Rapport de stage

Ralisation dun four pain hybride (socit ISOMET, Burkina

Faso)

DESCHAMPS Fanny

GUEGUEN Mava

Aot 2009

SOMMAIRE

Introduction page 2

I) Le contexte du stage page 4 Le Burkina Faso et son climat page 4

William ILBOUDO et son entreprise, ISOMET page 5

II) Les fours solaires page 5 Fonctionnement page 5

Un exemple : laction de Solar Cookers International page 7

III) Etude thorique page 9 Lquation de la chaleur en conduction page 10

Convection de lair dans lchangeur page 11

Dimensionnement page 12

IV) Partie pratique page 13 Observations diverses page 18

Remerciements

Introduction

Le stage effectu au Burkina Faso a pour but damliorer le quotidien des burkinab en important le moins de matires possibles. Lutilisation des matires premires est donc ncessaire pour rendre les constructions rentables. Le soleil pouvant tre plac dans le top trois de ces ressources, son utilisation est primordiale.

Le pain fait partie des aliments que mangent les burkinab. Il est donc important de pouvoir en fabriquer foison pour pouvoir nourrir les nombreux habitants du Burkina Faso. Cest ainsi que William ILBOUDO, ingnieur en nergies renouvelables, a pens crer un four solaire.

Son but est de faire fonctionner un four en utilisant lnergie solaire. Une parabole de 16m2

permet de gnrer une puissance solaire qui se transmet en un point focal situ sur un ct du four. Ainsi, lair qui passe ce niveau peut tre chauff. Malheureusement ce systme ne fonctionne que lorsque le soleil est prsent. Lide fut donc de modifier le four en le rendant hybride. Ainsi lorsque le soleil ne brille plus, lair peut tre rchauff par un systme gaz.

Photo du four dISOMET

Parabole solaire de 16 m2

1 - Le contexte du stage

Le Burkina Faso et son climat Le Burkina Faso, connu aussi sous le nom du Pays des hommes intgres, est localis en zone soudanaise de lAfrique. Son prsident, Blaise COMPAORE, est la tte de ce pays depuis 1987 aprs un coup dtat auquel son prdcesseur Thomas SANKARA na pas survcu.

Sur une superficie de 274 000 km2 , ce pays compte environ 13 200 000 habitants.

Il possde un climat tropical de type soudano-sahlien. La majeure partie est caractrise par la zone soudanaise, sauf au nord o on retrouve le Sahel. Le climat du Burkina Faso est compos de deux saisons :

- la saison sche qui dure environ huit mois. Un vent chaud et sec (lharmattan) provenant du Sahara assche la rgion du Burkina.

- la saison des pluies (ou hivernage) qui dure de mi-juin mi-septembre. Les prcipitations peuvent tre assez violentes entre juillet et aot.

Dans tous les cas, les tempratures restent assez leves et le soleil est souvent au rendez-vous. Les tempratures peuvent grimper jusqu 40 en priodes sches et varier entre les 25 et 30 en saison des pluies.

.

Le soleil est donc souvent prsent, son importance est prendre en compte. Cest pourquoi certains ingnieurs, tels que William ILBOUDO, cherchent optimiser la ressource quil reprsente pour ce pays.

William ILBOUDO et son entreprise, ISOMET Du fait de labsence de rponse de notre matre de stage quant nos questions concernant son entreprise, nous navons pas pu complter cette partie du rapport.

2 - Les fours solaires

Fonctionnement Le premier four solaire dont nous avons connaissance fut invent par Horace de Saussure, un naturaliste suisse qui l'exprimenta dj en 1767.

Les fours solaires dont nous allons ici dvelopper lexemple sont les fours concentration : le principe est de faire converger les rayons solaires incidents sur une surface bien moindre. L'nergie se trouve donc concentre et peut tre utilisable diffrentes fins : cuisson d'aliments, fabrication de matriaux de construction (verre, brique), dsalinisation, chauffage,

production d'nergie, voire mme la forge des mtaux !

Le four solaire dOdeillo a une puissance thermique d'un mgawatt.

Cuiseur solaire

Les convecteurs solaires (miroirs), encore appels hliostats, peuvent tre de diffrentes formes:

plans, pour les plus usuels; paraboliques, dans lesquels les rayons rflchis par la parabole convergent vers un

point: le foyer de la parabole. La temprature peut y atteindre les 3000C, comme pour le four solaire dOdeillo dans les Pyrnes.

Les projets les mieux russis sont ceux o le besoin tait le plus grand, le temps le plus favorable, et o les promoteurs de cuisson solaire ont adopt une attitude de transition long terme. Un exemple de ceci est le travail fourni par "Solar Cookers International" au camp de rfugis Kakuma au Kenya.

Les principales questions que l'on peut se poser en ce qui concerne les fours solaires sont:

Pendant quelle priode de l'anne peut-on cuire?

Dans les rgions tropicales, il est gnralement possible de cuire toute l'anne. Dans les rgions aussi nordiques que le Canada, il est possible de cuire ds que le ciel est clair, sauf pendant les trois mois les plus froids de l'anne.

Un four solaire peut-tre utilis pendant presque six mois dans les pays nordiques et tout au long de lanne dans les zones tropicales.

Il est donc plus ais d'utiliser des fours solaires dans des pays tel que le Burkina Faso.

Quelle est la temprature suffisante atteindre dans la chambre de cuisson?

Une temprature de 121C est plus que suffisante pour toutes sortes de cuisson. Il faut se souvenir que l'eau n'atteint pas plus de 100C (212F). Donc, une cuisson avec de la nourriture contenant de l'eau ne peut non plus atteindre une temprature plus leve que celle-ci. Les livres de cuisine traditionnelle mentionnent des tempratures plus leves afin d'courter le temps de cuisson et de brunir. La cuisson demande plus de temps dans la plupart des fours solaires, mais comme le soleil atteint directement le couvercle de la casserole, la nourriture brunit tout aussi bien que dans un four traditionnel.

Quels sont les inconvnients de ce systme?

La cuisson de la nourriture prend habituellement deux fois plus de temps que dans un four conventionnel.

Le four ne peut pas fonctionner par temps nuageux.

Un exemple : laction de Solar Cookers International

Solar Cooking international (la cuisson solaire internationale) a t cr en 1987 par un groupe de 17 cuisiniers originaires de Central Valley en Californie. Grce leur savoirs faire, ils ont dcid de crer un manuel regroupant toutes leurs connaissances sur la cuisson solaire. La premire bauche de four solaire fut crer durant lanne 1970 par Barbara Kerr et Sherry Cole.

Grce lexpansion de la publicit sur les travaux du SCI, le thme de la cuisson solaire sest rpandue. Tout dabord dans un but lucratif mais aussi sur le point de vue commercial puisquun grand nombre dentreprises a cherch exporter cette rvolution .

Le travail initial du SCI fut la communication. Il tait important de faire valoir ce mode de cuisson. Plusieurs forums ont t organiss durant les annes 1990 avec des organismes amricains et europens, mais aussi avec des reprsentants de pays sous dvelopps ou en voie de dveloppement tels que lAfrique, lAsie ou l Amrique Latine.

Depuis 1999 lUNESCO parraine des confrences du SCI ce qui leur permet dtre encore plus sollicits.

Depuis 1995, SCI supervise des projets sur la cuisson solaire Nyakach au Kenya, avec le camp de rfugis de Kakuma au Kenya, celui dAisha en Ethiopie, diffrentes communauts au Zimbabwe et le camp de rfugis de Dadaab au Kenya.

Le dernier projet du SCI, Sunny Solutions, a pour but dapporter comptences et fournitures en cuisson solaire aux 6000 rsidents de Nyakach au Kenya au moyen de micro-entreprises. Trente mille familles ce jour en Afrique orientale et australe ont appris utiliser la cuisson solaire grce aux projets de terrain de SCI.

La cuisson solaire est un moyen plus simple, plus sr, plus pratique pour cuire les aliments sans consommer les combustibles de chauffage ou ceux de la cuisson. Cest pour ces raisons que beaucoup de personnes choisissent la cuisson lnergie solaire. Mais pour des centaines de millions de personnes dans le monde qui cuisinent sur des feux aliments par le bois ou le fumier, et qui marchent des kilomtres pour ramasser du bois ou de passer une grande partie de leurs maigres revenus sur le carburant, la cuisson solaire est plus qu'un choix - c'est une bndiction. Pour des millions de personnes qui n'ont pas accs l'eau potable et tombent malades ou meurent chaque anne de maladies introduites par leau, la pasteurisation solaire de l'eau est une vie d'conomie d'habilet.

Solar Cookers International a dress une liste de vingt pays ayant le plus fort potentiel pour la cuisson solaire. Les critres de ce classement sont la lumire du soleil en moyenne annuelle, la pnurie de carburant pour la cuisine et la population. Sur les 500 millions de personnes qui ont l'abondance de soleil et souffrent d'une pnurie de carburant, 85% d'entre eux vivent dans seulement 10 pays.

Les pays ayant un plus fort potentiel pour le dveloppement de cette technologie :

1. Inde 2. Chine 3. Pakistan 4. thiopie 5. Nigria 6. Ouganda 7. Soudan 8. Afghanistan 9. Tanzanie 10. Afrique du Sud 11. Niger 12. Somalie 13. Brsil 14. Kenya 15. Npal 16. Mozambique 17. Burkina Faso 18. Madagascar 19. Malawi 20. Zimbabwe

3 - Etude thorique Droulement du stage (du lundi 10 aot au vendredi 04 septembre 2009)

Premire semaine : prise de contact et dfinition des objectifs

Le lundi, nous avons rencontr M. William ILBOUDO, notre matre de stage, chez lui, o il nous a expliqu ce quil attendait de nous : notre but tait de russir transformer un four nergie solaire en four hybride solaire-gaz. En effet, le four existant est un four pain dune capacit denviron 25 baguettes, qui fonctionne grce lnergie solaire collecte par une parabole de 16 m2 et renvoye sur une petite surface sur le four.

Par un systme de conduits et de ventilateurs, lair est en mouvement permanent dans le four. Cet air est rchauff au contact du collecteur de lnergie solaire, et circule ensuite jusqu la chambre de cuisson o il permet la cuisson du pain, une temprature de 225C environ. Lobjectif pour nous tait donc de trouver un moyen dapporter lnergie qui permet la cuisson du pain en cas de trop faible nergie solaire (nuages ou ciel couvert).

Pour cela, il nous a rapidement propos dutiliser un brleur gaz, quil faudrait russir intgrer au systme existant avec un cot minimum. Le mardi, nous sommes alls visiter latelier de son entreprise ISOMET SARL lEst de Ouagadougou, et voir le four afin de prendre ses dimensions et de mieux comprendre son fonctionnement. Il a alors t dcid que nous allions fabriquer un changeur pav dans lequel se trouveraient deux brleurs et plusieurs ailettes daluminium si possible. Ainsi cet changeur, intgr au circuit de rchauffement de lair existant, permettra de rchauffer lair lorsque lnergie solaire sera insuffisante. Il restait donc dimensionner cet changeur, et cest le travail thorique que nous avons t charges de raliser.

Mercredi et jeudi, nous sommes donc alles luniversit de Ouagadougou, afin davoir accs Internet pour effectuer notre tude thorique. Nous avons retrouv les quations de la chaleur, de la conduction et de la convection, laide des lois de Fourier et de conservation. Vendredi nous sommes retournes chez notre matre de stage, afin de lui montrer nos rsultats et de lui poser des questions.

Lquation de la chaleur en conduction

Hypothses :

Le volume est constant, alors W=PdV=0 Loi de Fourier : j= - *grad T =-j.n.dS=-div(j)dV par le thorme de Green-Ostrogradski

Daprs le premier principe de la thermodynamique, on a : dU=W+Q

Dans le cas dun solide : dU=*C*V*dT

Soit dU= *C*S*dx*dt*(T/t)= Q =

Or =( e- s)*dt

=(je-js)dS*dt

Donc =(je-js)*S*dt = (j(x,t)-j(x+dx,t))*S*dt

= -(j(x,t)/ x)*dx*S*dt

En galisant les deux quations, on obtient : -(j(x,t)/ x) = *C*(T/t)

Par la loi de Fourier, on a : *(2T/x2) = *C*(T/t)

Sur une plaque daluminium, lquation de la conduction scrira alors : T(x) = A*x+B

n

Conditions limites : en x1=17 mm, T1(0.017)= 700 = A*(0.017) + B

En x2=20 mm, T2(0.02) = 690 = A*(0.02) + B

Donc A = (T2-T1)/(0.02-0.017) = -3333 K.m-1

B = T2-A*0.02 = 756 K

Ainsi on peut obtenir la temprature lextrmit dune des plaques daluminium.

Convection de lair dans lchangeur

On utilise la formule suivante : = * S* (Tair Talu) avec le flux de lchange, S la surface dchange (0.2*0.1= 0.02 m2). Or = Nu* /L avec Nu le nombre de Nusselt, la conductivit thermique de laluminium ( =237 W.K-1.m-1) et L la longueur dune plaque (200 mm).

Pour calculer le nombre de Nusselt, on a besoin des nombres de Rayleigh et de Prandtl, donns par les formules :

Ra = Gr*Pr = (g**T*L3*Pr)/2 avec = 28.5*10-6 K-1; = 1.724*10-5 m2.s; g = 9.81 m/s2

On considre Tair = 225C puisque cest lair qui sort de la chambre de cuisson et arrive dans lchangeur, et que lon nglige les pertes de chaleur dans les conduits. On a calcul Talu = 470C, alors T = 245.

Pr = Pe/Re = 0.682 pour une temprature de 650 K.

Alors Ra = 1116048,095

Ainsi on peut calculer Num= [0.825+0.387*(Ra*f1)^(1/6)]2

Avec f1 = 1/[1+(0.492/Pr)^(9/16)]^(16/9)

On obtient Num =16,96

Donc Nu = Num*n*2 avec n le nombre de plaques daluminium dans lchangeur.

Nu =1289,05

Dimensionnement

Ayant regard nos rsultats le week-end, notre matre de stage a rpondu nos dernires questions thoriques sur les caractristiques des matriaux utiliss (paisseur et dimensions disponibles, puissance du brleur,...) dans la journe de lundi.

Mardi et mercredi, nous sommes retournes luniversit afin de crer un tableau sur Excel qui nous permettra de voir lvolution de la temprature de lair arrivant dans la chambre de cuisson en fonction de la variation de quelques paramtres comme la temprature extrieure, la temprature des plaques aux parois des brleurs, la vitesse de lair et le nombre dailettes daluminium utilises dans lchangeur. Ce tableau montre dans chaque situation la quantit dnergie ncessaire pour obtenir une temprature de 225C pour lair entrant dans la chambre de cuisson. (voir annexe)

4 - Partie pratique

A partir du lundi 24 aot, nous sommes alles latelier dISOMET pour la mise en place du systme de chauffage de lair par le gaz. Comme le prototype solaire existe dj, il faut le modifier afin de rajouter lchangeur gaz.

Le protocole suivi par Jrme, le chef datelier , a t le suivant :

Meuler les angles des conduits sous le four, l o lon souhaite intgrer lchangeur. Cela permettra de dessouder la partie suprieure et donc daugmenter le volume disponible ;

Couper au niveau des pointills avec un disque plus fin Dcoller les conduits laide dun marteau et dun levier, lendroit des anciennes

soudures. On obtient un conduit ouvert.

Redresser la paroi suprieure encore fixe au niveau de langle du four laide dune pince. Mter linox, cest--dire redresser la tle entre deux marteaux, afin de la lisser.

Dcouper une plaque dacier aux dimensions de lchangeur, qui remplacera lancienne partie suprieure du conduit.

Erasurer la tle coupe pour rallonger lchangeur, cest--dire meuler les bords de la plaque afin dobtenir un rectangle plus net.

Plier la plaque de manire larrondir.

Pointer la plaque son futur emplacement : souder en quelques points afin de la fixer et la couper aux formes voulues

On peut remarquer que les conditions de travail et les mesures de scurit ne sont pas les mmes ici quen France.

Ensuite il a fallu slectionner les brleurs et les tubes en fer que nous allions utiliserOr lidal est de dpenser le moins dargent possible pour lentreprise, donc nous avons commenc par chercher dans la matire premire prsente de rcupration. Comme nous navons pas trouv de tube suffisamment long (deux fois 60 cm) et de diamtre acceptable pour correspondre la thorie, nous avons finalement achet deux tubes de 60 cm de diamtre en fer.

Aprs avoir discut avec Jrme et M. Ilboudo, nous avons dcid de couper des plaques de 100*250 en acier. Lide de laluminium a t abandonne car ctait trop cher, et lacier inox naurait pas t un conducteur assez performant.

Lacier des plaques a alors t rcupr dans des bidons isolants : il a fallu dvisser les deux couvercles du bidon, couper la tle la meuleuse, la dcoller du bidon, puis enlever lisolant (sorte de laine de verre) laide dun marteau et dune tige en fer.

Ensuite la plaque intrieure (ni abme ni rouille) a t aplanie par les employs, la force de leur poids et dun marteau. Enfin, ils ont trac les dlimitations des plaques dans lacier, avant la dcoupe de celles-ci laide de la machine ci-dessous.

Une fois les problmes grs, le protocole sest ensuite droul de la faon suivante :

Dessiner les contours des tubes sur chaque plaque (Dessin technique)

Percer les tles en suivant le schma laide dun marteau et dun burin

z Dessiner l'arrondi sur chacune des plaques.

z Couper selon le dessin .

z Enfiler les plaques sur les tubes

z Les souder en laissant 1,4 cm d'espace entre elles

A ce stade, nous arrivons la fin des quatre semaines de stage, ce qui nous a empch d'aller plus loin. De plus, les techniciens ne possdaient plus de baguettes souder, ce qui les a bloqu dans leur travail.

Cependant il ne restait qu souder l'ensemble plaques +tube de l'changeur entre la base du four et la plaque d'acier arrondie.

Observations diverses Nous avons pu remarquer que la scurit n'est pas un point fort de l'entreprise. Par consquent, nos actions pratiques ont t limites. Les techniciens ont t trs accueillants et n'hsitaient pas nous expliquer leurs mthodes de travail.

Du fait de la chaleur, les horaires de travail ne sont pas rpartis de faon homogne au cours de la journe (8h-12h et 15h-17h30).

On a pu remarquer que l'entreprise travaillait sur plusieurs projets en parallle et compltement diffrents. Cela montre qu'ils ont des comptences trs varies par rapport des techniciens franais qui sont plus spcialiss dans un domaine.

Remerciements

Tout d'abord, nous souhaitons remercier Monsieur Jean Hugues THOMASSIN (professeur en Gnie Civil l'Ecole Suprieure d'Ingnieurs de Poitiers), sans qui ce voyage et ce stage n'auraient pu se faire.

Grce l'aide de notre matre de stage, Monsieur William ILBOUDO, nous avons pu mener terme notre tude thorique et participer la vie de l'entreprise. Il nous a permis de jouer le rle d'ingnieur en nous proposant ce projet. Cependant il nous a laiss suffisamment d'autonomie pour que nous puissions apprendre de nous-mmes et grer notre temps.

Nous remercions galement le groupe 2IE (Institut International d'Ingnierie de l'Eau et de l'Environnement), et plus particulirement Monsieur DUVAL, qui nous a permis d'accder librement Internet au sein de l'universit.

Pour l'aspect pratique de notre stage, nous tenons remercier les techniciens de l'entreprise : Jrme, Ahmed et Alain, qui ont t trs serviables et dont les comptences sont souligner.

Merci Claude, technicien en Gnie Civil de l'ESIP (Ecole Suprieure d'Ingnieurs de Poitiers) pour son volontariat, sa gentillesse et sa disponibilit.

Pour finir, nous souhaitons remercier Monsieur Arsne COMPAORE, qui a t prsent pour nous tout au long du sjour, aussi bien sur le plan du travail que sur le plan social. Il a t un soutien protecteur pour chacun d'entre nous.