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INTRODUCTION

De nos jours, nous assistons à un grand déficit énergétique généralisé et plus accentué encore dans les pays en développement, en particulier dans la sous-région des grands lacs africains. Les énergies nobles sont majoritairement produites par les sources fossiles qui non seulement       s’épuisent        progressivement             mais    aussi,   elles     ont       des       conséquences environnementaux néfastes : pollution de l’atmosphère, destruction de la couche d’ozone, production des gaz à effet de serre contribuant au réchauffement climatique.

La tendance actuelle est donc de trouver des nouvelles formes d’énergie d’origine renouvelable pour palier à ce problème. L’idéal serait de produire la totalité de l’énergie utilisée par des sources renouvelables, mais hélas, ce secteur connait encore beaucoup de défis d’ordre technologique et commercial. Dans ce contexte, ce travail se propose d’apporter une contribution à l’étude, le développement et la promotion des technologies basées sur les énergies renouvelables, spécialement l’énergie solaire. Il consiste à faire une étude numérique d’un réfrigérateur solaire à adsorption, le concevoir, l’optimiser et simuler son fonctionnement dans un climat tropical humide, cas de la ville de Bujumbura. La conception du réfrigérateur tient énormément compte des matériaux et technologies de fabrications disponibles dans la sous-région afin de permettre la construction intégrale du réfrigérateur localement. C’est une approche de développement d’une technologique appropriée.

En effet, jusqu’à présent la quasi-totalité des systèmes de conditionnent d’air et des réfrigérateurs domestiques fonctionnent par la voie classique des machines frigorifiques à compression qui demandent pour le fonctionnement du compresseur, une dépense considérable en énergie électrique. Nous pouvons ajouter aussi le souci de la disponibilité d’électricité surtout dans les zones rurales où le réseau de distribution de l’énergie électrique fait défaut. La conservation des produits périssables présente donc un sérieux problème et défavorise le développement de beaucoup de secteur comme l’agroalimentaire, la pêche, etc.

En plus, ces machines frigorifiques à compression utilisent pour leur fonctionnement des CFC (chlorofluorocarbure) dont la plupart appauvrissent la couche d’ozone. De nombreux scientifiques et écologistes se prononcent donc pour une technologie verte, inoffensif à l’environnement. Les systèmes alternatifs doivent utiliser des fluides frigorigènes sains pour l’environnement et avoir des performances élevées permettant de réduire l’émission de CO2 qui contribue à l’effet de serre.

Ces problèmes environnementaux ont donné un regain d’intérêt à une autre filière de machines frigorifiques à sorption (absorption et adsorption). Comme la sous-région des grands lacs africains dispose d’un grand potentiel en énergie solaire, la réfrigération solaire à sorption présente une alternative intéressante. Le domaine d’application de ce type de réfrigération est vaste : le froid ménager (la conservation des aliments, le rafraîchissement des boissons, etc.) ; le froid commercial (la conservation des denrées pendant la période de vente) ; le froid agro-alimentaire (laiteries, conservation de semences de pomme de terre, etc.) ; le froid médical (conservation de vaccins, des produits pharmaceutiques, etc.).

On appelle machine à absorption une machine dont le système à sorption utilise des couples de réfrigérant et de l’absorbant vapeur-liquide, dans le cas où le milieu avec lequel le réfrigérant interagit est un solide, on parle de machines à réaction solide-gaz. Selon que l’interaction est de nature physique ou chimique, on parle respectivement de machines à adsorption ou de machines à absorption solide ou à réaction chimique. 

La plus part des machines frigorifiques classiques existantes à énergie thermique sont à absorption liquide. Les plus nombreuses utilisant les couples NH3/H2O et H2O/LiBr. Cependant, ces machines souffrent de quelques contraintes inhérentes à leur principe, par exemple le danger de cristallisation et la circulation des fluides [10]. Pour les machines à absorption solide, il y a une réaction chimique entre l’absorbant et le réfrigérant pour former un composé. L’absorption entraîne un fort gonflement de sel, ce qui pose des problèmes technologiques liés à la cinétique de la réaction et à celle du transfert de chaleur. Dans le cas de l’adsorption solide, le mode de liaison entre les molécules du réfrigérant et de l’adsorbant est purement physique. L’adsorption ne modifie pas le volume du solide, elle entraîne une variation de la masse adsorbée et des propriétés physiques et thermodynamiques des couples adsorbant/adsorbat.

Le développement de la technologie des machines frigorifiques solaire à adsorption peut être effectué par des études expérimentales d’une part et par la modélisation mathématique d’autre part. Cette dernière méthode permet d’économiser du temps et de l’argent, car elle permet une étude plus souple de l’influence des paramètres sur les performances de toute la machine. C’est cette méthode qui a été utilisée dans le cadre de ce travail.

Notre étude est faite à partir d’un réfrigérateur ayant un capteur-absorbeur d’un mètre carré de surface utile et le Gel de silice/Eau comme couple frigorifique. Le volume total ainsi que le poids de l’ensemble seront réduits à leur minimum possible pour minimiser l’encombrement. Le cycle frigorifique étant intermittent, devant s’adapter au cycle solaire (nuit-jour), un système de stockage du froid sous forme de glace sera élaboré. Ce dernier servant non seulement à maintenir une température de 0°C à 8°C dans le bahut mais aussi à réguler la température interne du bahut et assurer l’autonomie (réserve d’énergie) de 3 jours en cas d’absence du soleil. Pour cela, l’isolation du bahut devra répondre à cette fin.

Plusieurs travaux ont été effectués dans le domaine de la réfrigération solaire par adsorption et des réfrigérateurs ont été réalisés [1-3]. Toutefois, comme tous les systèmes solaires, l'utilisation des systèmes à adsorption est encore limitée, d’une part par le coût économique du capteur solaire qui remplit deux fonctions : capteur d’ensoleillement et compresseur chimique, et d’autre part par la fluctuation de l’ensoleillement.

Cependant, le développement des machines frigorifiques solaires à adsorption présente d’une part un double intérêt : technique et environnemental. D’autre part, il présente beaucoup d’avantages notamment des économies en énergies nobles (électricité) élevées, accessibilité dans les zones non encore couvertes par le réseau de distribution de l’énergie électrique, il est aussi à cent pour cent propre (c'est-à-dire : non polluant, pas des gaz à effet de serre, non nuisible à la couche d’ozone, …) et constitue un apport concret au développement. Ce travail intitulé « étude, conception, optimisation et simulation d’un réfrigérateur solaire à adsorption à usage domestique utilisant le couple gel de silice-Eau » se veut contribuer à cet aspect.

Hormis l’introduction générale et la conclusion générale, ce travail est subdivisé en quatre chapitres.

Le chapitre premier constitue en quelque sorte une préface sur l’énergie solaire, ses principales utilisations et les différents moyens de production de froid dont dispose la technologie actuelle.

Le chapitre deuxième présente d’une part une analyse des critères de choix d’un adsorbant et d’un adsorbat, la revue des couples couramment utilisés et justifie le choix du couple qui sera utilisé dans notre réfrigérateur. D’autre part après une présentation sommaire du phénomène thermodynamique de l’adsorption, une étude et une analyse paramétrique simplement numérique du cycle de base de Clapeyron associé à la machine frigorifique ont été faites sur base d’un modèle numérique basé sur l'équation d'état du modèle de Dubinin et Radushkèvich [7,10]. Il ne tient compte ni des effets de la cinétique de l’adsorption ni des différences de température ou de pression dues aux transferts de chaleur et de masse. Pour ce faire, un programme de calcul a été élaboré afin d'apprécier l'influence de divers paramètres du cycle de base sur la quantité de froid produite à l’évaporateur, le coefficient de performance thermique de la machine et la quantité de la masse cyclée de l’adsorbat dans la machine. 

Le chapitre troisième quant à lui consiste à concevoir de manière optimale les différents composants principaux du réfrigérateur : le capteur solaire, le condenseur, le bahut, l’évaporateur et les bacs de glace de stockage. Après une étude préliminaire du capteur et une estimation du rayonnement solaire, nous avons modélisé le capteur solaire afin de l’optimiser. Nous avons ensuite présenté les critères de choix d’un condenseur à air, puis nous avons conçu un condenseur élémentaire à air et le bahut pour notre réfrigérateur. Pour finir, nous avons conçu l’évaporateur, les bacs de glace et fait le choix de la tuyauterie et des vannes.

En fin, le chapitre quatrième s’étend sur deux grandes parties. Dans la première partie il est question de simuler le fonctionnement du réfrigérateur, évaluer ses performances suivant les différentes périodes de l’année. La seconde partie de ce chapitre concerne l’aspect financier du projet, un algorithme de dimensionnement est présenté afin de permettre  d’établir le devis en fonction des besoins énergétiques de l’utilisateur auxquels doit satisfaire le réfrigérateur.

Notre modèle tient compte des phénomènes de transfert de chaleur et de masse à l’intérieur du lit poreux du gel de silice dans l’adsorbeur (réacteur solaire). Il est basé sur les fondements classiques de conservation d’énergie et de masse où les équations sont aux dérivées partielles et fortement non linéaires. Elles sont résolues par la méthode numérique de différences finies. Sur cette base, nous avons mis au point un code de calcul permettant de simuler le fonctionnement d’une machine frigorifique solaire à adsorption au cours d’un cycle complet et de calculer sa performance à partir de données solaires et climatiques et pour des conditions initiales données. 

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