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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L'ENSEIGNEMENT SUP

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L'ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE UNIVERSITE MENTOURI – CONSTANTINE FACULTE DES SCIENCES EXACTES DEPARTEMENT DE PHYSIQUE N° d'ordre………… Série……………… THESE PRESENTEE POUR OBTENIR LE DIPLOME DE DOCTORAT EN SCIENCES EN PHYSIQUE SPECIALITE : ENERGETIQUE OPTION PHOTO-THERMIQUE THEME PAR CHEKIROU WASSILA Soutenu le : 30/06/ 2008 Devant le Jury Constantine Univ. Mentouri M. C. T. BOUFENDI Président Constantine Univ. Mentouri Prof. T. KERBACHE Rapporteur Constantine Univ. Mentouri Prof. A. BELHAMRI Examinateurs Oum El Bouaghi C. Univ. Larbi Ben M’hidi M. C. Y. REZGUI El Oued C. Univ. d’El Oued M. C B. BEN HAOUA Biskra Univ. Mohamed Khider M. C. N. MOUMMI ETUDE ET ANALYSE D’UNE MACHINE FRIGORIFIQUE SOLAIRE À ADSORPTION Remerciements Ce travail a été réalisé au Laboratoire de Physico-Chimie des Semi-Conducteurs de l’Université Mentouri de Constantine. Je tiens à remercier son Directeur Monsieur A. CHARI. J'adresse mes vifs remerciements à Monsieur T. KERBACHE, Professeur à l’Université Mentouri, Constantine de m’avoir accueilli dans son équipe et d’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 de présenter ce modeste travail. Je tiens très sincèrement à remercier Monsieur T. BOUFENDI, Maître de Conférences à l’Université Mentouri, Constantine, pour m'avoir fait l'honneur d’accepter la présidence du jury. J'exprime toute ma gratitude à Monsieur A. BELHAMRI, Professeur à l’Université Mentouri, Constantine, d'avoir accepté de participer au jury. Mes sincères remerciements s'adressent à Monsieur Y. REZGUI, Maître de Conférences au Centre Universitaire Larbi Ben M’hidi, Oum El Bouaghi, qui a bien voulu accepter de juger ce travail. Je remercie également Messieurs B. BEN HAOUA, Maître de Conférences au Centre Universitaire d’El Oued et N. MOUMMI, Maître de Conférences à l’Université de Mohamed Khider, Biskra, qui m'ont fait l'honneur de participer au jury. J'exprime toute ma reconnaissance à Monsieur A. P. F. LEITE, Professeur à l'université de João Pessoa au Brésil, pour toute l'aide qu'il m'a apportée. Je tiens aussi à remercier Messieurs A. AL MERS et A. MIMET, Professeurs de l'Université de Tétouan (Maroc), pour leurs fluctueuses discussions. Je tiens à remercier particulièrement Monsieur N. BOUKHEIT, Chef de Département de Physique, Université Mentouri, Constantine, pour son soutien permanent, ses conseils et pour l'aide qu'il m'a apportée durant la rédaction de cette thèse. Je remercie également tous ceux et celles qui ont participé de près ou de loin à l’aboutissement de cette thèse. Enfin, je dédie cette thèse à un être qui m’est très cher et dont le soutien m’a toujours aidé à réussir dans la vie … À ma mère. J'espère qu'elle est fière de moi et de mon travail, car je suis fière d'avoir une telle mère. Sommaire Nomenclature Page Introduction générale ………….……………………………………….......…………. 1 Chapitre I: Estimation du rayonnement solaire I. 1. Introduction ………………………………………………………………………….... 05 I. 2. Données astronomiques ………………………………………………………….……. 05 I. 2. 1. Déclinaison solaire ………………………………………………………………..... 05 I. 2. 2. Angle horaire du soleil et angle horaire de coucher du soleil ……………...……… 06 I. 2. 3. Rayonnement extraterrestre et Coefficient de transmission ……………………..… 06 I. 3. Estimation du rayonnement solaire …………………………………………………… 07 I. 3. 1. Estimation du rayonnement solaire instantané reçu par une surface horizontale …... 07 I. 3. 1. 1. Estimation des moyennes mensuelles des rayonnements journaliers …………… 08 I. 3. 1. 2. Passage des rayonnements journaliers aux valeurs instantanées ……………...… 08 I. 3. 2. Estimation du rayonnement solaire instantané reçu par une surface inclinée ……. 09 I. 3. 2. 1. Rayonnement direct sur une surface inclinée …………………………...……… 10 I. 3. 2. 2. Rayonnement diffus sur une surface inclinée …………………..……………… 10 I. 3. 2. 3. Rayonnement provenant de la réflexion ………………………………………..… 11 I. 4. Description d’algorithme de calcul ………………………………………………….... 11 Chapitre II: Thermodynamique de l’adsorption II. 1. Introduction ……………………………………………………………………..……. 13 II. 2. Description du phénomène d’adsorption …………………………………………….. 13 II. 2. 1. Définitions …………………………………………………………………………. 13 II. 2. 2. Types d’adsorption …………………………………………………………...……. 15 II. 2. 2. 1. Adsorption physique (physiosorption) ………………………………………….. 15 II. 2. 2. 2. Adsorption chimique (chimisorption) ………………………………………...… 15 II. 3. Relations d’équilibre …………………………………………………………………. 15 II. 4. Classifications des isothermes d’adsorption ………………………………….……… 17 II. 5. Chaleur isostérique d’adsorption ……………………………………………………... 19 II. 6. Modèles de l’adsorption ……………………………………………………………… 21 II. 6. 1. Modèles moléculaires ……………………………………………………………… 22 II. 6. 1. 1. Modèle de Langmuir ……………………………………………………………. 22 II. 6. 1. 2. Modèle de Brunauer, Emmet et Teller (B. E. T) …………………………….….. 23 II. 6. 2. Modèles thermodynamiques …………………………………………………...….. 25 II. 6. 2. 1. Théorie du remplissage en volume des micropores (théorie de Polanyi) …….... 25 II. 6. 2. 2. Modèle de Dubinin ………………………………………………...……………. 27 II. 6. 2. 3. Équation de Dubinin-Radushkevich et de Dubinin-Astakhov ………………….. 27 II. 6. 2. 4. Chaleur isostérique d’adsorption selon le modèle de Dubinin – Astakhov …..… 32 II. 7. Choix du couple adsorbant/adsorbat ……………………………………………….… 35 II. 7. 1. Choix de l’adsorbant …………………………………………………………..….. 35 II. 7. 2. Choix de l’adsorbat ……………………………………………………………..… 36 II. 7. 2. 1. Critère technique ………………………………………………………………... 36 II. 7. 2. 2. Critère écologique …………………………………………………………….… 37 II. 7. 2. 3. Critère économique ……………………………………………………………... 37 Chapitre III: Moyens de production du froid – Situation particulière des machines frigorifique à adsorption III. 1. Introduction ………………………………………………………………………….. 40 III. 2. Différentes méthodes de production du froid ………………………………………. 40 III. 2. 1. Procédés thermodynamiques et thermoélectriques ………………………….……. 40 III. 2. 1. 1. Mélanges réfrigérants ………………………………………………………...… 40 III. 2. 1. 2. Détente d’un gaz parfait ……………………………………………………...… 40 III. 2. 1. 3. Évaporation d’un liquide pur ……………………………………………..……. 41 III. 2. 1. 4. Réfrigération thermoélectrique ………………………………………………… 41 III. 2. 2. Machines frigorifiques ………………………………………….………………… 41 III. 2. 2. 1. Machines à compression ………………………………………………………. 42 1. Machines à changement de phase ……………………………………………..………… 42 2. Machines frigorifiques à gaz …………………………………………………………..... 44 2. 1. Machines à cycle de Joule …………………………………………………….……… 44 2. 2. Machine de Stirling …………………………………………………………………… 45 III. 2. 2. 2. Machines à sorption …………………………………………………...……….. 46 1. Différents types de sorption ……………………………………………………….…….. 46 2. Machines à absorption ………………………………………………………………….. 47 2. 1. Principe de fonctionnement …………………………………………………………... 47 3. Machine à adsorption ……………………………………………………………….…… 48 3.1. Description d’une machine frigorifique à adsorption ………………………………..... 48 3.2. Principe de fonctionnement ……………………………………………………...……. 49 3. 3. Cas d’une machine frigorifique solaire à adsorption ……………………….………… 50 3. 4. Comparaison entre les systèmes à sorption ……………………………………….….. 51 3. 5. Avantage et inconvénients des machines à adsorption ……………………………..… 51 3. 5. 1. Inconvénients ………………………………………………………………………. 51 3. 5. 2. Avantages …………………………………………………………………...……… 52 Chapitre IV: Etude et analyse du cycle idéal d’une machine frigorifique à adsorption IV. 1. Introduction …………………………………………………………………….…… 53 IV. 2. Cycle de base d’une machine frigorifique à adsorption …………………………….. 53 IV. 3. Détermination des températures seuil du cycle ……………………………………... 57 IV. 4. Coefficients de performance thermique ) ( th COP …………………..……………….. 64 IV. 4. 1. Expression de f Q ………………………………………………………………… 64 IV. 4. 2. Expression de c Q ……………………………………………………………..….. 65 IV. 4. 2. 1. Chaleur sensible de l’adsorbant ) ( 1 Q ………………………………………... 65 IV. 4. 2. 2. Chaleur sensible des parties métalliques ) ( 2 Q ………………………………. 66 IV. 4. 2. 3. Chaleur sensible de l’adsorbat ) ( 3 Q ………………………………………..... 66 IV. 4. 2. 4. Chaleur de désorption ) ( des Q …………………………………………...……. 66 IV. 5. Algorithme de calcul ………………………………………………………...……… 68 IV. 6. Résultats et discussions ……………………………………………………………. 70 IV. 6. 1. L’influence des températures de fonctionnement ……………………….………… 70 IV. 6. 1. 1. L’influence de la température de régénération …………………………… ..…. 70 IV. 6. 1. 2. L’influence de la température de condensation ………………………….…….. 74 IV. 6. 1. 3. L’influence de la température d’évaporation ………………………………..…. 79 IV. 6. 1. 4. L’influence de la température d’adsorption ……………………………...…….. 83 IV. 6. 2. L’influence des propriétés de l’adsorbeur ……………………………………….. 85 IV. 6. 2. 1. L’influence de la masse des parties métalliques de l’adsorbeur ………………. 85 IV. 6. 2. 2. L’influence du matériau de construction de l’adsorbeur …………………….... 88 IV. 6. 3. L’influence du couple adsorbant/adsorbat ………………………………...……… 91 IV. 6. 3. 1. L’influence de l’adsorbat ………………………………………………………. 91 IV. 6. 3. 2. L’influence de l’adsorbant …………………………………………...………… 102 IV. 6. 3. 2. 1. Cas du charbon actif homogène ……………………………………...……… 102 IV. 6. 3. 2. 2. Cas du charbon actif hétérogène ………………………………….…………. 107 Chapitre V: Modélisation mathématique du réacteur solaire V. 1. Introduction …………………………………………………………………............... 112 V. 2. Conductivité thermique effective ……………………………………………..……… 112 V. 3. Cinétique de transfert de masse ……………………………………………………… 113 V. 3. 1. Modèle d’équilibre ……………………………………………………………..….. 114 V. 3. 2. Modèle de cinétique interne du premier ordre (LDF) ………………………..……. 114 V. 3. 3. Modèles de diffusion …………………………………………………………….… 115 V. 4. Transfert de chaleur et de masse dans les réacteurs solaires entre recherches, problèmes et solutions …………………………………………………………………...………… 117 V. 5. Modélisation mathématique du transfert de chaleur et de masse dans le réacteur solaire 119 V. 5. 1. Hypothèses du modèle …………………………………………………………….. 121 V. 5. 2. Systèmes d’équations ………………………………………………………...……. 121 V. 5. 2. 1. Équation de conservation d’énergie …………………………………………..…. 122 V. 5. 2. 2. Équations de conservation de masse ……………………………………………. 122 V. 5. 2. 3. Conditions initiales …………………………………………………………...… 123 V. 5. 2. 4. Conditions aux limites ………………………………………………………….. 124 V. 5. 2. 5. Détermination des pertes thermiques globales …………………………………. 125 V. 5. 2. 6. Conditions supplémentaires ………………………………………………….…. 126 V. 6. Coefficient de performance solaire uploads/Industriel/ universite-mentouri-constantine-dune-machine-frigorifique-adsorption.pdf