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Mémoire présenté en vue de l’obtention du diplôme de Magister en : Génie mécani

Mémoire présenté en vue de l’obtention du diplôme de Magister en : Génie mécanique Option : Système thermique et maîtrise d’énergie Etude de faisabilité d’un climatiseur solaire adapté à la région de Biskra. Présenté par : Mohamed Ali DJEBIRET Soutenu publiquement le 16/12/2012 Devant le jury composé de : Mabrouk HECINI Professeur Président Université de Biskra Adel BENCHABANE Maître de Conférences ‘A’ Rapporteur Université de Biskra Noureddine MOUMMI Professeur Examinateur Université de Biskra Abdelhafid BRIMA Maître de Conférences ‘A’ Examinateur Université de Biskra انجًيٌسّح انجضائشّح انذًّقشاطْح انشؼثْح République Algérienne Démocratique et Populaire ًصاسج انرؼهْى ِانؼان ً انثحث ًِانؼه Ministère de l’enseignement supérieur et de la recherche scientifique Université Biskra Faculté des Sciences et de la Technologie Département de Génie Mécanique Réf :…………………………… جايؼح تسكشج كهْح انؼهٌو ً انركنٌنٌجْا قسى انينذسح انًْكانْكْح انًشجغ: …………… i A la mémoire de mon grand père Khalifa Djebiret et ma grande mère Zohra Maanani. A mon père, ma mère, mon unique frère et mes deux sœurs. A ma grande famille et spécialement mes tantes Samira, Rabiha et ma grande mère, mes oncles, mes cousins Mohamed Saïd, Mohamed Adel, Ahmed, Slami, Mohamed Amine, Moaz Mondhir et mes cousines Lilia, Khaiera, Djoumana, Fairouz, Ikram. Sommaire ii Sommaire SOMMAIRE II REMERCIEMENTS V NOMENCLATURE VI LISTE DES FIGURES VII LISTE DES TABLES X INTRODUCTION GENERALE 1 1 ENJEUX ENERGETIQUES 2 1.1 Consommation mondiale d’énergie 2 1.2 Energie et pollution du climat 2 1.2.1 Exemple de la Chine 4 1.2.2 Exemple de l’Europe 4 2 SOURCES LIMITEES ET ENERGIES RENOUVELABLES 5 3 GISEMENT SOLAIRE EN ALGERIE 6 3.1 Besoins de la climatisation 7 4 OBJECTIFS ET ORGANISATION DU MEMOIRE 8 5 BIBLIOGRAPHIE 10 CHAPITRE 1: PRODUCTION DU FROID SOLAIRE 11 1 TECHNIQUES BASEES SUR LA CONVERSION PHOTOVOLTAÏQUE 12 1.1 Systèmes à compression de vapeur 13 1.2 Systèmes à effet Peltier 13 2 TECHNIQUES BASEES SUR LA CONVERSION THERMIQUE 14 2.1 Capteurs solaires 14 2.1.1 Capteurs solaires plans 14 2.1.2 Capteurs solaires plans à air 16 2.1.3 Capteurs solaires sous vide 16 2.2 Processus thermomécanique 17 2.3 Cycle de Rankine (compression) 20 2.4 Cycle à jet de vapeur 20 2.5 Processus de sorption 20 2.5.1 Absorption 22 Sommaire iii 2.5.1.1 Système fermé à simple effet 22 2.5.1.2 Système fermé à double effet 23 2.5.1.3 Systèmes ouverts 25 2.5.2 Adsorption 26 2.5.2.1 Adsorption physique (physisorption) 27 2.5.2.2 Adsorption chimique (chimisorption) 27 2.5.2.3 Systèmes ouverts 28 3 PRODUCTION DU FROID SOLAIRE ABORDABLE 29 4 CONCLUSION 30 5 BIBLIOGRAPHIE 31 CHAPITRE 2 : TECHNOLOGIES DU FROID SOLAIRE PAR SORPTION 33 1 TECHNOLOGIES DE REFRIGERATION SOLAIRE PAR SORPTION 33 1.1 Absorption 33 1.2 Adsorption 36 2 DIFFERENTES APPLICATIONS DES SYSTEMES DE FROID SOLAIRE PAR SORPTION 39 2.1 Congélation et fabrication de la glace 39 2.2 Réfrigération 40 2.3 Climatisation 41 2.3.1 Tendance en Europe 42 2.3.2 Tendance en Chine 43 3 RECAPITULATION 44 4 BIBLIOGRAPHIE 45 CHAPITRE 3 : CHOIX DE LA TECHNOLOGIE DE RAFRAICHISSEMENT SOLAIRE ADAPTEE A NOS BESOINS 48 1 CLIMATISATION ET RAFRAICHISSEMENT 48 2 CONDUIRE UN PROJET DE RAFRAICHISSEMENT SOLAIRE 48 2.1 Etude de faisabilité 49 2.2 Choix de la technologie 49 3 APERÇU SUR LES SYSTEMES INSTALLES 51 4 EXEMPLES DE PROTOTYPES ET D’INSTALLATIONS COMMERCIALES 54 4.1 Rafraichissement solaires par absorption 55 4.1.1 Machines et installations commerciales 55 4.1.2 Prototypes 57 4.2 Rafraichissement solaires par adsorption 58 4.2.1 Machines et installations commerciales 58 4.2.2 Prototypes 60 5 CONCLUSION 60 6 BIBLIOGRAPHIE 61 Sommaire iv CHAPITRE 4 : ETUDE PRELIMINAIRE D’UNE INSTALLATION DE RAFRAICHISSEMENT SOLAIRE A ADSORPTION DANS LE SITE DE BISKRA 65 1 ESTIMATION DES BESOINS EN FROID 65 2 DESCRIPTION DE LA TECHNOLOGIE DE RAFRAICHISSEMENT SELECTIONNEE 66 2.1 Conception des composantes du système solaire 66 2.2 Refroidisseur à adsorption 66 2.2.1 L’adsorbeur 67 2.2.2 Condenseur 68 2.2.3 Evaporateur 68 2.2.4 Vannes électropneumatiques 69 2.2.5 Vannes électromagnétiques 69 2.3 Principe de fonctionnement 69 2.4 Processus du cycle à adsorption 72 2.5 Essai expérimental sous des conditions réelles 73 3 PRE-DIMENSIONNEMENT DES COMPOSANTES DE L’INSTALLATION DANS LE SITE DE BISKRA 75 3.1 Besoin d’eau chaude pour le refroidisseur d’adsorption 75 3.2 Calcul de la surface de captation 75 3.3 Dimensionnement du local de l’installation 76 4 VALIDATION DE LA DEMARCHE DE CALCUL 78 5 ESTIMATION DU COUT DE L’INSTALLATION 78 5.1 Capteur solaire plan 78 5.2 Ballon solaire de stockage d’eau 79 5.3 Refroidisseur solaire à adsorption 79 5.4 Ventilo convecteur 80 5.5 Pompes et réservoir de stockage d’eau 81 6 DISCUSSION 82 7 BIBLIOGRAPHIE 83 CONCLUSION GENERALE 84 Remerciements v Remerciements Avant tout j’adresse mes remerciements à Monsieur Adel BENCHABANE, Maître de conférences à l’Université de Biskra, de m’avoir proposé ce sujet. L’intérêt qu’il a porté à mon travail et la confiance qu’il m’a constamment témoignée ont été pour moi très motivants afin d'accomplir ce travail. Mes sincères remerciements s'adressent à Monsieur Mabrouk HECINI, Professeur à l’Universitaire de Biskra, qui a bien voulu accepter de présider le jury de la soutenance. Je remercie Messieurs Nourddine MOUMMI, Professeur à l’Université de, Biskra et Abdelhafid brima, Maître de conférences à l’Université de Biskra, qui m'ont fait l'honneur de participer au jury. Je remercie également tout les enseignants de département de génie mécanique de l’Université de Biskra. Je tiens très sincèrement à remercier Messieurs Mohamed AFRID et Rachid ALEMMI, Professeurs à l’Université de Constantine de m’avoir soutenu et encouragé pour faire le Magister. En fin, Je remercie tous mes très chers amis de Biskra, de Souk Naamane et de Constantine qui ont participé de près ou de loin à l’aboutissement de ce mémoire. Nomenclature vi Nomenclature tep : tonne équivalent pétrole TJ : unité de calcul térajoule TB : température relative de base extérieur (c°) TM : température ambiante (c°) TH : température de la source de chaleur (c°) TL : température de la source froide (c°) Ip : irradiation directe des rayons du soleil (W/m²) As : surface superficielle solaires (m²) B  : humidité relative de base extérieure Qe : puissance frigorifique (W) Qs : quantité de chaleur reçue par le capteur (W) Qg : quantité de chaleur reçue par le générateur (W) Qa : quantité de chaleur de sorption vers le milieu ambiant (W) Wele : travail électrique (W) ECEN : énergie d’eau chaude nécessaire (kWh) PSD : puissance solaire disponible (Wh/m²) sol pow   : rendement d’un panneau solaire (-) pow cool   : rendement du système frigorifique (-) COP : coefficient de performance (-) CP : capacité calorifique (J/kg/c°)  : masse volumique (kg/l) Ci : coefficient d’inclinaison des capteurs (-) Co : coefficient d’orientation des capteurs (-) Cc : coefficient de correction du fluide caloporteur (-) Liste des figures vii Liste des figures Figure 0.1 Contexte énergétique actuel dans le monde (Mostefa-Kara 2005). Figure 0.2 Evolution de la production mondial des énergies fossiles et la concentration du CO2 dans l’atmosphère (Mostefa-Kara 2005). Figure 0.3 Potentiel solaire au tour du monde (Mostefa-Kara 2005). Figure 0.4 Schéma des Zones climatiques de l’Algérie (Berdja et al. 2007). Figure 1.1 Schéma des différentes technologies de production de froid à partir de l’énergie solaire. Figure 1.2 Schéma d’un panneau solaire photovoltaique dans un circuit fermé avec une charge quelconque (Kim and Infante Ferreira 2008). Figure 1.3 Schéma d’un système frigorifique solaire à compression employant des panneaux photovoltaïque (Kim and Infante Ferreira 2008). Figure 1.4 Capteur solaire thermique plan (André and Thomas 2008). Figure 1.5 Principe de fonctionnement d’un capteur solaire thermique plan (André and Thomas 2008). Figure 1.6 Capteur solaire thermique sous vide (André and Thomas 2008). Figure 1.7 Schéma d’un processus de réfrigération solaire thermomécanique (Kim and Infante Ferreira 2008). Figure 1.8 Cycle de Carnot d’un système solaire thermomécanique (diagramme T-S). Figure 1.9 Système de réfrigération par sorption (Kim and Infante Ferreira 2008). Figure 1.10 Illustration d’un système de réfrigération par absorption à simple effet (Kim and Infante Ferreira 2008). Figure 1.11 Illustration d’un système de réfrigération par absorption à double effet (Kim and Infante Ferreira 2008). Figure 1.12 Système de rafraichissement par dessiccation liquide liée à une source thermique de capteurs solaires (Kim and Infante Ferreira 2008). Figure 1.13 Schématisation du phénomène d’adsorption (Chekirou 2008). Liste des figures viii Figure 1.14 Rafraichissement par dessiccation solide liée à une source thermique solaire (Kim and Infante Ferreira 2008). Figure 1.15 Performance et coût des différents systèmes de production du froid solaire. Figure 2.1 Schéma d’un refroidisseur à absorption (Fan et al. 2007). Figure 2.2 COP en fonction de la température de générateur pour des réfrigérateurs à absorption à 1, 2 et 3 effet (Fan et al. 2007). Figure 2.3 Schéma d’un réfrigérateur solaire à adsorption (Fan et al. 2007). Figure 2.4 Réfrigérateur à adsorption de deux lits (Fan et al. 2007). Figure 3.1 Arbre de décision pour le choix de la technologie de rafraîchissement solaire (Delorme et al. 2005). Figure 3.2 Nombre total des systèmes de chauffage et de refroidissement solaires installés dans différents pays et classés dans les systèmes de petite ou grande échelle. «Autres pays» comprennent : Arménie, Australie, Belgique, Danemark, Egypte, Japon, le Kosovo, le Lichtenstein, Malte, Mexique, Pays-Bas, Singapour, Afrique du Sud, Suisse, Syrie, Turquie, Royaume- Uni, uploads/Geographie/ etude-de-faisabilite-d-x27-un-climatiseur-solaire-adapte-a-la-region-de-biskra.pdf