Programme détaillé Projet : «D éveloppement d'un prototype de frigo solaire destiné à la conservation des vaccins.»








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titreProgramme détaillé Projet : «D éveloppement d'un prototype de frigo solaire destiné à la conservation des vaccins.»
date de publication31.03.2017
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DELPORTE Loïc

DUBUISSON Julie

FOUREZ Antonin

URBAIN Fanny

WERTH Annette


Université libre de Bruxelles Faculté des sciences appliquées –MA1

2008/09

Année académique 2005-2006






Tuteur : LONYS Laurent

Programme détaillé

Projet : « Développement d'un prototype de frigo solaire destiné à la conservation des vaccins. »

Année académique 2008/09

Table des matières

Année académique 2005-2006 1

1.Description du projet 1

1.1.Objectif à atteindre 1

1.2.Contraintes à respecter 1

2.Principe de fonctionnement 1

2.1.Couple Gel de silice/eau  1

2.2.Couple ammoniac/eau 2

2.3.Choix du couple adsorbat/adsorbant  2

3.Différentes parties du frigo 3

3.1.Vue générale 3

3.2.Capteur 3

3.3.Condenseur 4

3.4.Bahut 4

3.5.Clapet/vanne 4

4.Bibliographie 4



  1. Description du projet



Dans le cadre de ce projet, un dispositif de production de glace par énergie solaire sera conçu à l’ULB et ensuite reconstruit à l’UO (Université de Ouagadougou).
    1. Objectif à atteindre


L’objectif de ce travail est de concevoir à l’ULB et de construire à l’UO un frigo fonctionnant à l'énergie solaire et permettant de transformer 5 kg d'eau de 35° en glace afin de transporter des vaccins dans des régions reculées. La glace produite doit pouvoir se conserver au moins 3 jours en absence de soleil. Ce prototype suivra les normes de performances définies dans le cadre du Programme Elargi de Vaccination (PEV) publié par l’Organisation Mondiale de la Santé: températures extrêmes de 43°C durant la journée et 35°C pour la nuit avec, en moyenne, une irradiation quotidienne de 5 kWh/m²/j.
    1. Contraintes à respecter


  • Production de 5kg de glace et une autonomie de 3 jours

  • Volume maximum : 2m³

  • Le frigo doit être transportable (i.e. avec roulettes, poids à minimiser)

  • L’isolation de la chambre froide doit se faire à l’aide de panneaux sous vide

  • Quantité de vaccins (méningite, choléra, poliomyélite...) à transporter : 2-3kg

  • Couples à utiliser : silica gel – eau ou ammoniac-eau (en maximisant le rapport efficacité/coût)
  1. Principe de fonctionnement

    1. Couple Gel de silice/eau 



L’utilisation de ce couple, en tant que fluide frigorigène, permettra l’élaboration d’une machine frigorifique à adsorption. Ce processus d’adsorption va apparaître lors de l’établissement d’un équilibre entre un fluide (eau = adsorbat) et d’un solide (gel de silice = adsorbant). Le solide microporeux (élément hygroscopique) va accumuler de la vapeur d’eau sous forme liquide dans sa structure. C’est donc l’apport de chaleur qui permettra de régénérer l’adsorbant pour une nouvelle utilisation.

D’une manière très générale, le fonctionnement d’une machine frigorifique à adsorption est de la manière suivante : l’eau (réfrigérant et adsorbat) s’évapore du gel de silice sous l’effet de l’apport de chaleur via le capteur solaire. Cette eau va ensuite se condenser pour de nouveau s’évaporer en prélevant de la chaleur au circuit d’eau froide. Cette eau évaporée sera donc ré-adsorbée par le gel de silice. C’est donc pendant la journée que l’échauffement du capteur solaire permet la désorption de l’eau. Durant la nuit, la diminution de température engendre la ré-adsorption de l’eau qui avait été condensée durant la journée. C’est alors durant cette phase que la glace est produite.

En résumé, les caractéristiques principales des adsorbats sont :

    • température d’évaporation < 0°C

    • petites tailles des particules

    • chaleur latente élevée

    • thermiquement stables, tout au long du cycle

    • non toxiques, non inflammables.

Le choix de l’adsorbant se fera en fonction de :

    • l’efficacité du pouvoir adsorbant, c’est-à-dire que, pour augmenter le COP1, il est nécessaire d’avoir une adsorption élevée d’adsorbat aux basses températures.

    • désorption maximale de l’adsorbat lors de l’apport de chaleur.

    • réutilisable à long terme  pas de détérioration avec l’utilisation

    • non toxique

    • facilement disponible et prix réduit.


    1. Couple ammoniac/eau


Ce couple est utilisé au sein des machines frigorifiques à absorption dont le fonctionnement général est basé sur un équilibre entre une phase liquide et une phase vapeur.

Cette machine est constituée de 4 réservoirs - dans lesquels s’établit cet équilibre entre la phase liquide et la phase vapeur – qui, grâce à des sources de chaleur, sont chacuns maintenus à des températures fixes. Par opposition aux machines frigorifiques habituelles où la compression est mécanique, cette machine est composée d’un compresseur chimique (bouilleur + absorbeur). La source chaude qui est connectée au bouilleur serait donc le capteur solaire et la chaleur nécessaire à l’évaporation du NH3 serait prélevée à partir du bahut ( production de froid).
    1. Choix du couple adsorbat/adsorbant 


Nous optons pour une machine frigorifique à adsorption utilisant le couple gel de silice/eau pour les raisons suivantes :

    • une construction à priori plus simple et plus compacte

    • ce couple est recyclable

    • le gel de silice est non toxique ( ammoniac)

    • le rendement de la machine peut être élevé même avec une plus faible température à l’entrée

Concernant le prix, il est clairement avéré que le gel de silice est plus cher que l’ammoniac. Nous avons fait un petit calcul qui nous permet de trouver l’ordre de grandeur de la quantité de silicagel dont nous aurons besoin (cf. calculs en annexe). Nous estimons la masse de silicagel nécessaire à 2,8kg, ce qui correspond à un coût d’environ 150€. Ce chiffre nous paraît raisonnable comparé au coût global du projet. La différence de prix avec le couple ammoniac/eau est fortement réduite si on tient compte du coût d'une pompe et d'un mécanisme plus complexe pour l'ammoniac.
  1. Différentes parties du frigo

    1. Vue générale




Figure 1 : Frigo à adsorption (Source [7])


    1. Capteur


Le capteur solaire est constitué de différentes parties :

  1. le boîtier servant à conserver la chaleur au sein du capteur

  2. la vitre permettant de créer un effet de serre à l’intérieur du boîtier

  3. l’absorbeur de chaleur, plaque métallique sur laquelle sont soudés des tuyaux (serpentin, radiateur ou géométrie du capteur plan, voir figure 5) permettant de chauffer le fluide caloriporteur

  4. l’isolant évitant la perte de chaleur vers l’extérieur

  5. un volet d’aération pour permettre un meilleur refroidissement pendant la nuit

(à ouvrir à la main après 16h et refermer à 7h le matin).

Il existe deux possibilités de construction:

  1. Tubes en métal inox. i.e. acier remplis avec adsorbant (=silicagel)

  2. Capteur plan


    1. Condenseur


Echangeur à ailettes refroidies par convection naturelle : « la vapeur est refroidie et condensée par circulation d’un autre fluide relativement froid par rapport au premier de l’autre côté de la paroi séparatrice »2

    1. Bahut


Le bahut est constitué des parties suivantes :

  1. L’évaporateur :

« Appareil thermique où s’effectue la vaporisation d’un fluide en état liquide. La vaporisation du liquide est réalisée en faisant circuler de l’autre côté de la paroi d’échange un fluide plus chaud. […] Les évaporateurs fonctionnent souvent sous vide et la température de saturation est inférieure à la température normale d’ébullition. La pression est choisie en fonction de la température d’ébullition requise.»3

  1. L’isolation

    • Permet de limiter au maximum la conduction dans le gaz.

Des Panneaux isolants sous vide (PIV) permettraient d'obtenir une qualité d'isolation thermique très élevée (lambda 5 fois plus petit que la laine de verre) avec de faibles épaisseurs, et donc un gain du volume utile disponible. Néanmoins, pour des raisons de disponibilité nous optons plutôt pour des matériaux isolants plus « convenables » comme la laine de verre et la mousse polyuréthane même si ils sont plus volumineux. De plus, au niveau des prix, ils sont moins coûteux.

  1. Chambre froide

Contient une réserve de glace accessible par une porte.


    1. Clapet/vanne


  • permet de séparer le compartiment de haute pression et celui de basse pression (permet aussi de laisser l'eau s'écouler dans le réservoir).

  • Dans le cas de la vanne: on l’ouvre à 16h (en même temps que le volet) pour laisser passer l'adsorbat et on la referme directement. A 19h, on l’ouvre à nouveau pour la refermer à 7h en même temps que le volet.

  • Autre possibilité: une vanne automatique ou un clapet.


  1. Bibliographie




  1. BELKACEMI Zoubir. 2007. Modélisation et étude de la faisabilité d'un réfrigérateur solaire à adsorption. Mémoire présenté au Département de Mécanique, Faculté des Sciences de l’Ingénieur. Université de Batna.

  2. BOLLE L., TCHOUATE HETEU P., Introduction à la trigénération : Economie d’énergie en trigénération.

  3. BOUGARD, J., Thermodynamique technique, Chap.12, pages 158-178.

  4. DIND Philippe, HILDBRAND Catherine, CHERBUIN Olivier, MAYOR Julien. 2005. La réfrigération solaire à adsportion. HES-SO : Projet Gerbert Rüf Stiftung. Yverdon-les-Bains, Suisse.

  5. FLECHON J., MACHIZAUD, F., Recherche d’un couple frigorigène adapté à la réfrigération solaire en zone tropicale, Revue Phys., 1979.

  6. K. C. Ng, H. T. Chua, C. Y. Chung, C. H. Loke, T. Kashiwagi, A. Akisawa, B. B. Saha. 2001. Experimental investigation of the silica gel–water adsorption isotherm characteristic.

  7. Applied Thermal Engineering, Volume 21, Issue 16, November 2001, Pages 1631-1642.

  8. MAYOR Julien, HILDBRAND Catherine, DIND Philippe. 2005. Domaine solaire actif: Construction et test d’un réfrigérateur solaire à adsorption transportable. LESBAT (Laboratoire d’Energétique Solaire et de Physique du Bâtiment) Programme Pilote et Démonstration. Yverdon-les-Bains, Suisse.




1 Coefficient de performance

2 Citation de [1]

3 Citation de [1]

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