayons solaires  Densité de flux solaire direct perpendiculairement aux rayons solaires  n° du jour de l’année

Coefficient de transmission.

Constante d'équilibre d'adsorption.

Chaleur latente de vaporisation 

Chaleur latente de condensation

Chaleur latente de fusion de la glace d’eau longitude 

largeur du capteur Longueur du capteur  latitude

Quantité d'adsorbat 

Masse de l’adsorbant solide contenue dans l’adsorbeur 

Débit total de la vapeur dans l’absorbeur 

Masse des parties métalliques de l’adsorbeur 

Quantité minimale de la masse adsorbée 

Quantité maximale de la masse adsorbée 

Masse d’eau cyclée

Paramètre caractéristique du couple d’adsorbant/absorbat

Nombre de vitre

Pression atmosphérique 

Pression de condensation 

Pression d’évaporation 

J/mol

°

W/m2.K

W/m2.K

W/m2.K

W/m2.K

W/m2.K

W/m2.K

W/m2.K

W/m2.K

W/m2.K

W/m2.K kJ/kg

°

kWh/m2.jour

W/m2

kJ/kg  kJ/kg kJ/kg

°

m m

°

kg/kg kg kg/s kg kg/kg kg/kg kg/kg

bar kpa kpa

Ps

Pv  

Qc  

Qf  

Qp

Qsa  

Hads  

Qst

Qu

Q1

Q2

Q3

Qdes

S* 

SS 

SS0

Δt T 

mo

Ta  

Tb

Tc

Tv  

Te

Tg

Tp

TSat

Ts1

Ts2

TCF 

TL 

TS 

TS1

TS2 TU

Vvent

Vo  

Pression de saturation 

Pression partielle de vapeur 

Quantité de chaleur fournie à l’adsorbeur 

Production frigorifique ou la quantité de froid produite à l’évaporateur 

Flux perdu par la paroi absorbante 

Flux solaire absorbé 

Chaleur isostérique de l’adsorption 

Flux stocké dans le capteur 

Flux utile transmis au réacteur 

Chaleur sensible de chauffage des parties métalliques de l’adsorbeur

Chaleur sensible du chauffage de l’adsorbant

Chaleur sensible utilisée pour le chauffage de l’adsorbat

Chaleur de désorption

Constante des gaz parfait 

Irradiation solaire journalière directe 

Densité de flux solaire direct 

Durée journalière d’ensoleillement

Durée journalière maximale d’ensoleillement

Temps 

Pas du temps

Température 

Quantité d'adsorbat maximale pour former une monocouche 

Température de l’air extérieure 

Température de l’adsorbant  Température de condensation  température de la couverture Température de l’évaporation 

Température de la génération 

Température de la plaque absorbante 

Température de la saturation 

Température du débit de la désorption 

Température du débit de l’adsorption 

Temps civil du fuseau 

Temps légal  

Temps solaire vrai

Temps légal  au lever du soleil

Temps légal  au coucher du soleil

Temps universel

La vitesse du vent extérieure 

Volume adsorbé 

Volume maximal adsorbable 

bar Kpa

kJ kJ

W

W

kJ/kg

W

W

kJ/kg kJ/kg kJ/kg kJ/kg J/kg .K

kWh/m2/jour W/m2 heure heure

s s

K

Kg/kg

K

K

K

K

K

K

K

K

K K heure heure heure heure heure heure m/s m3 m3

Va Vd ms  z Z   ρs ρa δ  ω  ω1 ω2

ρ  αp σ σ σ σ max σ a τv  εp εv α 

αp  β β γ ε εa θ λ

λi  μl μv τv

Volume parois absorbeur

Volume diffuseur 

Masse de l’adsorbant 

Distance zénithal

Altitude 

Masse volumique du silicagel 

Masse volumique de l’acier

Déclinaison solaire,  

Angle horaire du soleil,

Angle horaire de lever du soleil,

Angle horaire de coucher du soleil,

Albédo du sol

Coefficient d’absorption des parois métalliques de l’adsorbeur

Constante de Stefan-Boltzmann Taux d’ensoleillement contrainte normale contrainte normale maximale contrainte normale admissible Transmissivité de la vitre.

Émissivité des parois du tube adsorbeur.

Émissivité de la vitre.

Coefficient d’absorption de la couverture par rapport au rayonnement solaire

Coefficient d’absorption du rayonnement solaire de la paroi absorbante Coefficient d’affinité

Coefficient traduisant le trouble atmosphérique.

Angle d’inclinaison,

Potentiel du Polanyi 

Émissivité de l’atmosphère

Taux de recouvrement de la surface Conductivité thermique de l’air

Conductivité thermique de l’isolant 

Potentiel chimique du liquide 

Potentiel chimique de la vapeur 

Coefficient de transmission du rayonnement solaire de la couverture 

m3 m3 Kg

°

m kg/m3 kg/m3

°

°

°

°

W/m2 K4

N/mm2

N/mm2

N/mm2

°

°

W/m.K

W/m.K

J/mole

J/mole

                 

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