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République algérienne démocratique et populaire ﺍﻟﺠﻤﻬﻮﺭﻳﺔ ﺍﻟﺪﻳﻤﻘﺮﺍﻁﻴﺔ ﺍﻟﺸﻌﺒﻴﺔ ﺍ

République algérienne démocratique et populaire ﺍﻟﺠﻤﻬﻮﺭﻳﺔ ﺍﻟﺪﻳﻤﻘﺮﺍﻁﻴﺔ ﺍﻟﺸﻌﺒﻴﺔ ﺍﻟﺠﺰﺍﺋﺮﻳﺔ Ministère de l'enseignement supérieur et de la recherche scientifique ﻭﺯﺍﺭﺓ ﺍﻟﺘﻌﻠﻴﻢ ﺍﻟﻌﺎﻟﻲ ﻭﺍﻟﺒﺤﺚ ﺍﻟﻌﻠﻤﻲ Université Mohamed Khider-Biskra Faculté des sciences et de la technologie Département de Génie Mécanique Ref :……/2021 Mémoire Présenté pour l'obtention du Master En génie mécanique Option: énergétiques Par Kais ABSI Contribution au dimensionnement des échangeurs de chaleur Sol-Air en utilisant un modèle semi-analytique. Devante le jury compose de: Mr. Adel Benchabane Professor, Univ-Biskra, Alegria superviseur Mr. Kamel Aoues MCA, Univ-Biskra, Alegria président Mr. Chawki Mahboub MCB, Univ-Biskra, Algeria Examinnateur Université de Biskra 2021 ii Remerciement En premier, je remercie le Tout Puissant ALLAH, notre créateur qui m’a donné la force d’accomplir ce travail. Je tiens à remercier vivement, l’encadrant Prof Adel Benchabane pour ses encouragements, ses conseils précieux et sa disponibilité. Je présente mes chaleureux remerciements aux enseignants du département de génie mécanique pour leurs aides et orientations durant toute ma formation. Et à tous ceux qui ont participé de près ou de loin à la réalisation de ce travail. iii Dédicace Je dédie ce travail à tous ceux qui me sont chers, À ma très chère grand-mère. Aucune dédicace ne saurait exprimer mon respect, mon amour éternel et ma considération pour les sacrifices que vous avez consenti pour mon instruction et mon bien être, je vous remercie pour tout le soutien et l'amour que vous me portez depuis mon enfance. À mes très chers parents, pour tous leurs sacrifices, leur amour, leur tendresse, leur soutien et leurs prières, que ce travail soit l’accomplissement de vos vœux tant allégués, et le fruit de votre soutien infaillible. À mes chères sœurs, pour leurs encouragements permanents, et leur soutien moral. A mon cher frère, pour leur appui et leur encouragement, A mes tantes, oncles, cousins, cousines et tous les membres de ma grande et aimable famille qui m’ont toujours soutenu et poussé à donner le meilleur de moi-même, A tous mes amis, qu’ils m’excusent de ne pas pouvoir les citer, au risque d’oublier quelqu’un, je vous dis MERCI pour tous les moments inoubliables qu’on a passé ensemble durant ces cinq ans. Kaiss iv Sommaire Remerciement ............................................................................................................................. ii Dédicace .................................................................................................................................... iii Sommaire .................................................................................................................................... iv Nomenclature............................................................................................................................ vii Listes des figures ........................................................................................................................ ix Liste des tableaux ....................................................................................................................... xi Introduction générale ................................................................................................................... 1 Chapitre I : Etude bibliographique .............................................................................................. 4 I.1 Introduction ........................................................................................................................ 5 I.2 Quelques installations expérimentales géothermales air/sol .............................................. 5 I.3 Quelques études théoriques sur les échangeurs air/sol....................................................... 8 I.4 Conclusion .......................................................................................................................... 9 Chapitre II : Généralités sur l'énergie géothermique et les échangeurs de chaleur sol-air ........ 11 II.1. Introduction .................................................................................................................... 12 II.2. Énergie de la Géothermie .............................................................................................. 12 II.2.1. Définition ................................................................................................................ 12 II.2.2. Classification des ressources géothermiques .......................................................... 12 II.2.2.1. Géothermie à haute énergie ............................................................................. 12 II .2.2.2. Géothermie moyenne énergie ......................................................................... 13 II.2.2.3. Géothermie de basse énergie ........................................................................... 13 II.2.2.4. Géothermie très basse énergie ......................................................................... 14 II.2.3. La géothermie dans l’Algérie.................................................................................. 15 v II. 2.3.1. La géothermie en Algérie................................................................................ 15 II.2.3.2 Les zones géothermiques en Algérie ................................................................ 15 II.3. Échangeur air-sol ........................................................................................................... 16 II.3.1. Définition ................................................................................................................ 16 II.3.2. Fonctionnement ...................................................................................................... 17 II.3.3. Composants d’échangeur air/sol ............................................................................. 18 II.3.4. Les type les échangeurs air/ sol .............................................................................. 20 II.3.5. La forme d’échangeur air/ sol ................................................................................. 21 II.3.5.1. Échangeur horizontal ....................................................................................... 21 II.3.5.2. Échangeurs air sol verticaux ............................................................................ 21 II.3.6. Efficacité des échangeurs de chaleur air-sol ........................................................... 22 II.4 Paramètres importants et performances thermiques des échangeurs air-sol ................... 23 II.4.1 La longueur de tube ................................................................................................. 23 II.4.2 Le diamètre de tube .................................................................................................. 23 II.4.3 Débit d’air total ........................................................................................................ 24 II.4.4 Vitesse d’écoulement de l’air................................................................................... 24 II.4.5 Profondeur d’enfouissement .................................................................................... 24 II.4.6 Nombre et espace entre les tubes ............................................................................. 24 II.4.7 D’autres paramètres influant les performances de l’installation.............................. 25 II.4.8 Pente de conduite ..................................................................................................... 25 II.5. Avantages et inconvénients de l’échangeur air/sol ........................................................ 25 II.6 Conclusion ...................................................................................................................... 26 Chapitre III : Modélisation de l’échangeur sol-air .................................................................... 27 III.1 Introduction ................................................................................................................... 28 III.2 Description du modèle GRBM ...................................................................................... 28 vi III.2.1 Estimation de la température de l'air ...................................................................... 29 III.2.2 Estimation de la résistance thermique du sol.......................................................... 30 III.3. Conclusion .................................................................................................................... 34 Chapitre IV : Résultats et discussion ......................................................................................... 35 IV.1 Introduction ................................................................................................................... 33 IV.2 Validation ...................................................................................................................... 33 IV.3 Etude paramétrique........................................................................................................ 35 IV.3.1 Effet de la durée de fonctionnement sur le rayon du sol rδ .................................... 35 IV.3.2 Effet de la température ambiante sur la longueur de l’échangeur air-sol ............... 37 IV.3.3 Effet du diamètre des tubes sur la longueur de l’échangeur air-sol ....................... 37 IV.3.4 Effet de débit l’air sur la longueur de l’échangeur air-sol ...................................... 38 Conclusion générale .................................................................................................................. 39 Références bibliographiques...................................................................................................... 42 Résumé ...................................................................................................................................... 45 ﻣﻠﺨﺺ .......................................................................................................................................... 45 vii Nomenclature Symbole Désignation Unité T Température ° C Tf température du fluide °C T0 Température initiale du sol °C Rs Résistance thermique du sol m 2 .K / W r1 Rayon du tube M rδ Rayon du sol M L Longueur M ρ Densité Kg / m3 Conductivité thermique W / (m. K) α Diffusivité thermique m 2 / s δ épaisseur du sol M Cp Chaleur spécifique J / (kg. K) d diamètre intérieur du tube M h coefficient de transfert de chaleur par convection W / (m2 . K) J0 fonction de Bessel du premier type d'ordre zéro / J1 fonction de Bessel du premier type d'ordre un / ṁ débit massique d'air à travers le tube enterré kg / s Nu numéro Nusselt / Pr numéro Prandtl / q’ flux de chaleur par longueur W / m Re nombre de Reynolds / R résistance thermique K. m / W r Rayon M viscosité dynamique kg / (m. s) Ν viscosité cinématique m 2 / s Indices i indice de temps int interne in Inlet j index de la couche viii ix Listes des figures Figure .I.1. Dispositif expérimentale de Moummi et al. Figure .I.2. Emplacement des capteurs de température dans le tube enterré Figure .I.3. Banc d’essai expérimental de Bansal et al. Figure .I.4. Température de l'air et du sol à une section de 10 m de l'entrée du tube après 12 h de fonctionnement pour trois sols (a) 0,52, (b) 2,00et (c) 4,00 W m-1K-1. Figure .I.5. Schéma d’installation de l’échangeur Figure .I.6. Validation du model analytique de la température du sol durant toute l’année Figure I.7. Variation de la température de l'air le long de l’échangeur pour la 200ieme journée de l'année Figure .II.1. Géothermie à haute énergie Figure .II.2. Géothermie à basse énergie Figure .II.3. Géothermie à très basse énergie Figure .II.9. Géométrie de l’échangeur de chaleur sol-air modélisé Figure .II.10. Schéma d’un puits canadien, tiré de (Agence de l'Environnement et de la Maîtrise de l'Energie (ADEME), 2012) Figure .II.11. Quelques modèles des Prises d’air Figure .II.12. Echangeur géothermique Figure .II.13. Echangeur air sol (système à boucle ouverte) Figure .II.14. Echangeur air sol (système à boucle fermée) Figure .II.15. Echangeur air/sol horizontal (style européen) A. Connexion en série, B x Figure .II.16. Échangeur air sol vertical Figure .III.1. Le schéma montre la subdivision du tube d’échangeur air-sol et du sol en plusieurs couches selon le modèle GRBM, où i, j et k sont respectivement les indices de temps, de couche et de rayon Figure .III.2. Le schéma montre l'épaisseur du sol perturbé, δ, et le rayon du sol , rδ Figure .III.3 Vues axiales et radiales du tube et du sol environnant à la jthcouche où le sol est considéré comme un cylindre creux semi-infini, où i, j et k sont respectivement les indices du temps, de la couche et du rayon Figure .IV.1. Validation du modèle GRBM avec des résultats expérimentaux de Mehdid et al (0heure) Figure .IV.2 Validation du modèle GRM avec des résultats expérimentaux de Mehdid et al Figure IV.3 validation pour (3h) Figure IV.4 validation pour (4h) Figure IV.5 validation pour (4h) Figure IV.6 validation pour (5h) Figure IV.7 validation pour (6h) Figure IV.8 Effet de la durée de fonctionnement sur le rayon du sol rδ Figure IV.9 Effet de la température ambiante sur la longueur de l’échangeur air-sol (40°C, 50 °C et 57 °C). Figure IV.10 Effet du diamètre des tubes sur la longueur de l’échangeur air-sol (0,1 0,2 m, 0,3 m, 0, 6 m) Figure IV.11 Effet de débit l’air sur la longueur de l’échangeur air-sol (T=f(L) pour différents débits) xi Liste des tableaux Tableau II.1: Caractéristiques de quelques sources thermiques du Nord de l’Algérie Tableau .IV.1: Caractéristiques spécifiques de l'échangeur air-sol de Mehdid et al. Introduction générale Introduction générale 2 Les études démographiques indiquent que la population des pays en développement va croître très vite et leurs besoins d’énergie seront très importants. Le recours à des énergies propres pour les besoins énergétiques et le développement économique et social devient incontournable. Ces énergies dites renouvelables désignent des sources d’énergies inépuisables (énergie solaire, énergie éolienne, énergie hydraulique et énergie géothermique). L’énergie géothermique est l’une des énergies alternatives les plus propres, les plus accessibles et parmi les moins chères [1].C'est de l'énergie stockée sous la surface de terre.Elle consiste à extraire les calories stockées dans le sol pour la production uploads/Geographie/ kais-absi.pdf