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UNIVERSITÉ MOHAMMED V – AGDAL FACULTÉ DES SCIENCES Rabat N° d’ordre 2340 THESE

UNIVERSITÉ MOHAMMED V – AGDAL FACULTÉ DES SCIENCES Rabat N° d’ordre 2340 THESE DE DOCTORAT D’ETAT Présentée par Abdelmoussehel ERROUGANI Discipline : PHYSIQUE Spécialité : ENERGETIQUE FABRICATION ET EXPERIMENTATION D’UN REFRIGERATEUR SOLAIRE A ADSORPTION UTILISANT LE COUPLE CHARBON ACTIF- METHANOL DANS LE SITE DE RABAT Soutenue le 23 Juin 2007 devant le jury composé de: Président : Mr A. LFERDE Professeur à la Faculté des Sciences de Rabat Examinateurs : Mr M. BOUKALOUCH Professeur à la Faculté des Sciences de Rabat Mr M. BOUSMINA Directeur de recherche à l'université Laval, Canada Mr S. KARBAL Professeur à l’Ecole Normale Supérieure de Rabat Mme F. LEMMINI Professeur à la Faculté des Sciences de Rabat Mr A. MIMET Professeur à la Faculté des Sciences de Tétouan Mr M. TAHIRI Professeur à l’Ecole Mohammadia d’Ingénieurs, Rabat A la mémoire de mon père A ma mère A ma femme, mes filles : Ilham et Ines pour leur patience, leur encouragement et leur soutient affectif sans lequel ce travail n’aurait pu être mené à bien A tous ceux qui me sont chers Remerciements Ce travail a été réalisé au laboratoire d’Energie Solaire de la Faculté des Sciences de Rabat sous la direction de Madame Le Professeur F. LEMMINI. C’est avec le plus grand plaisir que je veux exprimer ma profonde gratitude à Madame F. LEMMINI, Professeur à la Faculté des Sciences de Rabat, pour le dévouement et le dynamisme avec lequel elle a suivi et guidé ce travail. Dans des conditions de travail parfois délicates, son efficacité, sa disponibilité constante, ses encouragements dans des moments difficiles qui ne manquaient pas, ses conseils et les discussions scientifiques fructueuses ont constitué un apport considérable dans la réalisation et l’aboutissement de ce travail. Je tiens à lui exprimer ici toute ma reconnaissance. Monsieur le Professeur M. LFERDE, Chef du département de Physique de la Faculté des Sciences de Rabat, a accepté de présider le Jury. Qu’il soit assuré de ma profonde reconnaissance. Je tiens à exprimer mes vifs remerciements à Messieurs les Professeurs M. BOUKALOUCH, Directeur du Laboratoire de Thermodynamique- Energétique de la Faculté des Sciences de Rabat, M. BOUSMINA, Directeur de recherche à l'université Laval, Canada et S. KARBAL, de l’Ecole Normale Supérieure de Rabat, de l’intérêt qu’ils ont porté à mon travail et de l’honneur qu’ils m’ont fait d’accepter de participer au jury. J’adresse mes sincères remerciements à Monsieur, A. MIMET, Professeur à la Faculté des Sciences de Tétouan et à Monsieur M. TAHIRI, Professeur et Directeur adjoint à l’Ecole Mohammadia d’Ingénieurs de Rabat, d’avoir accepté de juger ce travail et faire partie du jury. Ce travail a bénéficié du financement du projet PARS (Programme d’Appui à la Recherche Scientifique) du Ministère de l'Enseignement Supérieur sous la coordination de Monsieur le Professeur S. BELCADI, Directeur du Centre National pour la Recherche Scientifique et Technique (CNRST). Qu’il en soit vivement remercié Je remercie également Monsieur K. El MEDIOURI, Directeur général du CNESTEN, de nous avoir donner la permission de nous approvisionner en azote liquide. Je remercie très chaleureusement Monsieur le Professeur M. PONS, Chargé de Recherche CNRS et Responsable du Groupe Transferts Solide- Fluide au Laboratoire d’adsorption du LIMSI à Orsay, pour les multiples et fructueuses conversations et conseils lors de la réalisation de ce travail. J’exprime mes remerciements à Monsieur le Professeur P. Dind et à Madame C. Hildbrand, de l’Ecole d’Ingénieurs du Canton de Vaud de Suisse (EIVD) de nous avoir aidé à l’octroi de matériel de rechange (vannes, flexibles, joints). Je n’oublie pas de remercier l’Académie des Sciences pour les Pays du Tiers Monde (TWAS), de nous avoir accordé un don de recherche qui nous a permis lors de la fabrication de l’unité expérimentale, d’acheter des éléments de liaison. Mes remerciements vont également à Madame R. CHERKAOUI EL MOURSLI, responsable du Laboratoire Physique Nucléaire, et à Monsieur A. HAKAM, Professeur à la Faculté des Sciences de Rabat, de nous avoir confié l’utilisation de la pompe à vide. Je n’oublierai pas d’associer dans mes remerciements mes collègues, les chercheurs et les techniciens du Laboratoire d’Energie Solaire, et Messieurs A. MOKHLI, BOUBKR et BOUCHAIB de leur coopération constante. SOMMAIRE NOMENCLATURE INTRODUCTION GENERALE………………………………………………………... 1 CHAPITRE I THEORIES DU PHENOMENE D’ADSORPTION I. 1 Principe de l’adsorption………………………………………………………… 4 I.2 Adsorbants utilisés dans le domaine de la réfrigération………………….. 5 I .2. 1 Mise en forme des adsorbants……………………………………….. 5 I .2. 2 Mode de transfert de masse dans un lit d’adsorbant………………. 6 I .2. 3 Caractérisation des adsorbants………………………………………. 7 I .2. 4 Les adsorbants………………………………………………………… 8 I .2. 5 Les réfrigérants………………………………………………………… 12 I. 3 Critères de sélection du couple pour la production de froid par adsorption………………………………………………………… 13 I. 4 Cycle frigorifique intermittent à adsorption…………………………………. 15 I. 4. 1 Principe du cycle………………………………………………………. 15 I. 4. 2 Principe de fonctionnement du cycle idéal…………………………. 17 I. 5 Définition des coefficients de performance d’une machine frigorifique solaire à adsorption…………………………………… 20 I. 6 Isothermes d’adsorption…………………………………………. 21 I. 6. 1 Le modèle de Langmuir……………………………………………… 23 I. 6. 2 Modèle de BET………………………….……………………………. 26 I. 6. 3 Modèles thermodynamique de Dubinin-Polanyi…………………… 30 I. 7 Isostères d’adsorption…………………………………………… 32 CHAPITRE II EXEMPLES DE PROTOTYPES DE REFRIGERATEURS SOLAIRES A ADSORPTION II. 1. Prototype utilisant le couple zéolithe- eau………………………….………. 35 II. 2. Prototype utilisant le couple charbon actif – méthanol………………….. 37 II.3. Prototype utilisant le couple gel de silice –eau…………………….……. 39 II. 4. Prototype utilisant le couple charbon actif- ammoniac…………………. 39 CHAPITRE III DESCRIPTION DE L’INSTALLATION EXPERIMENTALE III.1 Composants de la machine frigorifique solaire à adsorption………….. 43 III.1. 1. Le capteur plan…………..…………..…………..…………..……… 43 III .1.2. Le condenseur à air…………..…………..…………………………. 47 III. 1. 3. L’évaporateur et la chambre froide…………..…………..……….. 48 III.2 Fabrication et soudure des différents éléments de l’installation…………..…………..…………..…………..……… 50 III.2.1. Expérience avec un capteur plan de 1 m2…………..…………..… 50 III.3 Préparation préliminaire et dégazage de l’installation…………………… 51 III. 3. 1 Vérification de l’étanchéité de chaque élément de l’installation…………..…………..…………..………… 51 III. 3. 2 Vérification de l’étanchéité de l’installation sans méthanol…………..…………..…………..…………………… 52 III. 3. 3 Dégazage de la machine frigorifique solaire à adsorption contenant le méthanol…………..…………..……….. 53 CHAPITRE IV EXPERIMENTATION DU REFRIGERATEUR SOLAIRE A ADSORPTION IV.1 Interventions manuelles quotidiennes appliquées au réfrigérateur……………………………………………………. 55 IV. 2 Influence des volets d’isolation…………………………………………….. 58 IV. 3 Influence de la présence d’air dans l’installation………………………. 58 IV. 4 Résultats expérimentaux……………………………………………………. 61 IV. 4. 1 Fonctionnement typique…………………………………………….. 61 IV. 4. 2 Analyse des résultats………………………………………………. 68 IV 4. 3 Cycles expérimentaux et calcul des performances……………... 76 IV 4. 3 .1 Cycles expérimentaux………………………………………… 76 IV 4. 3 .2 Coefficients de Performances………………………………… 82 IV 4. 3 .3 Pertes frigorifiques de la chambre froide………………….. 83 IV 4.3 .4 Calcul de la résistance thermique journalière au transfert de la chaleur entre l’ambiance et la chambre froide……… 89 IV. 4. 4 Masse adsorbée……………………………………………………... 94 CONCLUSION…………………………………………….…………………………. 96 ANNEXE A1 Eléments de liaison et instruments de mesure.………………. 99 ANNEXE A2 Méthode de dégazage.…………………...………………………… 103 ANNEXE A3 Cycles réels …………..……..……...……………………………….. 106 ANNEXE A4 Equation d’état ...………………………………...………………… 121 ANNEXE A5 Equation d’état ...………………………………...………………… 122 REFERENCES…………………………………………….…………………............. 123 NOMENCLATURE Aav : surface de la face avant du capteur (m2) b : constante de Langmuir COPsol : coefficient de performance solaire COPth : coefficient de performance thermique CPcu : chaleur spécifique du cuivre (J kg-1K-1) CPmeth : chaleur spécifique du méthanol (J kg-1K-1) E : irradiation solaire (kJ m-2) Eu : énergie utile pour chauffer le capteur et provoquer la désorption (kJ m-2) I : irradiance reçue par la face avant du capteur (W m-2) L : chaleur latente d’évaporation du réfrigérant [J kg-1] ma : masse du réfrigérant adsorbée par kg d’adsorbant (kg kg-1) Ma : masse de réfrigérant adsorbée [kg] Mcu : masse de cuivre [kg] md : masse de réfrigérant désorbée par kg d’adsorbant (kg kg-1) Md : masse de réfrigérant désorbée [kg] Mmeth : masse de méthanol [kg] P : pression (mbar) P : pourcentage de perte de la chambre froide (%) Pc : pression du condenseur (mbar) Pe : pression de l’évaporateur (mbar) q : fraction adsorbée Qe : quantité de chaleur extraite de l’évaporateur (kJ) Qs : chaleur sensible (kJ) R : résistance au transfert de chaleur par convection et par conduction (KW-1) r : coefficient de corrélation t : durée de production de froid (s) Ta : température ambiante (°C) Tads : température pendant l’adsorption (°C) Taj : température ambiante du jour (°C) Tan : température ambiante de la nuit (°C) Tar : température de la face arrière du capteur (°C) Tav : température de la face avant du capteur (°C) Tc : température du condenseur (°C) TCA : température du charbon actif (°C) TCF : température de la chambre froide (°C) Tdes : température pendant la désorption (°C) Te : température de l’évaporateur (°C) V : vitesse du vent (ms-1) Vj : vitesse moyenne du vent pendant le jour (ms-1) Vn : vitesse moyenne du vent pendant la nuit (ms-1) W : volume adsorbé du réfrigérant par kg d’adsorbant (m3 kg-1) W0 : volume maximal adsorbable du réfrigérant par kg d’adsorbant (m3 kg-1) INTRODUCTION Le Maroc est doté d’un potentiel solaire important. L’ensoleillement annuel est toujours supérieur à 20 000 kJ par m2 de surface de captation. Il est uploads/Science et Technologie/ these-errougani.pdf