Conception et realisation d’un incubateur d’œufs intelligent a forte conservation de chaleur

Projet de fin de cycle présenté et défendu en vue de l'obtention du diplôme d'ingénieur civil Bachelier en électromécanique

Par : KASIHO MUSHAGALUSA Emmanuel

[e-mail]

Avril 2021

REPUBLIQUE DEMOCRATIQUE DU CONGO

UNIVERSITE DE LUBUMBASHI
FACULTE POLYTECHNIQUE

Département d'électromécanique

Projet de fin de cycle présenté et défendu en vue de l'obtention du diplôme d'ingénieur civil Bachelier en électromécanique.

Par : KASIHO MUSHAGALUSA Emmanuel Directeur : Prof. NTAMBWE François Codirecteur : Ass. MASOMPE Bienvenu

Année académique 2019-2020

REPUBLIQUE DEMOCRATIQUE DU CONGO

UNIVERSITE DE LUBUMBASHI
FACULTE POLYTECHNIQUE

Département d'électromécanique

«Tant que la pauvreté persiste, il n'y aura pas de vraie liberté. »

-Nelson Mandela-

~ I ~

EPIGRAPHE

~ II ~

REMERCIEMENTS

Nous adressons nos remerciements les plus sincères aux personnes qui nous ont apporté leur aide et qui ont contribué à l'élaboration de ce mémoire ainsi qu'à la réussite de cette année universitaire.

Ces remerciements vont tout d'abord au corps professoral et administratif de la Faculté Polytechnique en générale et du département d'électromécanique en particulier, pour la richesse, la qualité de l'enseignement et qui ne cessent de déployer de grands efforts pour assurer à nous étudiants une formation actualisée.

Nous tenons à remercier sincèrement le professeur NTAMBWE François et l'assistant MASOMPE Bienvenu qui, en tant que Directeur et Codirecteur de ce mémoire, pour l'inspiration, l'aide et le temps qu'ils ont bien voulu nous consacrer.

Nous remercions également la Start-up New Tech Congo de nous avoir fourni leur atelier et laboratoire électronique pour la réalisation pratique de notre projet, des noms de : Mr. Jean FARADJA en tant que Directeur générale, Mr. Didier KABELU en tant que Directeur Technique et le Technicien de l'atelier Mr. Piero LUHEMBWE.

Nous remercions aussi les personnes qui ont contribué à l'évolution du projet, nous citons : Mr. Pascal qui nous a aidé à faire la soudure de l'ossature des porte-plateaux ; Mr. MOSHI NGELE pour son aide cruciale sur l'écriture du script Matlab pour la résolution des équations différentielles sur la modélisation thermique de l'incubateur d'oeufs ; Mr. Joseph KALANDA qui nous a aidé à réaliser les dessins de l'incubateur avec le logiciel SolidWorks et Mr. Serge KABULO qui nous a assisté lors de la mise en équation du circuit thermique de l'incubateur d'oeufs.

A mon Père Jean-Paul KAROGE, pour tous les sacrifices consentis dans la préparation de mon avenir. Pour tant d'efforts qu'il n'a jamais cessé de faire pour ma formation, de m'avoir donné le goût des études ainsi que le courage dans les souffrances et l'attachement à mon égard, voici le fruit de notre travail.

A mes grands-parents Ignace KAYUNGILA et Berthe LWAMBA, pour la stabilité, la quiétude et le cadre de vie qu'ils nous ont offerts. Pour leur amour, leur aide, leur privations, leur encouragements, leur sacrifices qu'ils ne cessent de consentir pour nous tailler une issue et faire de nous un enfant utile à la société.

~ III ~

Etant reconnaissant, nous profitons de cette occasion pour adresser nos remerciements à Papa Manu KASIHO, Papa Ildephonse KASIHO et Tantine Victorine qui nous ont soutenu financièrement et sans qui ce projet n'aurait pas vu le jour.

Nous remercions également Mr. Idris KASANS qui nous a aidé à polycopier ce travail lors des séances de corrections et Mr. Matthias KAYUNGILA pour sa contribution dans la rédaction.

~ IV ~ RESUME

Dans ce travail, nous nous sommes proposés de concevoir et réaliser un incubateur d'oeufs intelligent à forte conservation de chaleur. En effet, certains éleveurs de volailles locaux utilisent des incubateurs d'oeufs artisanaux qui nécessitent la présence humaine en permanence pour le contrôle de la température, de l'humidité, de la ventilation et le retournement d'oeufs ; les paramètres essentiels à l'incubation d'oeufs. D'autres éleveurs utilisent des modèles électriques provenant principalement de la Chine. Ces incubateurs n'ont pas une forte conservation de chaleur, en cas des coupures électriques, les éleveurs finissent par perdre les oeufs qui sont en incubation à la suite d'une hypothermie qui joue sur le taux d'éclosion. De ce fait, nous avons conçu et réalisé au moyen du logiciel Proteus 8 Professional un circuit électronique qui rend l'incubateur capable de contrôler automatiquement tous les paramètres d'incubations. Pour résoudre le problème lié à la faible inertie thermique sur les incubateurs existants, nous avons trouvé une solution en utilisant, dans la conception des parois de l'incubateur, des matériaux à changement de phase (MCP) réputés pour leur bonne capacité thermique. Ainsi en fonction de la quantité de MCP utilisée, nous avons obtenu une autonomie thermique allant jusqu'à 6329,17 Wh. Nous avons modélisé le circuit thermique et déterminé au moyen d'un script Matlab qu'il faudra 1200W comme puissance de chauffage pour atteindre la température de 38 degrés Celsius au bout de 21 secondes à l'intérieur de l'incubateur.

~ V ~

ABSTRACT

In this work, we set out to design and build a smart eggs incubator with high heat retention. Indeed, some local poultry farmers use artisanal eggs incubators which always require human presence for temperature, humidity, ventilation and eggs turning control, essential parameters for incubating eggs. Other breeders use electric models mainly from China. These incubators do not have a strong heat retention, in the event of power cuts, farmers end up losing the incubating eggs due to hypothermia that affects the hatching rate. Therefore, we have designed and produced using Proteus 8 Professional software an electronic circuit that makes the incubator capable of automatically controlling all incubation parameters. To solve the problem related to the low thermal inertia on existing incubators, we found a solution by using, in the design of the walls of the incubator, phase change materials (PCM) known for their good thermal capacity. Thus, depending on the amount of PCM used, we obtained a thermal autonomy of up to 6329.17 Wh. We modeled the thermal circuit and determined using a Matlab script that it will take 1200W of heating power to reach the temperature of 38 degrees Celsius after 21 seconds inside the incubator.

~ VI ~

TABLE DES MATIERES

EPIGRAPHE I

REMERCIEMENTS II

RESUME . IV

ABSTRACT . V

TABLE DES MATIERES VI

LISTE DES FIGURES XI

LISTE DES TABLEAUX XIII

LISTE DES ABREVIATIONS XIV

LISTE DES ANNEXES XVII

INTRODUCTION GENERALE 1

CHAPITRE I : GENERALITES SUR LES INCUBATEURS D'OEUFS 2

I.1 Introduction 2

I.2 Définition de concepts de base 2

I.2.1 Incubateur d'oeufs : 2

I.2.2 Incubateur d'oeufs intelligent : 2

I.2.3 La chaleur 2

I.2.4 Conception d'un incubateur d'oeufs : 3

I.3 Types d'incubation d'oeufs 3

I.3.1 Incubation naturelle 3

I.3.2 Incubation d'oeufs artificielle 4

I.3.3 Principe de l'incubation artificielle 5

I.3.4 Types d'incubateurs d'oeufs artificiels 5

I.3.5 Incubation mixte 6

I.4 Paramètres agissant sur l'incubation artificielle 6

I.4.1 La température 7

I.4.2 L'humidité 9

~ VII ~

I.4.3 L'aération 10

I.4.4 Le retournement d'oeufs 11

I.5 Les étapes d'incubation d'oeufs 11

I.5.1 Tri et désinfection des oeufs 11

I.5.2 Stockage des oeufs 12

I.5.3 Préchauffage et incubation des oeufs 13

I.5.4 Le développement embryonnaire 13

I.5.5 Mirage des oeufs 16

I.5.6 Eclosion des oeufs 17

I.6 Matériaux de fabrication des incubateurs d'oeufs 17

I.6.1 Ossature des porte-plateaux 17

I.6.2 Les plateaux 18

I.6.3 Le revêtement intérieur de l'incubateur 18

I.6.4 Les parois de l'incubateur 19

I.7 Conclusion 19

CHAPITRE II : DIMENSIONNEMENT MECANIQUE DE L'INCUBATEUR 20

II.1 Introduction 20

II.2 Cahier de charge de la partie mécanique de l'incubateur d'oeufs 20

II.2.1 Contexte et définition du problème de dimensionnement de la partie mécanique de

l'incubateur d'oeufs 20

II.2.2 Objectif de dimensionnement de la partie mécanique de l'incubateur d'oeufs 20

II.2.3 Périmètre de l'étude statique de l'ossature des porte-plateaux de l'incubateur d'oeufs 20

II.2.4 Description fonctionnelle des besoins pour l'étude statique des porte-plateaux 21

II.3 Présentation du modèle théorique de l'incubateur d'oeufs 22

II.4 Description du modèle théorique de l'ossature des porte-plateaux 23

II.5 Détermination des efforts agissants sur l'ossature des porte-plateaux 26

II.5.1 Informations sur le maillage de l'ossature 26

~ VIII ~

II.5.2 Forces résultantes sur l'ossature de porte-plateaux 27

II.5.3 Résultats de l'étude statique sur l'ossature de porte-plateaux 28

II.6 Le système de retournement d'oeufs 29

II.7 Conclusion 30

CHAPITRE III : DIMENSIONNEMENT ELECTRIQUE ET ELECTRONIQUE DE

L'INCUBATEUR D'OEUFS 31

III.1 Introduction 31

III.2 Cahier de charge de la partie électronique-électrique de l'incubateur 31

III.2.1 Contexte et définition du problème de dimensionnement de la partie électrique-

électronique de l'incubateur d'oeufs 31

III.2.2 Objectif de dimensionnement électrique et électronique de l'incubateur d'oeufs 31

III.2.3 Périmètre d'étude du dimensionnement électrique et électronique de l'incubateur

d'oeufs.. 31

III.2.4 Description fonctionnelle des besoins pour la réalisation du circuit électronique de

l'incubateur d'oeufs 32

III.3 Circuit électronique de l'incubateur d'oeufs 32

III.4 Fonctionnement du montage 32

III.4.1 Alimentation 32

III.4.2 Capteur d'humidité 34

III.4.3 Le capteur de température 37

III.4.4 Interface de communication 40

III.4.5 Le chauffage et l'humidification 44

III.4.6 La ventilation 45

III.4.7 Le système de retournement 45

III.4.8 Microcontrôleur 45

III.5 Conclusion 46

CHAPITRE IV : DIMENSIONNEMENT THERMIQUE DE L'INCUBATEUR D'OEUFS 47

IV.1 Introduction 47

~ IX ~

IV.2 Stockage thermique 47

IV.2.1 Stockage sensible 47

IV.2.2 Stockage latent 47

IV.2.3 Stockage thermochimique 49

IV.3 Comparaison des systèmes de stockage 49

IV.4 Les Matériaux à Changement de Phase 50

IV.4.1 Critère de sélection d'un bon MCP 50

IV.4.2 Types de MCP 51

IV.5 Les différents échanges thermiques 55

IV.5.1 Echange de chaleur par Conduction 55

IV.5.2 Echange de chaleur par Convection 56

IV.5.3 Echange de chaleur par rayonnement 57

IV.5.4 Inertie thermique 58

IV.6 Echange thermique pour la couveuse 58

IV.6.1 Flux de chaleur par convection entre l'air intérieur et le contre-plaqué 59

IV.6.2 Flux de chaleur par convection entre l'air extérieur et le contre-plaqué 59

IV.6.3 Flux de chaleur par conduction à travers le contreplaqué 59

IV.6.4 Flux de chaleur par rayonnement à la surface du contreplaqué 60

IV.6.5 Flux de chaleur stocké par inertie du contre-plaqué 60

IV.6.6 Flux de chaleur stocké par inertie de l'air intérieur 60

IV.6.7 Puissance dissipée par l'air du ventilateur 60

IV.7 Analogie thermique - électrique 61

IV.7.1 Simplification du schéma équivalent 62

IV.7.2 Mise en équations du modèle 63

IV.8 Conclusion 75

CHAPITRE V : REALISATION PRATIQUE DE L'INCUBATEUR D'OEUFS 76

V.1 Introduction 76

~ X ~

V.2 Réalisation de la caisse du modèle expérimental de l'incubateur d'oeufs 76

V.3 Isolation thermique de la caisse 76

V.4 Amelioraton de la conduction thermique 77

V.5 Fixation du boitier de commande 77

V.6 Réalisation du circuit de commande du modèle expérimental de l'incubateur

d'oeufs.... 78

V.7 Teste final du modèle expérimental de l'incubateur d'oeufs 79

V.8 Coût estimatif pour la réalisation pratique de l'incubateur d'oeufs ayant une capacité

d'accueil de 600 oeufs 80

V.9 Rendement globale de l'incubateur d'oeufs 82

V.9.1 Rendement du circuit de chauffage de l'incubateur 82

V.9.2 Rendement du circuit de ventilation 82

V.9.3 Rendement du circuit d'humidification 83

V.9.4 Rendement du moteur de retournement 83

V.10 Conclusion 83

CONCLUSION GENERALE 84

BIBLIOGRAPHIE i

ANNEXES A

~ XI ~

LISTE DES FIGURES

Figure I-1:Couvaison naturelle (Combes, 2020) 4

Figure I-2: Incubation artificielle (ANDD, s.d.) 4

Figure I-3:Couveuse Classique (Essaim, s.d.) 5

Figure I-4:Incubateur Dynamique (Alibaba, 2018) 6

Figure I-5: Les astuces à utiliser pour avoir une température stable (KHADIDJA, 2016) 8

Figure I-6: La chaleur produite durant d'incubation (Hubbard, 2010) 9

Figure I-7: OEuf idéal pour la couvaison (Hubbard, 2010) 12

Figure I-8: Mirage de l'oeuf (Brahmaland, 2015) 16

Figure I-9:Mirage d'un oeuf fécondé (Couveuse fr, 2021) 17

Figure I-10: Plateau en plastique de 30 oeufs (Fermenet, 2020) 18

Figure I-11: Rouleau d'aluminium utilisé pour le revêtement intérieur de l'incubateur (Arcan,

2019) 18
Figure I-12: Planche de bois utilisée pour la fabrication des parois de l'incubateur (Dema,

2019) 19

Figure II-1: Propriétés physiques des porte-plateaux 21

Figure II-2: Propriétés physiques des plateaux 21

Figure II-3 : Propriétés physiques du support des porte-plateaux 22

Figure II-4: Modèle de l'incubateur réalisé avec SolidWorks 23

Figure II-5: Ossature de porte-plateaux 24

Figure II-6: Dimensions du porte- plateau 24

Figure II-7: Dimensions du cadre de l'ossature des porte-plateaux 25

Figure II-8: Dimension de la barre de l'ossature des porte-plateaux 25

Figure II-9: Modèle mécanique de l'ossature des porte-plateaux 26

Figure II-10: Résultat final sur l'état du système pour les contraintes avec SolidWorks 28

Figure II-11: Résultat final sur l'état du système pour les déplacements avec SolidWorks 29

Figure II-12: Résultat final sur l'état du système pour les déformations avec SolidWorks 30

Figure III-1:Schéma bloc du circuit électronique de l'incubateur 33

Figure III-2: Alimentation à découpage utilisée pour alimenter le circuit électronique de

l'incubateur d'oeufs (Alibaba, 2021) 34

Figure III-3:Capteur d'humidité DHT 11 34

Figure III-4:Circuit électronique de l'incubateur d'oeuf 35

Figure III-5: Signaux de commande du DHT 11 37

~ XII ~

Figure III-6: Capteur DS18B20 en format "sonde" étanche (skywodd, 2017) 38

Figure III-7: Format d'enregistrement de la température 39

Figure III-8: Ecran LCD 16×2 41

Figure III-9: Schéma de transmission des données d'un afficheur LCD 42

Figure III-10: Diagramme de réception de données d'un afficheur LCD. 42

Figure III-11: Diagramme d'émission de données d'un afficheur LCD. 43

Figure IV-1:Graphe de la température-enthalpie présentant l'énergie stockée dans un système de stockage latent en comparaison avec un système de stockage sensible (L.F.Cabeza, 2008)

48

Figure IV-2: Classification des MCP proposée par (Abhat, 1983) 51

Figure IV-3: Panneau en bois contenant du MCP 55

Figure IV-4: Analogie électrique du circuit thermique de l'incubateur 61

Figure IV-5: Schéma équivalent Thermique simplifié 63

Figure IV-6: Evolution de la température intérieur en fonction du temps pour différentes

puissance de chauffage 75

Figure V-1: Construction de la caisse du modèle expérimental de l'incubateur d'oeufs 76

Figure V-2: Isolation de la caisse et amélioration de la capacité thermique du modèle

expérimental de l'incubateur d'oeufs 77
Figure V-3: Amélioration de la conduction thermique à l'intérieur du modèle expérimental de

l'incubateur d'oeufs 77

Figure V-4: Fixation du boitier de commande 78

Figure V-5: Circuit de commande 78

Figure V-6: Connexion du circuit de commande 79

Figure V-7: Teste de fonctionnement du modèle expérimental de l'incubateur d'oeufs 79

~ XIII ~

LISTE DES TABLEAUX

Tableau I-1:Conséquences d'une mauvaise hygrométrie sur le développement embryonnaire10 Tableau I-2: les différentes étapes du développement embryonnaire d'un oeuf de poule (Cie,

2019) 13
Tableau II-1:Propriétés mécaniques des matériaux utilisés pour la conception de l'ossature de

porte-plateaux 21

Tableau II-2: Informations sur le maillage de l'ossature des porte-plateaux 27

Tableau II-3:Résultantes des forces de réaction sur l'ossature de porte-plateaux 27

Tableau II-4:Résultantes des moments de réaction sur l'ossature de porte-plateaux 28

Tableau III-1: Constantes de Steinhart-Hart 38

Tableau III-2: Encodage de la température 40

Tableau III-3: Méthodes de <LiquidCristal.h> 43

Tableau IV-1: Propriétés de différentes paraffines tiré de (KOOENY, 2015) 54

Tableau V-1: Coût estimatif des matériels électriques et électroniques pour la réalisation de

l'incubateur d'oeufs ayant une capacité d'accueil de 600 OEufs 80
Tableau V-2: Coût estimatif des matériels de soudure pour la réalisation de la partie

mécanique de l'incubateur d'oeufs ayant une capacité d'accueil de 600 OEufs 81
Tableau V-3: Coût estimatif des matériels de menuiserie pour la réalisation de la partie

mécanique et thermique de l'incubateur d'oeufs ayant une capacité d'accueil de 600 OEufs 81

~ XIV ~

LISTE DES ABREVIATIONS

CCBeu : La capacité d'inertie de la première couche de bois de la unième face de l'incubateur CCBp : La capacité d'inertie de la couche de bois qui constitue la porte de l'incubateur CCBsu : La capacité d'inertie de la deuxième couche de bois de la unième face de l'incubateur CCMCPu : La capacité d'inertie de la couche de MCP de la unième face de l'incubateur CCTu : La capacité d'inertie de la tôle d'aluminium de la unième face intérieur de l'incubateur C_a : La capacité d'inertie de l'air

C_o : La chaleur massique des oeufs en (KJ/Kg ?C)

Cpa : La chaleur spécifique de l'air (Wh. Kg^-1. ?C -1)

^1. K-1)

Cc : La capacité d'inertie du contre-plaqué telle que Cc= p. e. S. Cpc

Cp : Chaleur spécifique du matériau (Wh. Kg^-1. K^-1) Cpc : La chaleur spécifique du contre-plaqué (Wh. Kg^-

D_e : Le débit d'air du ventilateur

e : L'épaisseur du contre-plaqué

ea: L'épaisseur de l'air à l'intérieur de l'incubateur (m)

h_e: Le coefficient de convection externe de l'air

hc : Le coefficient de transfert thermique en (W
· m^-2. K^-1)

hi: Le coefficient de convection interne de l'air

MCP : Matériaux à Changement de Phase

m : La masse des oeufs de poule en kg

n : Taux de renouvellement de l'air extérieur dû au trou d'aération Plamp : Puissance fournie par les lampes

Pvent : Puissance dissipée par l'air du ventilateur

~ XV ~

QconOeufs : Chaleur consommée par les oeufs

Qoeufs : La chaleur fournit par la respiration des embryons

QTrouA : Chaleur dissipée par le trou d'aération

RCBeu : La résistance par conduction de la première couche de bois de la unième face RCBp : La résistance par conduction de la couche de bois qui constitue la porte de l'incubateur RCBsu : La résistance par conduction de la deuxième couche de bois de la unième face RCMCPu : La résistance par conduction de la couche de MCP de la unième face RCTu : La résistance par conduction de la tôle d'aluminium de la unième face intérieur

Riu1 : La résistance par convection interne de la unième face

Riu2 : La résistance par convection externe de la unième face

Rrsu : La résistance par rayonnement de la unième face intérieur

RcondBe : Résistance thermique par conduction de la première couche de bois

RcondBp : Résistance thermique par conduction de la porte en bois

RcondBs : Résistance thermique par conduction de la deuxième couche de bois

RcondMCP : Résistance thermique par conduction du MCP

RcondT : Résistance thermique par conduction de la tôle d'aluminium

RconvE : Résistance thermique dû à la convection de l'air intérieur et la mince tôle d'aluminium

RconvS : Résistance thermique dû à la convection de l'air extérieur et la deuxième couche de

bois

gresp : Chaleur de respiration des oeufs en (KJ/Kg)

OH : Différence d'enthalpie entre l'enthalpie extérieure et l'enthalpie intérieure de la couveuse S: Superficie du corps (m²)

t : Temps

~ XVI ~

TempExt : Température extérieur

TempInt : Température intérieur

T: Température de la surface du corps (K)

URES : Déplacement résultant

VSi : Volume spécifique intérieur de la couveuse en (m³/Kg) V_u : Volume utile intérieur de notre couveuse en (m³)

E: Émissivité thermique tel que, égale à 1 pour un corps noir et comprise entre 0 et 1 selon l'état de surface du matériau

p: Masse volumique

4i: Flux de chaleur en watt (W)

⁸ W. m^-2. K-4)

Ac: La conductivité du contre-plaqué (W. m^-1. K^-1)

o : Constante de Stefan-Boltzmann (5,6703. 10^-

~ XVII ~

LISTE DES ANNEXES

Annexe A : Script MATLAB pour la résolution des équations différentielles sur le

dimensionnement thermique (voir le disque) A

Annexe B:Code Source de l'incubateur (voir le disque) A

Annexe C:Vue d'ensemble de l'interface utilisateur du logiciel SolidWorks A

Annexe D: Datasheet de l'Arduino Pro mini B

Annexe E: Datasheet de l'écran LCD 16×2 C

Annexe F: Datasheet du DHT11 D

Annexe G: Propriétés thermiques du CrodaTherm 37 D

Annexe H: Datasheet du D18B20 E

Annexe I: Propriétés physico-thermiques de l'incubateur F

Annexe J: Caractéristiques principales des aciers inoxydables ferritiques F

Annexe K:Plateaux de 30 oeufs en plastique 30cm/30cm G

Annexe L: Exemple de nuances de fontes suivant la norme NF EN 1560 (Claude HAZARD,

2004) G

Annexe M: Datasheet du 2N2222 H

Annexe N: Datasheet du Buzzer I

Annexe O: Mesures dimensionnelles de l'incubateur J

" 1 "

INTRODUCTION GENERALE

La croissance démographique de notre pays la République Démocratique du Congo, plus précisément celle de la province du Haut-Katanga devient peu à peu un problème, notre société est poussée à développer le secteur industriel afin de satisfaire aux besoins primaire de sa population, comme celui de l'agro-alimentaire. Cependant le développement de l'industrie de la volaille au cours des dernières décennies est absolument remarquable et l'évolution des incubateurs artificiels est plus compétitive afin de faire face à un marché qui est devenu de plus en plus concurrentiel et conditionné par des normes de qualité sévères.

Les éleveurs de volailles locaux utilisent des incubateurs artificiels électriques qui proviennent principalement de la Chine et sont fabriqués avec des matériaux plastiques afin de minimiser le coût d'importation dû au poids de l'appareil. La matière plastique a une faible inertie thermique, en cas de coupure électriques sur des longues heures, les éleveurs perdent facilement les oeufs qui sont en incubation à la suite de l'hypothermie.

Comme tout travail d'ingénierie doit résoudre un problème physique de société, nous nous sommes proposés de travailler sur la conception et la réalisation d'un incubateur d'oeufs intelligent à forte conservation de chaleur afin de résoudre le problème de la faible inertie thermique existant sur les incubateurs d'oeufs disponible sur le marché. Pour atteindre notre but, nous aurons à faire plusieurs dimensionnements afin de concevoir un incubateur qui répond au cahier de charge fonctionnel.

De ce fait, notre travail consistera en premier lieu à faire le dimensionnement de la partie mécanique. Nous aurons à faire uniquement l'étude statique sachant que l'étude dynamique ne sera pas nécessaire vu que les vitesses développées sur notre système ne sont pas susceptibles d'induire des déformations permanentes. Ensuite suivra le dimensionnement électrique-électronique, nous aurons plus à parler sur l'aspect électronique qu'électrique sachant que c'est le circuit électronique qui régit l'intelligence l'incubateur. Le dimensionnement thermique sera le dernier. Ensuite suivra la réalisation pratique du modèle expérimentale de 20 oeufs (diffèrent du modèle théorique) ainsi que l'estimation budgétaire du projet.

Nous considérons que la température extérieure de l'incubateur correspond à la température ambiante et tous les calculs de dimensionnements seront faits sur base d'un incubateur ayant une capacité d'accueils de 600 oeufs de poules. Nous utiliserons les logiciels SolidWorks, Proteus 8 Professional et Matlab R2015a pour les différents dimensionnements.

" 2 "

CHAPITRE I : GENERALITES SUR LES INCUBATEURS D'OEUFS

I.1 Introduction

Le présent chapitre parle des différents paramètres d'incubations comme la température et le taux d'humidité qui conditionnent le bon fonctionnement d'un incubateur d'oeufs. Nous considérons que ces derniers sont relatifs aux oeufs des poules et sont physiquement mesurables au moyen des capteurs comme la sonde de température, le capteur d'humidité, etc. Ces capteurs interagissent avec un système intelligent qui régule automatiquement tous les paramètres d'incubations par rapport aux consignes fixées. Nous donnerons quelques étapes du développement embryonnaire d'un poussin. Et pour clore ce chapitre, nous parlerons brièvement des différents matériaux utilisés pour la fabrication des incubateurs.

I.2 Définition de concepts de base

I.2.1 Incubateur d'oeufs :

L'incubateur est un appareil consistant essentiellement en une enceinte close, aseptique, maintenue à température et humidité constantes par des systèmes de régulation, et où sont placés les oeufs pour la durée de leur incubation. Il existe deux types d'incubateurs : les incubateurs à ventilation naturelle ou statique et les incubateurs à ventilation forcée ou dynamique où l'air est brassé par un ventilateur. Les incubateurs fonctionnent soit à l'électricité, au gaz ou au pétrole et ont des capacités variant entre 8 et 200 oeufs pour les petits producteurs à plus de 100000 oeufs pour les grandes fermes (KHADIDJA, 2016).

I.2.2 Incubateur d'oeufs intelligent :

D'une manière générale un incubateur d'oeufs intelligent est tout incubateur doté d'un système de régulation de la température et de l'humidité ; et d'un système de retournement automatique des oeufs. Il est capable d'acquérir les données provenant de ses capteurs, les traiter et ensuite les communiquer à l'homme à travers une interface graphique (Microsoft experiences, 2018).

I.2.3 La chaleur

La chaleur est un paramètre important concernant l'incubation d'oeufs, c'est elle qui permet le développement embryonnaire. Lorsque l'on met deux corps de températures différentes en contact, leurs températures ont tendance à s'égaliser au cours d'un transfert spontané d'énergie. Nous appelons cette forme d'énergie la chaleur. La chaleur, notée Q, est

~ 3 ~

une forme d'énergie (mesurée en joules). À l'échelle macroscopique, c'est la mesure d'un changement d'énergie interne d'un système thermodynamique, lorsqu'aucun travail n'est effectué (Cleynen, 2014).

I.2.4 Conception d'un incubateur d'oeufs :

Concevoir un incubateur d'oeuf revient à trouver son aspect esthétique avec une référence spécifique à sa forme et sa capacité d'accueil. La conception d'un incubateur d'oeufs peut être considérée comme signifiant tous les processus de visualisation, calculs de dimensionnements, raffinement et spécification des détails tels que la température d'incubation, le taux d'humidité, l'apport en oxygène, etc. Concevoir en général commence par un besoin ou une exigence ou, alternativement, une idée ; et se termine par un ensemble de dessins ou des représentations informatiques et autres informations permettant de fabriquer le produit (Childs, 2004).

I.3 Types d'incubation d'oeufs

I.3.1 Incubation naturelle

En fonction de sa race, la poule peut couver en moyenne 8 à 14 oeufs. Elle commence la couvée lorsqu'elle a fini de pondre. Cette phase de couvaison se caractérise par une maintenance dans le nid, le retournement des oeufs et une posture agressive lors d'une approche. En effet, la poule ne quitte le nid que très brièvement pour s'alimenter et boire. En outre, elle a besoin du calme pour mener à bien la couvée. Pendant la couvée, elle fournit la température, l'humidité et la ventilation nécessaires au bon développement des oeufs. L'éclosion intervient au bout de 21 jours d'incubation. Le taux d'éclosion varie selon plusieurs facteurs. Ainsi, des études rapportent respectivement des taux d'éclosion qui varie entre 50% et 60% (KAZED, 2011).

Après l'éclosion, la poule prend soin de ses poussins en leur apprenant à rechercher la nourriture et les protège également des agressions extérieures. Les activités de couvaison et d'élevage des poussins accroissent la longueur du cycle reproductif chez la poule de 58 jours pour atteindre environ 74 jours (16 jours de ponte et de constitution de la couvée + 21 jours d'incubation + 37 jours d'élevage des poussins = 74 jours). Cette situation constitue une limite à la productivité de la poule et l'incubation artificielle pourrait être une solution à envisager pour augmenter le rendement de la production (Seydou, 2011). La figure I-1 illustre une couvaison naturelle, on peut clairement y voir la posture que prend la poule lorsqu'elle couve ses oeufs.

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Figure I-1:Couvaison naturelle (Combes, 2020) I.3.2 Incubation d'oeufs artificielle

I.3.2.1 Historique

La couveuse artificielle ou «l'incubateur d'oeufs » ne date pas d'aujourd'hui. En effet, depuis plusieurs siècles les Égyptiens construisaient ces machines. En Égypte ancienne ils s'appelaient «les Mammals», c'étaient de véritables constructions en maçonnerie comportant des fours chauffés à la bouse de chameau au-dessus desquels se trouvaient les chambres d'incubation. Un seul homme s'occupait d'un Mammal pouvant incuber plusieurs oeufs. Il n'était pas rétribué mais tirait son bénéfice de sa production en livrant 80 poussins pour 100 oeufs mis à couver. Actuellement presque tous les incubateurs fonctionnent à l'électricité, il existe d'autres modèles à pétrole et à gaz (Seydou, 2011).

I.3.2.2 Définition

L'incubation artificielle est une technique de reconditionnement thermique favorable au développement embryonnaire qui, à partir d'une quantité d'oeufs pondus, permet d'obtenir le maximum de poussins viables au coût le plus bas possible. Cette technique utilise des incubateurs qui sont conçus pour régulariser la chaleur, l'humidité, la ventilation et la rotation des oeufs afin d'accomplir un développement embryonnaire normal (voir la figure I-2).

Figure I-2: Incubation artificielle (ANDD, s.d.)

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I.3.3 Principe de l'incubation artificielle

Le principe d'incubation d'oeufs est toujours le même : une enceinte étanche, généralement doublée de matériaux isolants (exothermiques), dans laquelle se trouve principalement une source de chaleur, une source d'humidité et accessoirement des orifices permettant le renouvellement progressif d'air. Pour ces incubateurs, on peut également y trouver des mécanismes facilitant le retournement des oeufs.

I.3.4 Types d'incubateurs d'oeufs artificiels

Il existe généralement deux modèles d'incubateurs artificiels :

· Les incubateurs à ventilation naturelle ou statique et

· Les incubateurs à ventilation forcée ou dynamique où l'air est rénové par un ventilateur (Galinette, s.d.).

I.3.4.1 Les incubateurs statiques ou classiques

Dans les incubateurs d'oeufs statiques le chauffage s'effectue en haut. Pour des modèles électriques il s'agit d'une résistance chauffante tapissant la face inférieure du plafond, de même, il existe d'autres types qui utilisent des lampes à incandescences comme on peut le voir à la figure I-3. Dans des modèles à gaz ou à pétrole, le chauffage se fait par une flamme permanente ou bien par l'intermédiaire d'un réservoir d'eau chaude (Vendéens, 2017).

Figure I-3:Couveuse Classique (Essaim, s.d.)

Selon ces incubateurs, la température est toujours élevée en haut qu'en bas à cause de l'emplacement des sources de chaleur, et en plus l'air chaud se rassemble vers le sommet de l'enceinte fermée. Par conséquence, la température de la couveuse est de plus en plus basse en allant de haut vers le bas. C'est pour cela les oeufs sont disposés sur un seul plateau sur le même niveau, pour bénéficier de la même température. La température doit être fixée à 39°C, et elle

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est mesurée au sommet des oeufs. De plus, le retournement des oeufs cinq à sept fois par jour est nécessaire (Vendéens, 2017).

I.3.4.2 Les incubateurs dynamiques

Dans ces genres d'incubateurs, l'air intérieur est brassé par un ventilateur. Ce dernier doit être placé loin des oeufs et des poussins naissants, et il doit être protégé par une grille pour ne pas les blesser. Il existe d'autres modèles où l'air est aspiré par un aspirateur de haut vers le bas puis le réinjecte dans l'incubateur après une phase de réchauffage et de filtrage. Par conséquent, la température est parfaitement uniforme dans l'ensemble de l'appareil. C'est pour cela qu'on peut y mettre les plateaux d'oeufs sur différents niveaux. Dans ce type de couveuses, la température doit être réglée à 37,8°C ou 38°C, et elle est mesurée au sommet des oeufs. Notons que les modèles dynamiques sont plus techniques que les modèles statiques (Vendéens, 2017). La figure I-4 illustre le modèle d'un incubateur dynamique.

Figure I-4:Incubateur Dynamique (Alibaba, 2018)

I.3.5 Incubation mixte

Ce dernier type d'incubation utilise les deux classes citées ci-dessus, à savoir commencer cette incubation sous des poules et terminer dans la couveuse artificielle, ou bien l'inverse (KHADIDJA, 2016).

I.4 Paramètres agissant sur l'incubation artificielle

La réussite de l'incubation artificiel est régit par le contrôle des certains paramètres qui facilitent le développement cellulaire des embryons. Ces derniers doivent être fixés par rapport aux consignes bien définies.

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I.4.1 La température

Une couveuse doit fournir une température comparable à celle d'une poule qui chauffe ses oeufs avec son corps. Si la température ambiante descend en dessous de 35°C, il faut se servir d'une couveuse équipée d'un chauffage. Le maintien de la bonne température nécessite une bonne isolation (KHADIDJA, 2016).

Le paramètre température joue un rôle très important pendant la régulation de l'incubateur artificiel. En effet, en cours d'incubation, les températures à considérer sont :

· Un refroidissement de 20°C pouvant aller jusqu'à 12 heures cumulées durant la période d'incubation ;

· On peut considérer notre couveuse comme fortement compromise si T = 40°C ;

· Les surchauffes provoquent un développement anarchique des cellules et donnent des poussins déformés ;

· Il est déconseillé d'atteindre une température de 44°C, parce qu'à partir de cette température les oeufs sont à jeter (Hubbard, 2010).

I.4.1.1 Le réglage de la température pendant l'incubation

Le facteur essentiel de la réussite de l'incubation est la température, surtout pendant la première semaine. La température optimale lors des deux premières semaines est de 38,9°C avec un écart maximal de 0,5°C vers le haut ou vers le bas. Au-delà de 40,5°C, les températures sont mortelles pour les embryons. Une hausse de température et une baisse d'humidité peuvent donner ensemble des résultats désastreux. Une température trop basse retarde l'éclosion des oeufs, mais est toutefois moins dangereuse qu'une température trop élevée. A partir du 19ième jour de l'incubation, la température doit baisser à 36,1°C car les poussins produisent eux-mêmes de la chaleur. Les poussins nouveau-nés qui gardent le bec ouvert essayent de perdre de la chaleur en respirant fortement, cela indique une surchauffe de la couveuse (KHADIDJA, 2016). La figure I-5 illustre quelques facteurs à réunir pour avoir une température constante.

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Chauffer les oeufs

Garder la température
stable

Réguler la température

Conserver la
température

Ampoules

Radiateur

Résistance chauffante

Régulateur

Thermostat

Caisse isolante

Figure I-5: Les astuces à utiliser pour avoir une température stable (KHADIDJA, 2016)

Le développement embryonnaire est essentiellement régi par la température. Il s'agit là d'un paramètre capital dans la détermination des conditions d'incubation. Pour garder ce dernier stable, nous devons avoir une source de chaleur pilotée par un régulateur, la caisse de l'incubateur doit être isolée du milieu extérieur pour éviter une déperdition énergétique considérable.

I.4.1.2 La production de chaleur par l'embryon

Il est communément admis qu'au cours du développement embryonnaire deux grandes périodes se succèdent : l'une endothermique, en tout début d'incubation et d'une durée d'environ 8-9 jours, et l'autre, exothermique, en fin d'incubation et d'une durée approximative de 7-8 jours. Entre les deux, une étape dite isothermique, souvent très courte, est parfois mentionnée (Hubbard, 2010).

Romijn et Lokhorst ont été les premiers à déterminer la chaleur produite par l'embryon en fonction des jours d'incubations en utilisant la méthode de la calorimétrie direct et inverse comme l'illustre la figure I-6.

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Figure I-6: La chaleur produite durant d'incubation (Hubbard, 2010)

I.4.2 L'humidité

L'humidité relative (HR) varie fortement avec la température. Si ce niveau n'est pas bon, les embryons se déshydratent dans l'oeuf ou ne parviennent pas à éliminer les gaz toxiques qu'ils produisent. Un bon niveau d'humidité s'obtient en installant dans la couveuse des

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récipients remplis d'eau. L'humidité relative se mesure à l'aide d'un thermomètre à cuvette humide ou avec un hygromètre (KHADIDJA, 2016).

Les effets des paramètres de l'humidité de l'air ou humidité relative (RH) sur les résultats d'incubation sont importants, ces paramètres sont :

· L'oeuf perd beaucoup d'humidité à travers les pores de sa coquille, donc il faut éviter la déshydratation des oeufs en contrôlant l'humidité dans la couveuse ;

· L'humidité assure le bon développement de l'embryon mais également facilite le bêchage en rendant la coquille plus fragile ;

· Pendant l'éclosion, le bon niveau d'humidité doit être maintenu. Si l'air est sec, les poussins se déshydratent rapidement et meurent ;

· Les meilleurs résultats d'incubation sont obtenus avec une humidité relative variant entre 50 et 60% pendant les 18 premiers jours et de 75% au plus pendant les trois derniers jours d'incubation (Hubbard, 2010).

Le tableau I-1 donne les différentes conséquences qui surviennent en ayant une mauvaise hygrométrie dans l'incubateur :

Tableau I-1:Conséquences d'une mauvaise hygrométrie sur le développement embryonnaire

Evolution d'incubation	Hygrométrie trop élevée		Hygrométrie trop basse	OEuf
Augmentation de la contamination et développement des bactéries	Fuite hydrique entrainant des adhérences		Embryon
Mort tardive par défaut de perte d'eau			Eclosion
Prématurée	Eclosion tardive		Poussin
Faible, non mobile, poisseux, oedèmes sous- cutanés	Sec, petit, déshydraté, adhérant à la coquille		Cordon ombilical
Mal cicatrisé	Sec

I.4.3 L'aération

L'oeuf à couver est un être vivant qui respire, une bonne ventilation est donc nécessaire pour assurer le bon développement de l'embryon. La ventilation apporte de l'oxygène à

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l'embryon et élimine le dioxyde de carbone (CO2) excédentaire. Une ventilation déficiente peut provoquer l'étouffement des poussins dans l'oeuf. Le renouvellement d'air est réalisé par le réglage des trappes d'entrée et de sortie d'air au niveau des couveuses. En outre, la ventilation permet de régler la température et l'humidité dans la couveuse (Hubbard, 2010).

I.4.4 Le retournement d'oeufs

Les oeufs doivent être retournés régulièrement, sinon les résultats d'incubation seront très bas. Il est recommandé de retourner les oeufs trois fois par jour pendant les premiers 19 jours et après le retournement n'est plus nécessaire. Le retournement des oeufs peut être facilité par un mécanisme automatique (KHADIDJA, 2016).

· L'opération de retournement a pour but d'éviter le collage de l'embryon sur la coquille, d'éviter au maximum les positions anormales de l'embryon et de permettre également une meilleure répartition de la chaleur sur toute la surface des oeufs.

· Le retournement des oeufs s'effectue entre deux positions possibles, 45 degré par rapport à la verticale.

· Ce dernier doit s'effectuer au minimum trois fois par jour. Tout choc exagéré provoque la mort des embryons (Hubbard, 2010).

I.5 Les étapes d'incubation d'oeufs

I.5.1 Tri et désinfection des oeufs

Le tri a pour objectif d'obtenir un taux élevé de réussite à l'incubation. Les oeufs à couver doivent être frais, propres, de poids convenable et sans anomalies de taille et de forme comme le montre la figure I-7 autant nous avons en largeur ; 1,4 fois nous aurons en longueur. Ainsi donc, les oeufs présentant des anomalies de la coquille et des formes anormales sont à écarter. Placés dans l'incubateur, les meilleurs résultats d'éclosion s'obtiennent avec des oeufs âgés de 3 à 4 jours et de poids compris entre 30 et 70 g en fonction des races. Les oeufs de 55 à 60 g éclosent mieux que ceux de 60 à 70 g selon les races. Cependant, ces oeufs doivent êtres fécondés et provenus de poules saines et bien nourries. En effet, leur insuffisance alimentaire réduit la fertilité des oeufs et augmente la mortalité embryonnaire (Hubbard, 2010).

La désinfection a pour but d'éliminer les impuretés et germes qui se trouveraient sur la coquille des oeufs et qui pourraient compromettre les résultats d'éclosion. Cette opération doit être effectuée rapidement après la collecte des oeufs. Toutefois, il est déconseillé de laver les oeufs à l'eau sous peine d'éliminer la fine couche protectrice qui les recouvrent et les protègent

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des invasions microbiennes. Différentes méthodes de désinfection sont utilisées. Cette opération doit être réalisée dans une salle à une température de 22 à 26°C pendant 20 à 30 minutes (Galinette, s.d.).

Figure I-7: OEuf idéal pour la couvaison (Hubbard, 2010)

I.5.2 Stockage des oeufs

Après la désinfection, les oeufs doivent être conservés dans un local aéré mais à l'abri des courants d'air, du soleil et des poussières. La durée de conservation des facultés d'éclosion des oeufs dépend de la température de la pièce dans laquelle les oeufs sont stockés avant l'incubation. Pour une température de stockage de 7 à 15°C, la conservation des facultés d'éclosion est bonne pendant 6 jours. Ensuite, elle diminue progressivement à partir du début de la seconde semaine. La température de la salle de stockage doit être maintenue entre 17 et 18°C pour une durée de 3 à 4 jours (Hubbard, 2010).

Afin de limiter les pertes d'eau par évaporation qui aura pour effet d'abaisser le taux d'éclosion et la vitalité du poussin, l'humidité relative de la salle de stockage doit être maintenue entre 70 et 85%. Durant leur stockage, les oeufs à couver sont placés dans une position pointe en bas pour un stockage de courte durée. Pour des durées de stockages supérieures à 7 jours, un stockage pointe en haut permet de limiter les pertes d'éclosion dues au stockage. Aussi, il est recommandé de les retourner pendant le stockage afin d'éviter que le jaune adhère à la coquille. Les oeufs ne doivent jamais être stockés directement sur le sol, mais sur des palettes en bois ou de préférence en plastique (Galinette, s.d.).

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I.5.3 Préchauffage et incubation des oeufs

Pour obtenir un bon taux d'éclosion, il est nécessaire de préchauffer les oeufs avant leur mise en incubation. Ce procédé permet d'éviter un choc thermique aux oeufs et également un démarrage plus rapide et plus homogène au développement des embryons. Un préchauffage compris entre 25°C et 28°C est préférable pendant une heure. L'un des facteurs essentiels de la réussite de l'incubation est la régulation parfaite de la température, surtout pendant la première semaine. Pour les couveuses à ventilation naturelle, la température optimale doit être maintenue à 38,9°C lors des deux premières semaines d'incubation, et ramenée à 36,1°C à partir du 19^èmejour d'incubation. Cela est dû au faite que les poussins produisent aussi de la chaleur. Pour les couveuses à ventilation forcée, la température idéale pour un meilleur développement de l'embryon et une éclosion optimale, est de 37,7°C ou 37,8°C. Cette température est déterminante également pour la croissance correcte du poussin après l'éclosion. Les basses températures retardent l'éclosion et ses effets sont très déconseillés par rapport aux températures élevées (Galinette, s.d.).

I.5.4 Le développement embryonnaire

Le développement d'un oeuf fécondé commence par la division cellulaire, dès qu'il traverse l'oviducte de la poule. Quand elle pond l'oeuf, l'embryon se refroidit et le développement est suspendu. Si on casse l'oeuf à ce moment-là, le disque germinal mesure déjà 4mm. Le développement de l'embryon commence quand la température de l'oeuf dépasse 26,6 °C. Dans le tableau I-2 figurent les différentes étapes du développement embryonnaire pour arriver à un poussin le ^21ième jour (Cie, 2019).

Tableau J-2: les différentes étapes du développement embryonnaire d'un oeuf de poule (Cie, 2019)

Avant la ponte		Fécondation, division et croissance des cellules. Certaines cellules se regroupent en tissus (pour assumer ultérieurement certaines fonctions)	Entre la ponte et la couvaison/ incubation
Arrêt de la croissance cellulaire. Il y a déjà entre 50 000 et 80 000 cellules.		Jour 1
L'embryon est déjà constitué des 3 couches de cellules:

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· l'ectoderme: qui donnera la peau, les plumes, le bec, le système nerveux, les griffes, les yeux et la bouche ; · le mésoderme: qui donnera le squelette, les muscles, le sang et les organes reproducteurs ; · l'endoderme: qui donnera les organes respiratoires, les systèmes sécréteurs et digestifs.			16 heures
Premiers signes de ressemblance avec un embryon de poulet		18 heures
Apparition du tube digestif		20 heures
Apparition de la colonne vertébrale		21 heures
Début de la formation du système nerveux		22 heures
Début de la formation de la tête		Jour 2
25 heures
Début de la formation du coeur		35 heures
Début de la formation de l'oreille		42 heures
Le coeur commence à battre		Jour 3
60 heures
Début de la formation des voies respiratoires		62 heures
Début de la formation des pattes		64 heures
Début de la formation des ailes		Jour 4
Début de la formation de la langue. Le coeur quitte sa forme simple et devient un coeur complètement formé; il est toujours en train de battre mais reste encore à l'extérieur du corps. Des membranes amniotiques se forment et constituent un sac amniotique dans lequel l'embryon va flotter jusqu'à la fin de son développement. Le liquide amniotique et les retournements de l'oeuf vont permettre à l'embryon de se positionner correctement pour l'éclosion.		Jour 5
Début de la formation des organes permanents et différenciation sexuelle. La structure aortique commence à se former et à s'épaissir.

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Jour 6		Début de la formation du bec. Les pattes et les ailes sont presque complètement développées.	Jour 7
La membrane commence à s'épaissir mais reste transparente		Jour 8
Début de la formation des plumes		Jour 9
La membrane n'est plus transparente. L'embryon commence à vraiment ressembler à un poussin.		Jour 10
Début du durcissement du bec. Les os commencent à se former		Jour 13
L'ovaire de droite de l'embryon femelle commence à dégénérer		Jour 14
L'embryon se met en bonne position pour pouvoir briser la coquille		Jour 16
Les écailles, les griffes et le bec deviennent plus fermes. L'albumen est déjà quasi tout consommé. Il reste le jaune comme nourriture.		Jour 17
Le bec se tourne vers la poche d'air.		Jour 19
Le vitellus (jaune) commence à entrer dans le corps de l'embryon		Jour 20
Le sac vitellin est complètement aspiré à l'intérieur du corps de l'embryon. Le poussin occupe presque tout l'espace intérieur de l'oeuf, à l'exception de la chambre à air. Il lui devient difficile d'obtenir de l'oxygène au travers de la coquille. Du coup, les muscles du cou se contractent et le bec perce la poche d'air située du côté du gros bout de l'oeuf. Les plus faibles, notamment ceux qui manquent de vitamines du groupe B, n'y survivront pas.

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Jour 21

Eclosion du poussin: les coups de bec alternent avec des mouvements des pattes. De cette manière, le poussin découpe le gros bout de l'oeuf, jusqu'à pouvoir en sortir.

I.5.5 Mirage des oeufs

Le mirage est une opération qui consiste à éclairer l'intérieur de l'oeuf à l'aide d'un appareil appelé mireuse ou mire-oeuf doté d'une source lumineuse (voir la figure I-8). Le mirage est une opération très importante car il permet de détecter les oeufs clairs (non fécondés), les embryons morts et de voir si le développement du poussin dans l'oeuf se déroule normalement. Habituellement deux mirages sont pratiqués. Le premier est effectué au 7^ème ou 9^ème jour d'incubation et permet de retirer les oeufs non fécondés et le second au 18^ème jour d'incubation, ce dernier mirage permet de retirer les oeufs à embryons morts. Le mirage doit être fait avec précaution car il est responsable de 1 à 3% de mortalité embryonnaire (Galinette, s.d.).

Figure I-8: Mirage de l'oeuf (Brahmaland, 2015)

On peut clairement voir sur la figure I-9 à quoi ressemble un oeuf fécondé qui est soumis au mirage.

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Figure I-9:Mirage d'un oeuf fécondé (Couveuse fr, 2021)

I.5.6 Eclosion des oeufs

Après le dernier mirage, les oeufs peuvent être transférés dans un éclosoir si le dispositif existe, sinon, l'éclosion peut se poursuivre dans l'incubateur. Dans tous les cas, l'humidité relative qui était de 50 à 60% durant les 18 premiers jours, doit être élevée au plus à 75% afin que l'éclosion puisse se dérouler normalement. A partir du 18^èmejour, aucune autre manipulation n'est faite jusqu'à l'éclosion. La sortie des poussins intervient au 21^ème jour d'incubation. Il faut au poussin une durée de douze heures pour briser la coquille et se libérer. A la sortie, le poussin emmène avec lui l'enveloppe contenant le jaune, ce qui constitue une réserve alimentaire supplémentaire pour sa première semaine de vie hors de la coquille. C'est la présence de ce jaune qui permet le transport des poussins sur de grandes distances et pendant plusieurs jours sans qu'il faille les nourrir ou les abreuver (Galinette, s.d.).

I.6 Matériaux de fabrication des incubateurs d'oeufs

I.6.1 Ossature des porte-plateaux

L'ossature des porte-plateaux est généralement fabriquée en acier inoxydable pour éviter la corrosion dû la rouille qui attaque facilement les aciers ordinaires en présence d'un air trop humide (entre 50% et 75% pour l'incubateur). Il existe une grande variété d'aciers inoxydables possédant une résistance, soudabilité ou ténacité différente ; comme l'acier inoxydable austénitique, ferritique, duplex (austéno-ferritique), martensitique et l'acier inoxydable à durcissement par précipitation (Steel Knowledge, 2017). On utilise habituellement l'acier inoxydable ferritique parce qu'ils coûtent moins cher que les nuances austénitiques de même résistance à la corrosion et sont utilisés dans des applications en intérieur ou dans des

Figure I-11: Rouleau d'aluminium utilisé pour le revêtement intérieur de l'incubateur (Arcan, 2019)

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atmosphères peu corrosives. Pour améliorer leur soudabilité, on utilise l'alliage au titane. Nous retrouvons quelques informations supplémentaires à l'annexe J.

I.6.2 Les plateaux

Les plateaux sont généralement fabriqués en plastiques avec des mesures standard que l'on retrouve sur le marché, nous retrouvons généralement de modèles de 30cm/30cm pour 30 oeufs de poule comme le montre la figure I-10 et l'annexe K.

Figure I-10: Plateau en plastique de 30 oeufs (Fermenet, 2020)

I.6.3 Le revêtement intérieur de l'incubateur

Pour augmenter la conductivité thermique des surfaces intérieures de l'incubateur, l'intérieur est tapissé d'une mince tôle d'aluminium que l'on retrouve sur forme de rouleau comme l'illustre la figure I-11

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I.6.4 Les parois de l'incubateur

Les parois de l'incubateur sont généralement faites en bois grâce à sa bonne inertie thermique. Cependant, il existe plusieurs types de bois, les plus utilisés sont ceux qui présentent plusieurs couches appelés communément multi triplex que l'on peut voir à la figure I-12.

Figure I-12: Planche de bois utilisée pour la fabrication des parois de l'incubateur (Dema, 2019)

I.7 Conclusion

Dans ce premier chapitre, nous avons abordé d'une manière générale les incubateurs et les paramètres d'incubation. Sans doute, l'incubation naturelle reste le plus actif mais conduit à une production trop faible. En effet l'incubation artificielle est recommandée pour satisfaire les grandes demandes de consommation. Le bon fonctionnement de couveuses est basé sur la bonne régulation de la température, de l'humidité, la ventilation et le retournement d'oeufs. Les pertes en productions expliquent les erreurs de réglages de ces quatre paramètres. Pour produire un incubateur d'oeufs performant et capable de donner un rendement approprié, il faut faire une bonne étude de conception et effectuer un choix judicieux des matériaux de construction. Dans le chapitre II nous allons dimensionner la partie mécanique de l'incubateur en faisant une étude statique de l'ossature de porte-plateaux.

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CHAPITRE II : DIMENSIONNEMENT MECANIQUE DE L'INCUBATEUR

II.1 Introduction

Dans ce chapitre il est question de faire l'étude statique de l'ossature des porte-plateaux en utilisant le logiciel de dessin assisté par ordinateur SolidWorks. Cette étude a pour but de rendre l'ossature résistante et capable de supporter les différentes contraintes auxquelles elle sera soumise. Ensuite suivra la détermination du couple résistant dû aux poids des oeufs et des porte-plateaux (contraintes du système) dans le but de faire le choix du moteur de retournement d'oeufs.

II.2 Cahier de charge de la partie mécanique de l'incubateur d'oeufs

Dans cette partie nous définissons le problème à résoudre par l'étude statique qui sera effectuée sur l'ossature des porte-plateaux de l'incubateur d'oeufs, l'objectif ainsi que le périmètre (limite) de cette étude.

II.2.1 Contexte et définition du problème de dimensionnement de la partie mécanique

de l'incubateur d'oeufs

La capacité d'accueil de l'incubateur est de 600 oeufs de poule, un oeuf de poule a une masse moyenne de 63 g pour les petits oeufs et 73 g pour les gros oeufs (François, 2020). L'ossature des porte-plateaux doit être en mesure de supporter le poids total des oeufs ainsi que celui du moteur de retournement (dont la masse vaut 5 kg) sans qu'elle ne puisse se déformer de façon permanente.

II.2.2 Objectif de dimensionnement de la partie mécanique de l'incubateur d'oeufs

Nous devons concevoir une ossature résistante, légère et ayant une stabilité dimensionnelle. Le dimensionnement devra tenir compte de la norme ISO 630-6 : 2014 relative aux aciers de constructions, tous les matériaux qui seront utilisés dans la fabrication de l'incubateur existent déjà et ont des mesures dimensionnelles bien précises. Nous devons déterminer le couple moteur capable de vaincre le couple résistant dû au poids de l'ossature afin d'assurer un retournement d'oeufs sécurisé.

II.2.3 Périmètre de l'étude statique de l'ossature des porte-plateaux de l'incubateur

d'oeufs

Ici, nous nous limiterons qu'à l'étude statique de l'ossature, il ne nous sera pas nécessaire de mener l'étude dynamique vu que les vitesses développées par le système sont trop petites (vitesse du moteur inférieur à 1 tr/min).

Figure II-1: Propriétés physiques des porte-plateaux

Figure II-2: Propriétés physiques des plateaux

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II.2.4 Description fonctionnelle des besoins pour l'étude statique des porte-plateaux

Nous aurons à utiliser les matériaux qui figurent dans le tableau II-1 avec spécification de leurs propriétés physiques. Vu que la température intérieure de l'incubateur flotte autour de 38 degré Celsius, il ne nous sera pas nécessaire de donner les limites de température de ces matériaux.

Tableau II-1:Propriétés mécaniques des matériaux utilisés pour la conception de l'ossature de porte-

plateaux

Référence du modèle

Propriétés

Matériau: Acier allié inoxydable

Type de modèle: Linéaire élastique isotropique

Limite d'élasticité: 241, 275 N/mm²

Limite de traction: 448, 082 N/mm²

Module d'élasticité: 190000 N/mm²

Coefficient de Poisson: 0, 26

Masse volumique: 7, 3 g/cm³

Module de cisaillement: Coefficient de dilatation thermique:

78000 N/mm^2 1, 5.10^-5 /Kelvin

Matériau : ABS PC Linéaire élastique Type de modèle: isotropique Limite de traction: 40 N/mm^2 Module d'élasticité: 2410 N/mm^2 Coefficient de Poisson: 0, 3897 Masse volumique: 1, 07 g/cm^3 Module de cisaillement: 862, 2 N/mm2

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Matériau: Fonte grise

Linéaire élastique

Type de modèle: isotropique

Critère de ruine par défaut :

Contrainte de Mohr-Coulomb

Limite de traction: 151, 658 N/mm²

Limite de 572, 165 N/mm²

compression:

Module d'élasticité: 66178, 1 N/mm²

Coefficient de Poisson: 0, 27

Masse volumique: 7, 2 g/cm³

Module de 50000 N/mm²

cisaillement:

Coefficient de

dilatation thermique: 1, 2.10^-5/Kelvin

Figure II-3 : Propriétés physiques du support des porte-plateaux

Pour le retournement d'oeufs, nous aurons besoin d'un moteur fournissant un écartement angulaire de 45 degrés des parts et d'autres du plan horizontal des plateaux d'oeufs et ayant une vitesse d'entrainement inférieure ou égale à 1tour/minute car toute vitesse exagérée risquerait d'endommager les oeufs en incubation (Hubbard, 2010). Pour cela nous auront à utiliser le moteur pas à pas réputé pour sa bonne précision concernant les mouvements angulaires.

II.3 Présentation du modèle théorique de l'incubateur d'oeufs

La partie mécanique de la couveuse est constituée du système de retournement d'oeufs, l'ensemble des porte-plateaux ainsi que de toute la structure extérieure qui constitue en gros l'incubateur comme l'illustre la figure II-4. Nous avons utilisé le logiciel Solidworks pour dessiner les différentes parties mécaniques et simuler l'étude statique du système afin d'obtenir les résultats de déformation transversale et longitudinale de l'ossature des porte-plateaux. Nous avons utilisé la méthode déductive pour le dimensionnement de l'ossature des porte-plateaux ; ce qui nous a permis d'obtenir la forme tubulaire creuse pour le cadre de l'ossature. Cette forme nous a fournis des résultats satisfaisants dans le domaine des déformations transversale et longitudinale.

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Figure II-4: Modèle de l'incubateur réalisé avec SolidWorks

II.4 Description du modèle théorique de l'ossature des porte-plateaux

La figure II-5 illustre le modèle théorique de l'ossature des porte-plateaux sur lequel sera faite l'étude statique. L'ossature de porte-plateaux est constituée de cinq porte-plateaux en Acier inoxydable ferritique de type X3CrTi17 (voir l'annexe H), ayant chacune une dimension de 600×600mm et une épaisseur de 2mm comme l'indique la figure II-6. Les porte-plateaux sont reliés les uns aux autres par des barres de mêmes matériaux qu'elles longues de 1240mm, larges de 25mm et épaisses de 3mm (voir la figure II-8). Le tout est supporté par un cadre en Fonte grise de type EN-GJL-350 (voir l'annexe L) de forme tubulaire de 20×20mm, haute de 1710mm, large de 670mm et épais de 3mm. Sa base est longue de 760mm et large de 708mm comme illustré à la figure II-7.

" 24 "

Cadre de forme tubulaire creuse

Emplacement du moteur

Figure II-5: Ossature de porte-plateaux

Nous avons choisi l'acier inoxydable ferritique comme matériau de fabrication des porte-plateaux parce qu'ils coûtent moins cher que les autres nuances austénitiques, duplex, martensitique de même résistance à la corrosion et leur coût est sujet à moins de fluctuations. Ils sont utilisés dans des applications en intérieur ou dans des atmosphères peu corrosives. Vu qu'ils seront soudés pour leurs assemblages, nous avons retenu la nuance ferritique alliée au titane (X3CrTi17) qui améliore leur soudabilité.

Figure II-6: Dimensions du porte- plateau

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Figure II-7: Dimensions du cadre de l'ossature des porte-plateaux

Nous avons choisi la fonte grise comme matériau de construction du cadre par suite de ses multiples avantages : le prix abordable, la facilité d'usinage, l'absorption des vibrations et la stabilité dimensionnelle. Nous avons retenu la nuance EN-GJL-350 pour sa dureté.

Figure II-8: Dimension de la barre de l'ossature des porte-plateaux

" 26 "

II.5 Détermination des efforts agissants sur l'ossature des porte-plateaux

Au moyen du logiciel SolidWorks, nous avons effectué l'étude statique de l'ossature des porte-plateaux. Comme données, nous avons considéré les contraintes générées par le poids des oeufs et le poids du moteur qui doit être fixé sur un support pour entrainer les plateaux d'oeufs. Toutes les contraintes agissant sur la structure sont représentées en rouge sur la figure II-9. Un oeuf a une masse en moyenne de 63g et 73g pour les gros oeufs ; nous avons considéré la masse de 73g pour une quantité de 120 oeufs par plateau et pour un total de 600 oeufs. La masse totale obtenue est de 37,8 kg et 5kg comme masse du moteur. Après 3 heures de calcul avec une machine ayant un processeur de ^11ième génération Core i5-1145G7 (8 Mo de cache, jusqu'à 4,40 GHz), le logiciel SolidWorks nous a fourni un rapport contenant les résultats des calculs de l'étude statique. Le cadre inférieur est considéré comme encastré, donc son déplacement est nul.

Figure II-9: Modèle mécanique de l'ossature des porte-plateaux

II.5.1 Informations sur le maillage de l'ossature

Le processus commence par la création d'un modèle géométrique. Pour l'analyse, le modèle doit être subdivisé en petites entités de formes simples (éléments), interconnectées en des points communs (noeuds). Les programmes d'analyse par éléments finis considèrent le modèle comme un réseau d'éléments discrets interconnectés (Dassault Systèmes, 2021). Pour ce faire, le logiciel évalue une taille d'élément globale en tenant compte du volume du modèle, de sa surface et d'autres paramètres géométriques. La taille du maillage généré (nombre de noeuds et d'éléments) dépend de la géométrie et des dimensions du modèle, de la taille des éléments, de la tolérance de maillage, du contrôle du maillage et des spécifications de contact.

" 27 "

En général, une petite taille d'élément est nécessaire pour obtenir des résultats plus précis. Le tableau II-2 donne les différentes informations sur le maillage utilisé.

Tableau II-2: Informations sur le maillage de l'ossature des porte-plateaux

Type de maillage		Maillage volumique	Mailleur utilisé :
Maillage standard		Points de Jacobien
4 Points		Taille d'élément
15.343 mm		Tolérance
0.767149 mm		Tracé de qualité du maillage
Haute		Nombre total de noeuds
192581		Nombre total d'éléments
92940		Aspect ratio maximum
54.858		Pourcentage (%) d'éléments ayant un aspect ratio < 3
3.93		Pourcentage (%) d'éléments ayant un aspect ratio > 10
8.06		Pourcentage (%) d'éléments distordus (Jacobien)
0

Nous avons utilisé un maillage de haute qualité et nous n'avons pas obtenu d'éléments distordus car le pourcentage d'éléments distordus (Jacobien) vaut zéro.

II.5.2 Forces résultantes sur l'ossature de porte-plateaux

L'étude statique nous a fourni les forces et moments de réaction résultants qui agissent sur l'ossature de l'incubateur d'oeufs que voici :

II.5.2.1 Forces de réaction

Les forces de réaction le long des axes X, Y et Z sont les sommes des forces de réaction nodales individuelles sur les entités sélectionnées et sur le modèle entier. Le tableau II-3 donne le résultat final des résultantes des forces de réactions du système.

Tableau II-3:Résultantes des forces de réaction sur l'ossature de porte-plateaux

Ensemble de sélections	Unités	Somme X	Somme Y	Somme Z		Résultante	Modèle entier
N	-0.000221252	914.002	-27.6643	914.42

Nom

Contraintes

Figure II-10: Résultat final sur l'état du système pour les contraintes avec SolidWorks

Type

VON : contrainte de von Mises

0.000 N/mm² (MPa)

Noeud: 151665

Min

3 140,449 N/mm² (MPa)

noeud: 147311

Max

" 28 "

II.5.2.2 Moments de réaction

La somme des moments de réaction calculée au niveau des noeuds de contrainte individuelle est répertoriée par rapport au système de coordonnées global (axes X, Y et Z). Le tableau II-4 donne le résultat final des résultantes des moments de réactions du système.

Tableau II-4:Résultantes des moments de réaction sur l'ossature de porte-plateaux

Ensemble de sélections	Unités	Somme X	Somme Y	Somme Z		Résultante	Modèle entier
N.m	0	0	0	0

Comme nous pouvons le voir dans le tableau II-4, tous les moments de réaction sont nuls, ce qui veut dire que l'ossature de l'incubateur d'oeufs a une stabilité dimensionnelle.

II.5.3 Résultats de l'étude statique sur l'ossature de porte-plateaux

Sur la figure II-10, nous pouvons voir clairement que la contrainte maximale est largement inférieure aux modules d'élasticité des matériaux utilisés (le bleu partout) à l'exception des plateaux d'oeufs que nous considérons ici fragiles.

" 29 "

Les figures II-11 et figure II-12 nous donnent l'image sur la déformation transversale et longitudinale de notre système. Il est normal de constater une déformation au milieu de chaque plateau vu que nous avons pris une matière très fragile pour les représentés.

Nom

Déplacements

Figure II-11: Résultat final sur l'état du système pour les déplacements avec SolidWorks

URES : Déplacement résultant

Type

0, 000.10⁰mm Noeud: 147850

Min

2, 102^.10¹mm Noeud: 105470

Max

II.6 Le système de retournement d'oeufs

Comme il l'a été dit en introduction, nous nous sommes également proposés de faire le choix d'un moteur électrique pouvant entrainer les plateaux d'oeufs afin d'atteindre une inclinaison de 45 degré des parts et d'autres du plan horizontal. Nous avons déterminé le poids total développé par 600 oeufs répartis sur cinq plateaux y compris la structure des porte-plateaux. Nous avons obtenu un poids total de 633,4 N en raison de 429,68 N comme poids des oeufs de poule et 203,72 N pour l'ensemble de la structure plateaux plus porte-plateaux. Avec un bras de levier de 380mm (780mm/2) en se référant à la figure II-7, nous avons obtenu un couple résistant de 240Nm que le moteur devra vaincre pour entrainer le système. Vu que le

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retournement d'oeufs doit se faire avec précision, il nous est recommandé d'utiliser un moteur pas à pas qui sera commandé par le microcontrôleur afin d'obtenir un écartement de 45 degré dans le deux sens de rotation et à intervalle de temps régulier pendant 19 jours d'incubations.

Nom

Déformations

Figure II-12: Résultat final sur l'état du système pour les déformations avec SolidWorks

ESTRN : Déformation équivalente

Type

0, 000.10⁰ Elément: 71122

Min

4, 230.10^-2 Elément: 83544

Max

II.7 Conclusion

Le grief essentiel de ce chapitre était celui de faire une étude statique de l'ossature des porte-plateaux. Pour faire cette étude, nous nous sommes servis du modèle théorique de cette ossature que nous avons réalisé avec le logiciel SolidWorks. Nous avons placé toutes les contraintes agissant sur ce dernier ; le logiciel a résolu les différentes équations statiques et nous a fourni un rapport contenant toutes les données et résultat concernant cette étude après 3 heures de calcul avec un processeur Core i5. Grâce aux données obtenues dans le domaine des contraintes, déplacements et déformations, nous avons dimensionné le cadre de l'ossature en optant pour une forme tubulaire creuse afin de minimiser le poids et de gagner en robustesse.

" 31 "

CHAPITRE III : DIMENSIONNEMENT ELECTRIQUE ET ELECTRONIQUE DE L'INCUBATEUR D'OEUFS

III.1 Introduction

Dans ce chapitre il est question de concevoir et réaliser le circuit électronique de l'incubateur d'oeufs, donner brièvement quelques détails fonctionnels sur le schéma bloc qui résume ce circuit. Ensuite interpréter le code source, le programme du microcontrôleur qui rend fonctionnel le montage.

III.2 Cahier de charge de la partie électronique-électrique de l'incubateur

Dans cette partie nous définissons le problème que doit résoudre le dimensionnement électrique et électronique de l'incubateur d'oeufs. Nous définissons aussi l'objectif ainsi que le périmètre (limite) de ce dimensionnement.

III.2.1 Contexte et définition du problème de dimensionnement de la partie électrique-

électronique de l'incubateur d'oeufs

Pour mener à bien l'incubation et s'en passer de la présence humaine, nous devons rendre l'incubateur capable de réguler de soit la température, le taux d'humidité et de retourner automatiquement les oeufs. Il doit également être capable de fournir les informations relatives à l'incubation et afficher un message d'alerte en cas de toute baisse ou augmentation dangereuse de l'un de ces paramètres.

III.2.2 Objectif de dimensionnement électrique et électronique de l'incubateur d'oeufs

Nous devons concevoir et réaliser le circuit électronique qui régira l'intelligence de l'incubateur, écrire le code source du microcontrôleur qui rend fonctionnel le montage et s'assurer que l'alimentation fournira les tensions continus de 5V, 12V et alternatives de 12V , 220V nécessaires au bon fonctionnement des différents blocs du circuit électronique de l'incubateur (voir la figure III-1).

III.2.3 Périmètre d'étude du dimensionnement électrique et électronique de l'incubateur

d'oeufs

Ici, nous nous attèlerons plus sur le dimensionnement électronique, le seul aspect du dimensionnement électrique concernera le type de transformateur qui sera utilisé dans le circuit d'alimentation.

~ 32 ~

III.2.4 Description fonctionnelle des besoins pour la réalisation du circuit électronique

de l'incubateur d'oeufs

Nous aurons à utiliser une alimentation à découpage 220V AC! 12V DC délivrant un courant de 1A, un régulateur de tension 12V DC!5V DC, un transformateur abaisseur 220V AC! 12 AC, une pile de 9V, une nomenclature des résistances E12, deux diode de redressement 1N4007 (qui serviront d'anti-retour), cinq transistors de puissance 2N2222 (voir l'annexe M), un brumisateur, deux relais bipolaires de 12V DC, trois boutons poussoirs unipolaires, un buzzer de 12V DC (voir l'annexe N), une sonde de température, un capteur d'humidité, un écran LCD16×2.

III.3 Circuit électronique de l'incubateur d'oeufs

La figure III-1 donne le schéma bloc de l'incubateur avec moins de détails, il regroupe le bloc d'alimentation, du microcontrôleur, des interfaces de communication, de chauffage et humidification, de ventilation, capteur de température et d'humidité. Chaque bloc reçoit une tension d'alimentation adaptée aux composants électronique du bloc.

La figure III-4 illustre le schéma détaillé du circuit électronique de l'incubateur. On peut clairement y voir le microcontrôleur (1), le capteur de température (2), d'humidité (2), le circuit de chauffage comportant une lampe à incandescence (3), le moteur de retournement des plateaux d'oeufs (4), le brumisateur ou humidificateur (5) et le reste des composants électronique qui constitue le circuit de protection et de commande.

III.4 Fonctionnement du montage

Expliquer le fonctionnement du montage revient à expliquer le fonctionnement de chaque bloc fonctionnel du circuit. Ainsi il est plus pratique de commencer par l'alimentation qui fournit l'énergie nécessaire au fonctionnement du montage.

III.4.1 Alimentation

Dans le bloc « alimentation », nous retrouvons une alimentation à découpage (voir la figure III-2) qui fournit une tension continue de 12 volts pour alimenter les ventilateurs, les diodes électroluminescentes pour l'éclairage intérieur de l'incubateur et le système de brumisation (humidification). Pour avoir une tension continue de 5volts afin d'alimenter le microcontrôleur, l'afficheur LCD le capteur de température et d'humidité ; la tension de 12V passe à travers un régulateur de 5V. Le moteur utilisé pour le retournement est alimenté sous une tension alternative de 12V abaissée par un transformateur connecté au réseau électrique.

" 33 "

MICROCONTROLEUR

ALIMENTATION

INTERFACES DE
COMMUNICATION

VENTILATION ET ALARME

CHAUFFAGE ET HUMIDIFICATION

MECANISME DE RETOURNEMENT

CAPTEUR DE TEMPERATURE

CAPTEUR
D'HUMIDITE

Figure III-1:Schéma bloc du circuit électronique de l'incubateur

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Figure III-2: Alimentation à découpage utilisée pour alimenter le circuit électronique de l'incubateur d'oeufs (Alibaba, 2021)

III.4.2 Capteur d'humidité

Le capteur d'humidité que nous avons utilisé est le DHT11. Ce dernier comprend un complexe de capteurs de température et d'humidité avec une sortie de signal numérique étalonnée. En utilisant la technique exclusive d'acquisition de signal numérique et la technologie de détection de la température et de l'humidité, il garantit une grande fiabilité et une excellente stabilité à long terme. Ce capteur comprend un composant de mesure d'humidité de type résistif et un composant de mesure de température NTC, et se connecte à un microcontrôleur 8 bits haute performance, offrant une excellente qualité, une réponse rapide, une capacité antiparasitage et une rentabilité élevée.

Chaque élément DHT11 est strictement calibré en laboratoire, ce qui est extrêmement précis lors du calibrage de l'humidité. Les coefficients d'étalonnage sont stockés sous forme de programmes dans la mémoire OTP, qui sont utilisés par le processus de détection de signal interne du capteur. L'interface série mono fil rend l'intégration du système rapide et facile. Sa petite taille, sa faible consommation électrique et sa transmission des signaux jusqu'à 20 mètres en font le meilleur choix pour diverses applications, y compris les plus exigeantes. Le composant est un boîtier de broches à une rangée à 4 broches comme l'indique la figure III-3 (Cours Gratuit, s.d.).

Figure III-3:Capteur d'humidité DHT 11

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1

5

2

4

3

Figure III-4:Circuit électronique de l'incubateur d'oeuf

" 36 "

III.4.2.1 Processus de communication globale du capteur d'humidité

Lorsque le microcontrôleur envoie un signal de démarrage, le DHT11 bascule du mode de consommation basse en mode de fonctionnement en attendant que ce dernier achève le signal de démarrage. Une fois cette opération terminée, le DHT11 envoie un signal de réponse sous forme de données sur 40 bits incluant les informations relatives à l'humidité et à la température au microcontrôleur. Sans le signal de démarrage, le DHT11 ne donnera pas le signal de réponse au microcontrôleur. Une fois les données collectées, le DHT11 passe en mode de consommation réduite jusqu'à ce qu'il reçoive à nouveau un signal de démarrage. (Cours Gratuit, s.d.).

III.4.2.2 Le signal de démarrage du DHT

Lorsque la communication entre le microcontrôleur et le DHT11 commence, le programme définit le niveau de tension du bus unique de données de haut en bas et ce processus doit prendre au moins 18 ms pour assurer la détection du signal par le DHT11, puis le microcontrôleur augmentera la tension et attendra 40ìs pour la réponse du DHT (Cours Gratuit, s.d.).

III.4.2.3 Le signal de réponses du DHT

Une fois que le DHT a détecté le signal de démarrage, il envoie un signal de réponse de niveau de tension faible, d'une durée de 80ìs. Ensuite, le programme du DHT définit le niveau de tension du bus simple de données de bas à haut et le garde pendant 80ìs pour la préparation du DHT à l'envoi de données. Lorsque le DATA Single-Bus est au niveau de tension bas, cela signifie que le DHT envoie le signal de réponse. Une fois que le signal envoyé, ce dernier tire la tension et la conserve pendant 80ìs et se prépare à la transmission des données.

Lorsque le DHT envoie des données au microcontrôleur, chaque bit de données commence par le niveau de tension basse 50ìs et la longueur du signal de niveau de tension élevé suivant détermine si le bit de données est à "0" ou "1" comme le montre la figure III-5. Si le signal de réponse du DHT est toujours à un niveau de tension élevé, cela suggère que le DHT ne répond pas correctement. Lorsque le dernier bit de données est transmis, le DHT11 abaisse le niveau de tension et le maintien pendant 50ìs. Ensuite, la tension Single-Bus sera augmentée par la résistance pour la ramener à l'état libre (Cours Gratuit, s.d.).

" 37 "

Figure III-5: Signaux de commande du DHT 11

III.4.3 Le capteur de température

Pour notre expérimentation nous avons utilisé une thermistance. Ce dernier un est capteur de température analogique et nécessite des lignes de commande appropriées que nous avons écrites dans le programme pour avoir des résultats assez précis. Nous avons fait recourt à l'équation de Steinhart-Hart qui est devenue la méthode généralement acceptée pour indiquer la relation entre la résistance et la température. L'équation de Steinhart-Hart pour exprimer la température en fonction de la résistance est la suivante :

1

??

= ?? + ??[ ????(??)] + ??[????(??)]³ Équation III-1

Où :

A, B et C sont des constantes dérivées de trois points de test de température, R = Résistance des thermistances en Ù,

T = Température en Kelvin K (°C + 273,15).

Pour déterminer la résistance de la thermistance à un point de température spécifique, l'équation suivante est utilisée :

1 1

?? = ??[??-(?? ₂) 3]-{[??+(^??

2 ) 3]} Équation III-2

Où :

[?? - (1 ??)]

?? = { ?? }

?? = v{[( ?? 3??)3 + (??2 4 )}

" 38 "

Les constantes A, B et C pour les thermistances proposées sont indiquées dans le tableau III-1. À l'aide de ces constantes et des équations III-1 et III-2, nous pouvons déterminer la température de la thermistance en fonction de sa résistance, ou déterminer la résistance des thermistances à une température en particulier.

Tableau III-1: Constantes de Steinhart-Hart

Thermistance	Résistance à 25 °C	Constante A	Constante B		Constante C	2252
2 252 Ù	1,4705x10^-3	2,3780x10^-4	1,0389x10^-7		3K
3 000 Ù	1,4052x10^-3	2,3692x10^-4	1,0125x10^-7		5K
5 000 Ù	1,2870x10^-3	2,3585x10^-4	9,4346x10^-8		10K
10 000 Ù	1,1275x10^-3	2,3441x10^-4	8,6482x10^-8

III.4.3.1 Le capteur de température numérique

Pour plus de facilité, il nous est recommandé d'utiliser le DS18B20 qui est un capteur de température numérique. Ce dernier permet la mesure de la température sur la plage de -55°C à +125°C et son équivalente fahrenheit -67°F à +257°F est avec un pas de 0,5°C (#177;0,5°C), avec une tension d'alimentation comprise entre 3,0V et 5,5V. Le capteur de température DS1820 s'appuie sur le protocole One-wire pour communiquer avec le microcontrôleur et transmettre sa mesure. Comme son nom l'indique, un seul fil est nécessaire même si plusieurs périphériques sont utilisés (IDD, 2016). Un bus 1-Wire est composé classiquement des trois fils : un fil de masse, un fil d'alimentation (5 volts) et un fil de données comme on peut le voir sur la figure III-6.

Figure III-6: Capteur DS18B20 en format "sonde" étanche (skywodd, 2017)

~ 39 ~

III.4.3.2 Opération de mesure de la température

La fonctionnalité de base du DS18B20 est son capteur de température « direct-to-digital ». La résolution du capteur de température est de 9, 10, 11 ou 12 bits configurable par l'utilisateur, ce qui correspond respectivement à des incréments de 0,5 ° C ; 0,25 ° C ; 0,125 ° C, et de 0,0625 ° C ; la résolution par défaut au démarrage est de 12 bits. Pour lancer une mesure de la température, le microcontrôleur doit émettre un signal de commande de conversion T [44 h]. Après la conversion, les données thermiques résultant (du capteur) sont stockées dans le registre de température de 2 octets dans la mémoire cratchpad (de bloc-notes) puis le DS18B20 revient à son état de repos (Thibodeau, 2018).

Si le DS18B20 est alimenté par une alimentation externe, le microcontrôleur peut émettre "lire créneaux horaires" (voir la section Système Bus 1-Wire) après la commande de conversion T le DS18B20 répondra en transmettant 0 tandis que la conversion de la température est en cours et 1 lorsque la conversion est effectuée. Les données de température de sortie du DS18B20 sont étalonnées en degrés Celsius ; pour les applications Fahrenheit, une table de consultation ou de routine de conversion doit être utilisée (Thibodeau, 2018).

Les données de température sont stockées sous forme de16-bit de signe étendu à deux compléments du registre de température comme indiqué à la figure III-7. Les bits de signe (S) indiquent si la température est positive ou négative : pour les nombres positifs S = 0 et pour les nombres négatifs S = 1. Le DS18B20 est configuré pour une résolution de 12 bits, tous les bits dans le registre de température contiennent des données valides. Pour une résolution de 11 bits, le bit 0 est indéfini. Pour une résolution de 10 bits, les bits 1 et 0 sont indéfinis, et 9 bits de résolution les bits 2, 1, et 0 sont indéfinis. Le tableau III-2 donne des exemples de données de sortie numériques et la lecture de température correspondant pour les conversions de résolution de 12 bits (Thibodeau, 2018).

Figure III-7: Format d'enregistrement de la température

~ 40 ~

Le tableau III-2 donne les différents codes binaires et hexadécimaux correspondant à quelques températures.

Tableau III-2: Encodage de la température

III.4.4 Interface de communication

L'interface de communication est constituée d'un clavier organisé autour de trois boutons poussoirs et d'un écran LDC. Le clavier permet d'introduire les données relatives à l'incubation comme le nombre des jours et la plage de température. Le plus complexe est l'écran LCD qui nécessite des instructions appropriées pour afficher la valeur de la température, du taux d'humidité, le nombre des jours et quelques messages d'alarmes. Pour la réalisation, nous avons utilisé un écran LCD 16×2.

III.4.4.1 Présentation de l'écran LCD 16×2

Les afficheurs à cristaux liquides utilisent la propriété de modulation de lumière des cristaux liquides. Les écrans à cristaux liquides sont composés de deux couches de polariseurs, avec des directions de polarisation perpendiculaire, prenant en sandwich deux plaques de verres entre lesquelles sont placés les cristaux liquides. Sur les plaques de verre se trouve une matrice d'électrodes pour chaque pixel. Une tension appliquée entre les électrodes d'un pixel entraine un changement d'orientation des molécules et donc la transparence du pixel qui peut alors laisser, ou non, passer la lumière du rétroéclairage comme on peut le voir sur la figure III-8 (AranaCorp, 2021).

" 41 "

Figure III-8: Ecran LCD 16×2

L'écran LCD 16×2 présente 16 broches pour permettre la gestion de l'affichage et du contraste :

· VSS relié à la masse de l'écran ;

· VDD broche d'alimentation typiquement connectée à la broche 5V de l'Arduino ;

· V0 broche de contraste connectée à une sortie PWM ou à un potentiomètre.

· RS (Register Select) permet de sélectionner la zone mémoire ;

· RW (Read or Write) est toujours connecté à la masse ;

· E (Enable) active ou non l'affichage ;

· D0 mode 8bits, 4 bits de poids fort de la communication I2C ;

· D1 mode 8bits, 4 bits de poids fort de la communication I2C ;

· D2 mode 8bits, 4 bits de poids fort de la communication I2C ;

· D3 mode 8bits, 4 bits de poids fort de la communication I2C ;

· D4 4 bits de poids faible de la communication I2C ;

· D5 4 bits de poids faible de la communication I2C ;

· D6 4 bits de poids faible de la communication I2C ;

· D7 4 bits de poids faible de la communication I2C ;

· A anode, borne + de la LED de rétroéclairage et

· K cathode, borne - de la LED de rétroéclairage.

III.4.4.2 La transmission de données

Sur le schéma de la figure III-9 les deux "modules" ST7066U et ST7065C sont des puces électroniques utilisées en particulier pour piloter des matrices d'afficheurs LCD et capables de piloter 40 segments respectivement. Comme un MAX7219 avec une matrice à LED 8X8 (PlaisirArduino, 2021).

" 42 "

Figure III-9: Schéma de transmission des données d'un afficheur LCD

En fait, les pilotes reçoivent les données, les interprètent et affichent les caractères voulus aux positions souhaitées. Mais pour cela, il faut leur transmettre des données. D'ailleurs, les deux logigrammes de transmission de données aux figure III-10 et figure III-11, l'un Writing data pour la réception de données et l'autre Reading data pour la transmission de données. Cependant, la seule chose qui diffère entre ces deux diagrammes, c'est l'état à la broche "RW" en rouge (PlaisirArduino, 2021).

Figure III-10: Diagramme de réception de données d'un afficheur LCD.

" 43 "

Ainsi, on comprend qu'en fonction de l'état "Haut" ou "Bas" à la broche "RW", le pilote de la matrice ST7066U est en mode de réception ou émission de données. Il n'y aura pas d'émission de données, la broche R/W sera donc par défaut à l'état bas "LOW" et par conséquent branché au 0V (PlaisirArduino, 2021).

Figure III-11: Diagramme d'émission de données d'un afficheur LCD.

III.4.4.3 Les fonctions de la bibliothèque

Des programmeurs ont créé des méthodes qui nous permettent d'exploiter l'afficheur. D'ailleurs, par simplicité et plus de flexibilité, ils les ont installés dans une bibliothèque appelée <LiquidCristal.h>. Ci-dessous un tableau des méthodes de <LiquidCristal.h>.

Tableau III-3: Méthodes de <LiquidCristal.h>

Nom de fonction		Rôles	void clear ( );
Efface l'afficheur.		void home ( );
Retourne le curseur au point d'origine (0,0)		void noDisplay ( );
Désactive l'affichage.		void display ( );
Active l'affichage.		void noBlink ( );
Désactive le clignotement du curseur.		void blink ( );
Active le clignotement du curseur.		void noCursor ( );
Désactive le curseur.		void cursor ( );
Active le curseur.

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void scrollDisplayLeft		Décale l'affichage vers la gauche.	void scrollDisplayRight ( );
Décale l'affichage vers la droite.		void leftToRight ( );
Déplace le curseur vers la droite à l'affichage d'une donnée.		void rightToLeft ( );
Déplace le curseur vers la gauche à l'affichage d'une donnée.		void autoscroll ( );
Active le défilement automatique de l'affichage vers la gauche.		void noAutoscroll ( );
Désactive le défilement automatique de l'affichage vers la gauche.		void createChar (uint8_t, uint8_t[ ]);
Permet l'appel de caractères ou symboles pré- construit dans un tableau.		void setCursor (uint8_t, uint8_t);
Place le curseur à la position souhaitée.		LiquidCrystal lcd (rs, en, d4, d5, d6, d7)
Pour définir la communication i2c 4bits.		lcd.begin (16, 2);
Affiche le texte sur les deux lignes.		lcd.print ( );
Pour afficher une chaine de caractères en ASCII.		lcd.write ( );
Pour afficher des données, un octet à la fois.		lcd.setCursor (x, y);
Pour placer le curseur (colonne x: 0-16, ligne y:0-2).		lcd.clear ( );
Effacer ce qui est affiché à l'écran.

III.4.5 Le chauffage et l'humidification

Pour le chauffage, nous avons utilisé des lampes à incandescences, ces lampes sont alimentées à la tension du réseau 220V lors de la réalisation. Ces dernières transforment 95% de l'énergie qu'elles reçoivent en chaleur et ne transforme que 5% en lumière. On peut aussi utiliser des résistances chauffantes comme source de chaleur et les placées de manière à avoir une répartition harmonieuse de la chaleur. Dès que la température dans l'incubateur est inférieure à la consigne fixée, le microcontrôleur envoie une impulsion au circuit de commande des lampes qui seront alimentées. Lorsque la température dépasse le seuil de 38 degré centigrade, le microcontrôleur cesse de fournir le signal de commande.

" 45 "

Le contrôle de l'humidité s'effectue pratiquement de la même façon que la température mais sauf que cette fois ci dès que l'humidité est inférieure à 50%, le microcontrôleur fournit un signal pour la commande du brumisateur qui humidifie l'air chaud de l'incubateur jusqu'à 70% et s'arrête. Pour redémarrer à nouveau quand l'humidité sera inférieure au seuil bas.

III.4.6 La ventilation

Le système de ventilation est constitué de deux ventilateurs. Le premier aspire l'air de l'extérieur vers l'intérieur de l'incubateur et le second refoule l'air chaud de l'antichambre vers l'intérieur de l'incubateur. Ainsi, l'air est renouvelé et se débarrasse du dioxyde de carbone.

III.4.7 Le système de retournement

Le système de retournement est constitué d'un moteur pas à pas ayant un couple supérieur à 240,691Nm et son circuit de commande. Vu que le retournement doit être effectué trois fois le jour, le microcontrôleur fournit toutes les huit heures pendant 19 jours les impulsions de commande du moteur, et en changeant chaque fois le précèdent sens de rotation. Le nombre d'impulsions fournit par le microcontrôleur permettra d'atteindre un écartement angulaire de 45 degrés par rapport au plan horizontal.

III.4.8 Microcontrôleur

Le microcontrôleur de la carte Arduino UNO que nous avons utilisé est un ATMega328. C'est un microcontrôleur ATMEL de la famille AVR 8bits. Les principales caractéristiques sont

:

· FLASH = mémoire programme de 32Ko

· SRAM = données (volatiles) 2Ko

· EEPROM = données (non volatiles) 1Ko, (Cottenceau, 2017).

Nous avons écrit un programme qui figure à l'annexe B qui contient toutes les instructions nécessaires en rapport avec l'incubation des oeufs de poules qui permettrons au microcontrôleur de donner les impulsions nécessaires pour la commande du circuit de chauffage, ventilation, d'humidification, de retournement d'oeuf, de contrôle de température et d'humidité.

Au moment de l'allumage, le microcontrôleur est réinitialisé et envoie des instructions à l'écran LCD qui affiche le nom du propriétaire et d'autres écrits devant être affichés qui figurent dans le code source. Après quelques secondes, les impulsions de commande sont

" 46 "

fournies au circuit de commande du moteur, le premier retournement s'effectue puis l'écran affichage la valeur de la température, du taux d'humidité, l'horloge d'incubation ainsi que quelques messages d'alarme lorsque la température et l'humidité sont en dehors des consignes fixées. Après sept jours, l'écran affiche un message de mirage et le vingtième jour est prévu pour l'éclosion. Voilà brièvement en quoi se résument les 234 lignes d'instructions contenues dans le code source (voir annexe B).

III.5 Conclusion

Dans ce chapitre nous avons conçu et réalisé le circuit électronique de l'incubateur. Nous avons dimensionné les différents blocs de ce circuit en donnant quelques spécifications sur leurs caractéristiques électriques. En se référant au schéma bloc qui comprend l'alimentation, le microcontrôleur, le capteur de température, d'humidité, l'interface de communication, le mécanisme de retournement, le système de chauffage, ventilation et d'humidification ; nous avons donné quelques explications fonctionnelles. Nous avons considéré que l'incubateur est alimenté par le réseau électrique 220V/50Hz qui constitue sa seule source d'énergie.

" 47 "

CHAPITRE IV : DIMENSIONNEMENT THERMIQUE DE L'INCUBATEUR D'OEUFS

IV.1 Introduction

Dans ce chapitre, il est premièrement question de différentes formes de stockage de l'énergie thermique. Une comparaison de ces types de stockage permettra de mieux choisir le matériau calorifère approprié pour l'incubateur. Nous devrons par la suite modéliser le système thermique afin de déterminer la puissance de chauffage nécessaire ainsi que l'autonomie thermique de l'incubateur.

IV.2 Stockage thermique

Le stockage de l'énergie thermique permet à la chaleur d'être utilisée en différé. La chaleur peut être stockée sous plusieurs formes :

· La chaleur sensible : stockage dans des matériaux inertes.

· La chaleur latente : utilisation de matériaux à changement de phase qui emmagasinent l'énergie à mesure qu'ils changent de phase.

· La chaleur des réactions : thermochimie et absorption (Soupart, 2015).

IV.2.1 Stockage sensible

Le stockage sensible est le moyen le plus commun de réutiliser la chaleur. Dans les enceintes de stockage sensible, la température du moyen de stockage augmente avec la chaleur transférée. Ce stockage, non isotherme accumule une quantité de chaleur proportionnelle à sa masse et à sa capacité calorifique telle que présentée dans l'équation suivante :

Esensibte = m X ?? X LT Équation IV-1

Dans ces types de stockage, le matériau de stockage se présente soit sous forme liquide, soit sous forme solide, soit les deux. Le solide le plus utilisé est le béton de par son faible coût, sa facilité d'usage et sa disponibilité, ses propriétés de résistance mécanique mais surtout sa capacité calorifique élevée. D'autres matériaux peuvent être considérés comme les roches, le sable ou encore les matériaux réfractaires comme la silice ou l'alumine (E. Oro, 2012).

IV.2.2 Stockage latent

Le stockage de la chaleur latente implique de chauffer un matériau jusqu'à ce qu'il change de phase, c'est-à-dire soit de la phase solide à la phase liquide, soit de la phase liquide à la phase gaz ou encore lors de sa transition solide-solide. Lorsque le matériau atteint sa

~ 48 ~

température de changement de phase, il absorbe une quantité de chaleur pour réaliser la transformation, connue sous le nom de chaleur latente de fusion ou de vaporisation selon le cas. A l'inverse, lorsque le matériau liquide ou gaz est refroidi, il retourne à la phase solide ou liquide en restituant sa chaleur latente (Soupart, 2015). La quantité de chaleur stockée et restituée dépend de la masse du matériau et selon l'équation ci-dessous :

?????????????? = ? × ?h??-?? ???? ??-?? Équation IV-2

La quantité de chaleur stockée dans un système latent est présentée sur le graphe température - énergie de la figure IV-1 :

Sensible

Température

TFusion

Latent

Energie stockée

Figure IV-1:Graphe de la température-enthalpie présentant l'énergie stockée dans un système de stockage latent en comparaison avec un système de stockage sensible (L.F.Cabeza, 2008) Lorsque le matériau est chauffé, il accumule d'abord une quantité d'énergie sensible lui permettant d'atteindre la température de changement de phase. A ce stade, l'énergie apportée au matériau cesse de le chauffer et est utilisée à la place pour accomplir le changement de phase. La chaleur est stockée de façon isotherme à condition que le corps soit pur sous forme de chaleur latente. Une fois que la transformation est complète, la température augmente de nouveau proportionnellement à l'énergie apportée jusqu'à atteindre la température de la source de chaleur. Il est donc impossible de ne stocker que la chaleur latente puisque pour arriver au point de changement de phase, le matériau doit subir une montée en température, stockant inévitablement une part d'énergie sensible (Soupart, 2015). La quantité d'énergie stockée peut être exprimée pour le cas de la transition solide-liquide selon l'équation ci-dessous :

?? = ? ??????,?????? + ???h??-?? + ? ??????,??????

?????????????? ???????????? Équation IV-3

???????????????? ??????????????

~ 49 ~

Les matériaux utilisés pour le stockage thermique latent sont connus sous le nom de Matériaux à Changement de Phase (MCP). Les MCP peuvent être employés pour leur transition solide-solide, solide-liquide ou liquide-gaz. Cependant, peu de matériaux ont été identifiés pour la transition solide-solide, parfois car la chaleur latente de transition solide-solide est trop faible devant celle de la transition solide-liquide, ou parfois car le matériau n'est pas stable thermiquement. Les transformations liquide-gaz sont attractives car elles présentent la plus grande chaleur latente. Néanmoins, l'énorme changement de volume associé à l'évaporation du liquide rend le stockage complexe et souvent inutilisable. C'est pourquoi cette transition est écartée des systèmes de stockage latent. Bien que la chaleur latente de fusion soit plus faible que la chaleur latente d'évaporation, la transition solide-liquide est la plus prometteuse puisqu'elle permet de limiter l'expansion volumique et ainsi l'augmentation de pression due au changement de phase (L.F.Cabeza, 2008).

IV.2.3 Stockage thermochimique

La troisième façon de stocker l'énergie thermique consiste en l'utilisation de l'énergie endothermique des réactions chimiques réversibles. La chaleur de réaction qui est stockée est souvent associée à la dissociation des réactifs chimiques en deux composants. Tout ou une partie de cette chaleur peut être récupérée plus tard lorsque la réaction de synthèse a lieu (Soupart, 2015).

IV.3 Comparaison des systèmes de stockage

Tous les systèmes de stockage sont utilisés selon trois étapes majeures : la charge, le stockage et la décharge. Un grand nombre de moyens de stockage peuvent être identifiés selon leurs propriétés, leur température d'utilisation, le type de stockage souhaité et le domaine d'application envisagé. Par exemple, les systèmes latents et sensibles seront plutôt utilisés comme stockage tampon pour lisser la production ou différer l'utilisation de l'énergie. Alors que les stockages thermochimiques seront plus adaptés à un stockage de long terme ou inter-saisonnier (L.F.Cabeza, 2008). Dans le cadre de ce travail, c'est le stockage de la chaleur produite dans un incubateur d'oeufs pour suppléer les déficits qui a été retenu. L'échelle de temps est donc plutôt celle de la journée et non de la saison. Par ailleurs, de par sa grande densité énergétique, le stockage thermochimique est prometteur mais n'est pour l'instant envisagé qu'à l'échelle de laboratoire étant donné la complexité de mise en oeuvre.

" 50 "

Ainsi, en raison du faible degré de maturité technologique et des échelles de temps qui sont plutôt propices au stockage inter-saisonnier, le stockage thermochimique n'est pas retenu comme solution de stockage de la chaleur produite dans un incubateur d'oeufs.

D'un point de vue économique, l'évaluation nécessite de prendre en compte les coûts d'investissement mais aussi d'exploitation, de maintenance et de recyclage. Ces coûts varient souvent en fonction du volume de stockage. La densité énergétique, c'est-à-dire la quantité d'énergie stockable par unité de volume, est ainsi un critère primordial. Pour le stockage sensible la densité énergétique varie souvent entre 52 et 76 kWh/m³. Cependant, leur coût très élevé limite leur développement et leur rentabilité. Pour le stockage latent, la densité énergétique varie entre 72 et 137 kWh/m³. Les volumes de stockage peuvent ainsi être réduits en utilisant les MCP ce qui implique une réduction des coûts et constitue un premier avantage en comparaison avec le stockage sensible. Un autre avantage réside dans la restitution de la chaleur à température constante. En effet, la quantité d'énergie stockée et restituée dépend uniquement de la masse du matériau et de sa chaleur latente. En toute théorie, avec les MCP, la chaleur est restituée à la température de fusion du matériau (Soupart, 2015).

Ainsi, on retiendra que le stockage dans les MCP fait son émergence à l'échelle du démonstrateur et présente les avantages de réduire le volume de stockage ainsi que les coûts. De plus, la restitution de la chaleur à iso-température permet de simplifier son utilisation sur l'incubateur. Pour toutes ces raisons, c'est ce système de stockage qui est sélectionné dans le cadre de notre travail.

IV.4 Les Matériaux à Changement de Phase

IV.4.1 Critère de sélection d'un bon MCP

La sélection d'un MCP nécessite une réflexion et une analyse autour de la densité de stockage souhaitée, des puissances de charge et de décharge mais aussi des critères économiques et environnementaux sont à entreprendre pour sélectionner le meilleur MCP. Plusieurs méthodes ont été proposées par différents auteurs afin de choisir au mieux un matériau pour une application spécifique (A. Gil, 2013). Les propriétés thermo-physiques, propriétés cinétiques et chimiques, propriétés économiques et propriétés mécaniques sont considérées comme critères de sélection.

" 51 "

IV.4.2 Types de MCP

En 1983, Abhat a donné une classification générale des matériaux, utilisée depuis par la communauté scientifique du stockage latent. Cette classification est illustrée sur la figure ci-dessous.

Figure IV-2: Classification des MCP proposée par (Abhat, 1983)

On peut classer les MCP selon trois catégories :

· Les composés organiques : paraffines, corps non- paraffiniques.

· Les composés inorganiques : hydrates de sels, sels et métaux.

· Les eutectiques de corps inorganiques et/ou organiques.

Les différents sous-groupes de MCP présentent des propriétés thermiques et chimiques très différentes qui affectent significativement la conception du système de stockage thermique pour une application donnée.

IV.4.2.1 Les composés organiques

On trouve dans les composés organiques principalement les paraffines, les alcools de sucre, les acides gras et d'autres composés moins utilisés comme les cétones ou les esters.

Cette plage de température est largement supérieure à notre spectre d'application. Un des inconvénients les plus connus des alcools de sucre est leur tendance à la surfusion, qui peut

~ 52 ~

IV.4.2.1.1 Paraffines

Les paraffines sont une famille d'hydrocarbures saturés de formule brute CnH2n+2, aux propriétés très similaires. Parmi les MCP solide-liquide, elles sont les plus utilisées, surtout pour les applications à basse température (de -10 à 100 °C) car elles offrent l'avantage d'avoir une chaleur latente qui dépend de la masse molaire et des températures de changement de phase variables, donnant de la flexibilité pour choisir le MCP approprié à chaque application. Dans cette catégorie, on peut citer notamment les paraffines n- EICOSANE (Tfusion = 37 °C) (N. S. Y. U. K. Himran, 1994).

Avantages

Parmi les avantages des paraffines, on peut aussi citer la faible pression de vapeur saturante qui limite les risques de vaporisation. De plus, certaines sont considérées comme non toxiques, inoffensives écologiquement et compatibles avec les réservoirs métalliques car elles ne provoquent pas ou peu de corrosion. Enfin, elles sont produites en quantités importantes par l'industrie des procédés chimiques et sont donc facilement disponibles et peu coûteuses (Alkan, 2006).

Inconvénients

Cependant, leur conductivité thermique reste très faible ( 0,25 W/m.K) et elles présentent une expansion volumique assez élevée ( 15 %) et une densité peu importante. ( 800 kg/m³). Par ailleurs, des précautions sont à prendre lors de l'utilisation des réservoirs en plastique, car les paraffines ont tendance à s'infiltrer dans certains plastiques et à les ramollir (Hasnain, 1998).

On notera que la gamme de température des paraffines (-10 à 150 °C) couvre le spectre de l'application sur le stockage de la chaleur produite par l'incubateur.

IV.4.2.1.2 Acides gras

Les acides gras sont caractérisés par la formule chimique CH3(CH2)2_nCOOH et ont à peu près les mêmes propriétés thermo-physiques que les paraffines. L'intérêt d'utiliser les acides gras comme MCP est de couvrir une gamme de température allant de 40 à 150 °C selon la longueur de la chaîne carbonée (Y. Yuan, 2014).

Les sels, les métaux et les eutectiques ont des températures de fusion élevées et ne conviennent pour notre spectre d'application.

~ 53 ~

d'ailleurs être utilisée pour faire du stockage inter-saisonnier car elle permet de maintenir le MCP liquide sous le point de solidification sans qu'il libère ainsi sa chaleur (SAMSSA, 2015)

IV.4.2.2 Les composés inorganiques

Les matériaux inorganiques sont classés en trois catégories : les sels, les hydrates de sels et les métaux.

IV.4.2.2.1 Hydrates de sels

Les hydrates de sel sont des sels inorganiques qui contiennent de l'eau et dont la formule générale est AB.nH2O. Pendant la charge, la déshydratation du sel a lieu. Le produit de cette déshydratation peut être un hydrate de sel avec moins molécules d'eau selon la formule : AB. nH2O ? AB. mH2O + (n - m)H2O

Ou bien le même sel sous sa forme anhydre :

AB. nH2O ? AB + nH2O

Le sel hydraté le plus utilisé par son faible coût est le CaCl2.6H2O (TFusion = 28 à 30 °C). Avantages

Les hydrates de sel sont appropriés pour leur utilisation dans le stockage thermique parce qu'ils présentent une grande chaleur latente ( 100-300 kJ/kg), une température de fusion adaptée aux applications à basse température ( 8-100 °C) et sont largement compétitifs en termes de coût et de rentabilité. Ils sont en effet déjà commercialisés pour servir comme matériaux de stockage et disponibles en gros volume. Par ailleurs, ils présentent une conductivité thermique plus élevée que les paraffines environ 0,5 W/m.K (M. M. Farid, 2004).

Inconvénients

Le principal problème qui se pose lors de l'utilisation des hydrates de sels est leur fusion non congruente, ce qui veut dire que le sel n'est pas totalement soluble dans l'eau d'hydratation au niveau du point de fusion. Certains hydrates de sel peuvent montrer des problèmes de corrosion des structures métalliques des systèmes de stockage (A. A. El-Sebaii, 2011).

~ 54 ~

Nous retenons que les MCP organiques paraffinés présentent des multiples avantages et surtout que la plage de température de fusion de ces derniers convient pour l'incubateur. Le tableau ci-dessous présente les propriétés thermiques de paraffines couramment utilisées.

Tableau IV-1: Propriétés de différentes paraffines tirées de (KOOENY, 2015)

NOM	FORMULE CHIMIQUE	TEMPÉRATURE DE FUSION (°C)	CHALEUR LATENTE DE FUSION (J/G)	MASSE MOLÉCULAIRE (G/MOL)
N-TETRADECANE	C14H3	6	228	198.39
N-PENTADECANE	C15H32	10	205	212.42
N-HEXADECANE	C16H34	18	237	226.44
N-HEPTADECANE	C17H36	22	213	240.47
N-OCTADECANE	C18H38	28	244	254.5
N-NONADECANE	C19H40	32	222	268.53
N-EICOSANE	C20H42	37	246	282.55
N-HENICOSANE	C21H44	40.5	200	296.58
N-DOCOSANE	C22H46	44.5	249	310.61
N-TRICOSANE	C23H48	47.5	232	324.63
N-TETRACOSANE	C24H50	52	255	338.66
N-PENTACOSANE	C25H52	54	238	352.69
N-HEXACOSANE	C26H54	56.5	256	366.71

Dans le cadre de la conception de l'incubateur, il est primordial de s'intéresser aux mélanges avec une température de fusion proche de 37 °C. Dans cette optique, plusieurs produits commerciaux existent, nous avons recensé des panneaux à base de bois et contenant des matériaux à changement. Par exemple, les panneaux commerciaux Energain(c) qui présentent une chaleur latente de 77 J/g (Achard, 2011) comme on peut le voir à la figure IV.4.-2. Nous avons également trouvé le CrodaTherm 37 ayant une chaleur latente de 216 KJ/Kg ; c'est un matériau biologique à changement de phase fabriqué par l'entreprise internationale CRODA. L'utilisation des MCP CrodaTherm présente plusieurs avantages par rapport aux technologies actuellement disponibles, telles que les paraffiniques ou les hydrates de sels métalliques inorganiques parce qu'ils proviennent de matériaux renouvelables, ont des hautes capacités de chaleur latente, une stabilité à long terme éprouvée grâce à des tests en laboratoire,

~ 55 ~

une inflammabilité plus faible que les alternatives paraffiniques et sont biodégradable. En plus leur prix est encore plus abordable, 17 Kg net de CrodaTherm 37 reviennent à R226.07 soit 15.46$.

Figure IV-3: Panneau en bois contenant du MCP

Chaque panneau DuPont^TM Energain® mesure 1,0 m x 1,2 m et pèse 5,4 kg. Dans le cadre du dimensionnement thermique, nous utilisons les propriétés thermiques du CrodaTherm 17 grâce à ses multiples avantages.

IV.5 Les différents échanges thermiques

IV.5.1 Echange de chaleur par Conduction

Il s'agit d'un mode de transfert de chaleur au niveau macroscopique d'un même matériau ou entre plusieurs matériaux accolés sans déplacement de matière. Ce mode de transfert se passe spontanément de la surface à la température la plus élevée vers la surface à température la moins élevée (Herizo, 2015).

La densité de flux de chaleur est proportionnelle au gradient de température et régit par la loi de Fourier :

??? = -A.????????

(T) Équation IV-4

??????????

Tels que : A est la conductivité thermique en watt par mètre-Kelvin et T la température en fonction de l'épaisseur du matériau, mesuré en Kelvin.

Dans cette étude, toutes les surfaces des matériaux sont planes. Le flux à travers une surface est donné par le théorème de Gauss :

?? = ? ?? ??? ?? ? ???? Équation IV-5

~ 56 ~

Avec :

= ??× 1 × cos 0

?

?

??

.n

Or ??? et n? sont de même direction et de même sens.

Et on a : ?? = 0,

= ??× 1 × cos 0

?

?

??

.n

?

.n = ??

?

??

D'où : ??= ??.S

L'équation IV.5-1 donne : ?? = -A ????

????

En remplaçant ?? par son expression :

??= -A . S = A. S (??1-??2) Équation IV-6

????

????

La résistance qui caractérise le ralentissement du transfert de chaleur par conduction est tirée

de l'équation IV.5-3.

??

Nous avons : R =

??.??

Telles que :

R : La résistance thermique par conduction du matériau d'épaisseur ?? en mètre (m), de

conductivité A en watt par mètre-Kelvin (W/m. K) et de surface S en mètre carré (m²).

??1-??2 : La différence de température entre deux surfaces en Kelvin (K)

?? : Le flux de chaleur en Watts (W)

IV.5.2 Echange de chaleur par Convection

La convection est un mode de transfert de chaleur entre un solide et un fluide (ex : le

contreplaqué et l'air dans le cas de la couveuse). Lorsque le mouvement du fluide est provoqué

naturellement ou par la différence de températures de la région, il s'agit d'une convection

naturelle ou convection libre. Par contre, si le mouvement du fluide est sous l'effet direct des

forces extérieures, il s'agit d'une convection forcée (Herizo, 2015).

Ce mécanisme de transfert est donné par la loi de Newton :

~ 57 ~

4)= h_c x S x (T₁ - T₂) Équation IV-7

Avec :

4): flux de chaleur en watt (W),

hc : le coefficient de transfert thermique en W
· m^-2. K^-1,

T1: température du fluide loin de la surface en Kelvin,

T2: température de la surface du matériau.

Et la résistance thermique par convection R est donné par :

1 R= hc.S

Équation IV-8

IV.5.3 Echange de chaleur par rayonnement

C'est un transfert d'énergie électromagnétique entre deux surfaces séparées par le vide ou par l'air (exemple: rayonnement entre les contre-plaqués).

La puissance rayonnée par un corps est exprimée par la loi de Stefan-Boltzmann:

4)= ax ex Sx (T₁⁴ - T₂⁴) Équation IV-9

Avec :

o : Constante de Stefan-Boltzmann (5,6703. 10^-8 W. m^-2. K^-4),

E: Émissivité tel que, égale à 1 pour un corps noir et comprise entre 0 et 1 selon l'état de surface du matériau,

S: Superficie du corps (m²),

T: Température de la surface du corps (K).

L'équation IV.5-6 peut s'écrire :

4)= ax ex Sx (T₁² + T₂²)(T₁ + T₂)(T₁ - T₂)

(T₁ - T₂)

4) =

1

ax ex Sx (T₁² + T₂²)(T1 + T2)

De la relation ci-dessous, l'expression de la résistance par rayonnement est égale à :

" 58 "

1

R = 2 Équation IV-10

QxExS(T₁ +T₂²)(T1+T2)

IV.5.4 Inertie thermique

Les matériaux sont capables de stocker et de dégager de l'énergie sous forme de chaleur par inertie thermique. Sa valeur dépend de la caractéristique du matériau.

Le flux thermique emmagasiné par inertie d'un matériau se traduit par :

0 = C. dt Équation IV-11

Avec :

T : la température du matériau (K),

C: la capacité d'inertie du matériau (Wh. K^-1),

Pour un matériau homogène et isotrope : C = p x e x S x C_p

Telles que :

p: masse volumique,

e: épaisseur,

S: surface du matériau,

Cp: chaleur spécifique du matériau (Wh. Kg^-1. K^-1).

IV.6 Echange thermique pour la couveuse

Dans cette étude, les sources de chaleur sont posées à l'intérieur de l'incubateur dans une antichambre réchauffant l'air brasé par un ventilateur. La puissance dégagée par les lampes, sous forme de flux de chaleur, chauffe l'air intérieur puis ce dernier s'infiltre dans la chambre de dessous (cage) où se trouve l'emplacement des oeufs et fait un phénomène de convection à la surface du contre -plaqué (tôle d'aluminium). Ce phénomène est dû à la différence de températures entre l'air intérieur et la tôle. Il y a aussi un échange de chaleur par rayonnement entre les faces en contre-plaqués qui constituent la cage. Chaque face est constituée de couches de matières à savoir une mince tôle d'aluminium, une première couche de, le MCP et une deuxième couche de bois. Puis, le flux de chaleur traverse le contre-plaqué par le phénomène de conduction. Enfin, la convection de l'air extérieur à la surface externe du contre-plaqué.

~ 59 ~

IV.6.1 Flux de chaleur par convection entre l'air intérieur et le contre-plaqué Ce flux de chaleur est donné par l'équation ci-dessous :

???? = h?? X ?? X (????,?? X ??) Équation IV-12

Avec :

h??: Le coefficient de convection interne de l'air, Ta,i: La température de l'air intérieur,

??: La température du contre-plaqué,

S: La surface du contre-plaqué.

Et la résistance par convection interne est donnée par :

1

R?? = Équation IV-13
h??X??

IV.6.2 Flux de chaleur par convection entre l'air extérieur et le contre-plaqué Le flux de chaleur est par convection donné par l'équation ci-dessous :

???? = h?? X ?? X (????,?? - ??) Équation IV-14

Avec :

h_e: Le coefficient de convection externe de l'air, Ta,e: La température extérieure.

Et la résistance par convection externe est :

1

R?? = Équation IV-15
h_??X??

IV.6.3 Flux de chaleur par conduction à travers le contreplaqué

Le flux de chaleur de chaleur par conduction est donné par l'équation ci-dessous :

???? = ????. ??(????,??-??)

?? Équation IV-16

Avec :

??: L'épaisseur du contre-plaqué,

Ac: La conductivité du contre-plaqué (W. m^-'. K^-'). Et la résistance par conduction est :

???? = ???? . ?????? (????,?? - ????,??) Équation IV-22

' 60 '

???? h1

×?? Équation IV-17

??

IV.6.4 Flux de chaleur par rayonnement à la surface du contreplaqué Le flux de chaleur par rayonnement est donné :

????= ????

??× = ??

??× × ??

??× × ??

4 - (????,?? × (???2 ?,??

??^4) + ??)(????,??

Équation IV-18 + ??)(????,?? - ??)

L'expression de la résistance par rayonnement est égale à :

???? =

1

??× ?? × ??× (????,??

2 + ??²)(????,?? + ??)

1

???? = Équation IV-19
h??.??

??: Émissivité du contre-plaqué.

IV.6.5 Flux de chaleur stocké par inertie du contre-plaqué Le flux de chaleur stocké est donné par :

????

?????? = ????. ???? Équation IV-20

Avec :

????: La capacité d'inertie du contre-plaqué telle que ????= ??. ??. ??. ?????? , ??????: La chaleur spécifique du contre-plaqué (??h. ????^-1. ??^-1). IV.6.6 Flux de chaleur stocké par inertie de l'air intérieur Le flux de chaleur stocké est donné par :

????

????,?? = ????. Équation IV-21
????

Avec :

????: La capacité d'inertie de l'air telle que ????= ????. ????. ??. ?????? , ??????: La chaleur spécifique de l'air (??h. ????^-1. ??^-1),

????: L'épaisseur de l'air à l'intérieur de la couveuse (m). IV.6.7 Puissance dissipée par l'air du ventilateur La puissance dissipée est donnée par :

" 61 "

Avec De est le débit d'air qui est donnée numériquement par De = 930 ??³/h. Ce débit a été conçu par le constructeur du ventilateur et fonction des modèles commerciaux (Alibaba, 2021). Donc il est fixé pour le volume de notre incubateur.

IV.7 Analogie thermique - électrique

Pour résoudre plus facilement le problème, nous avons fait l'analogie entre la thermique et l'électricité, c'est-à-dire la résistance thermique est analogue à la résistance électrique, la température est analogue à la tension électrique, le flux thermique à l'intensité du courant, l'inertie thermique à la capacité d'un condensateur. Les polarités indiquent le sens d'écoulement thermique comme on peut le voir sur la figure IV-4.

Figure IV-4: Analogie électrique du circuit thermique de l'incubateur Sur la figure ci-dessus, nous retrouvons dans chaque branche :

· RconvE : résistance thermique dû à la convection de l'air intérieur et la mince tôle d'aluminium,

· RcondT : résistance thermique par conduction de la tôle d'aluminium ;

· RcondBe : résistance thermique par conduction de la première couche de bois ;

~ 62 ~

· RcondMCP : résistance thermique par conduction du MCP ;

· RcondBs : résistance thermique par conduction de la deuxième couche de bois ;

· RconvS : résistance thermique dû à la convection de l'air extérieur et la deuxième couche de bois ;

· RcondBp : résistance thermique par conduction de la porte en bois ;

· CiAInt : inertie thermique de l'air intérieur ;

· CiT : inertie thermique de la tôle d'aluminium ;

· CiBe : inertie thermique de la première couche de bois ;

· CiMCP : inertie thermique du MCP ;

· CiBs : inertie thermique de la deuxième couche de bois ;

· TempInt : température intérieur ;

· TempExt : température extérieur ;

· Plamp : puissance fournie par les lampes ;

· Qoeufs : la chaleur fournit par la respiration des embryons ;

· Pvent : puissance dissipée par l'air du ventilateur ;

· QTrouA : chaleur dissipée par le trou d'aération et

· QconOeufs : chaleur consommée par les oeufs.

IV.7.1 Simplification du schéma équivalent

Comme en électricité, les résistances en série (en jaunes sur la figure IV.8-1) peuvent se ramener en une résistance équivalente :

IRi= Reg

ai = RcondTt + RcondBet-p

Comme on peut le voir sur la figure IV-5 :

°PconvE1 = °Pr1 + _°PciT1 + °Pa1 Équation IV-23

' 63 '

Figure IV-5: Schéma équivalent Thermique simplifié

Remarque :

Dues à la lourdeur de la présentation des résistances thermiques par rayonnement entre les six (6) faces, ces résistances sont omises dans les figures IV-4 et IV-5.

IV.7.2 Mise en équations du modèle

Pour établir les équations différentielles, on peut utiliser la loi des noeuds de Kirchhoff à partir de l'analogie thermique-électricité. Cette loi stipule que la somme des courants entrant dans un noeud est égale à la somme des courants sortant.

IV.7.2.1 Mise en place des équations en chaque noeud

Sur chaque noeud d'une branche, la somme des flux entrants est égale à la somme des flux sortants, nous avons

Branche 1 Noeud 1

' 64 '

ai = RcondTi + RcondBet-p

Noeud 2

0a1 = 0ciBe1 + 0RcondMCP1 Équation IV-24

Noeud 3

0RcondMCP1 = 0ciMCP1 + 0RcondBs1 Équation IV-25

Noeud 4

0RcondBs1 = 0ciBs1 + 0RconvS1 Équation IV-26

Branche 2

Noeud 1

0convE2 = 0r2 + _0ciT2 + 0 a2 Équation IV-27

Noeud 2

0a2 = 0ciBe2 + 0RcondMCP2 Équation IV-28

Noeud 3

0RcondMCP2 = 0ciMCP2 + 0RcondBs2 Équation IV-29

Noeud 4

0RcondBs2 = 0ciBs2 + 0RconvS2 Équation IV-30

Branche 3

Noeud 1

0convE3 = 0r3 + _0ciT3 + 0a3 Équation IV-31

Noeud 2

0a3 = 0ciBe3 + 0RcondMCP3 Équation IV-32

Noeud 3

0RcondMCP3 = 0ciMCP3 + 0RcondBs3 Équation IV-33

Noeud 4

Branche 4

0RcondBs3 = 0ciBs3 + 0RconvS3 Équation IV-34

' 65 '

Noeud 1

OconvE4 = Or4 + _OciT4 + Oa4 Équation IV-35

Noeud 2

Oa4 = OciBe4 + ORcondMCP4 Équation IV-36

Noeud 3

ORcondMCP4 = OciMCP4 + ORcondBs4 Équation IV-37

Noeud 4

ORcondBs4 = OciBs4 + ORconvS4 Équation IV-38

Branche 5

Noeud 1

OconvE5 = Or5 + _OciT5 + Oa5 Équation IV-39

Noeud 2

Oa5 = OciBe5 + ORcondMCP5 Équation IV-40

Noeud 3

ORcondMCP5 = OciMCP5 + ORcondBs5 Équation IV-41

Noeud 4

ORcondBs5 = OciBs5 + ORconvS5 Équation IV-42

Branche 6

Noeud 1

OconvE6 = Or6 + _OciT6 + Oa6 Équation IV-43

Noeud 2

Oa6 = OciBp + ORconvs6 Équation IV-44

"lamp + Ooeufs = OconvEl + _OconvE2 + _OconvE3 + _OconvE4 + _OconvE5 + _OconvE6 +

OciAint + _"vent + _Otrous + Oconoeufs Équation IV-45

Equation bilan :

" 66 "

En remplaçant l'expression de chaque flux, les équations en chaque noeud deviennent : Branche 1 (face 1)

Noeud 1

h??11. ??₁(??₁ - ??₂) = h????1. ??₁(??₁ - ??₂) + ??????1. ????2 + ^(??2-??3) + (??3-??4)

???? ??????1 ????????1

Noeud 2	????,?? = ??1, ?????? = ??6 (??2-??3)+ (??3-??4) ????3 (??4-??5) ????????1. = +		Équation IV-46 Équation IV-47 Équation IV-48 Équation IV-49
Noeud 3
	??????1 ????????1 ???? ??????????1 (??4-??5) ????4 (??5-??6) = +
Noeud 4
	??????????1 (??5-??6)	??????????1. ???? ????????1 ????5
	????????1	????????1. h??12. ??1(??5 ??6) = + - ????

Avec :

T1 : la température intérieure de la couveuse,

T2 : la température de la tôle,

T3 : la température de la première couche de bois,

T4 : la température de la couche de MCP,

T5 : la température de la deuxième couche de bois et

T6 : la température extérieure. Branche 2 (face 2)

Noeud 1

??₇ (??₇-??₈)

h??21. ??2(??1 - ??7) = h????2. ??2(??1 - ??7) + ??????2.^??_???? + ???? ??2 + (??8-??9)

????????2

Équation IV-50

Noeud 3

" 67 "

????,?? = ??1, ?????? = ??6

Noeud 2 Noeud 3	(??7-??8)+ (??8-??9) ??????2 ????????2				????8 + (??9-??10) = ????????2. Équation IV-51 ???? ??????????2
Noeud 4		(??9-??10) ??????????2	????9 + (??10-??6) = ??????????2. Équation IV-52 ???? ????????2
(??10-??6) ????????2				= ????????2. ????10 + h??22. ??2(??10 - ??6) Équation IV-53 ????

Avec :

T1 : la température intérieure de la couveuse,

T7 : la température de la tôle,

Tg : la température de la première couche de bois,

T9 : la température de la couche de MCP,

T10 : la température de la deuxième couche de bois et T6 : la température extérieure.

Branche 3 (face 3)

Noeud 1

????11 (??11 - ??12) (??12 - ??13)

h??31. ??3(??1 - ??11) = h????3. ??3(??1 - ??11) + ??????3. + +

???? ??????3 ????????3

Équation IV-54

Noeud 2 (??11-??12)		+ (??12-??13) ????????3	????,?? = ??1, ?????? = ??6 3 ???????? .???? + ^(??13-??14)Équation IV-55 ???? ??????????3
	??????3

' 68 '

	(??13-??14)		????13+ (??14-??6) = ??????????3. Équation IV-56 ???? ????????3
Noeud 4	??????????3
(??14-??6) ????????3		= ????????3. ????14 + h??32. ??3(??14 - ??6) Équation IV-57 ????

Avec :

T1 : la température intérieure de la couveuse,

T11 : la température de la tôle,

T12 : la température de la première couche de bois,

T13 : la température de la couche de MCP,

T14 : la température de la deuxième couche de bois et T6 : la température extérieure.

Branche 4 (face 4)

Noeud 1

????15 (??15 - ??16) (??16 - ??17)

h??41. ??4(??1 - ??15) = h????4. ??4(??1 - ??15) + ??????4. + +

???? ??????4 ????????4

Équation IV-58

????,?? = ??1, ?????? = ??6

+ (??16-??17)

????????4

????17 + (??18-??6)

= ??????????4. Équation IV-60

???? ????????4

= ????????4. ????18 + h??42. ??4(??18 - ??6) Équation IV-61

????

Avec :

Noeud 2

(??15-??16)

??????4

Noeud 3

(??17-??18)

??????????4

Noeud 4

(??18-??6)

????????4

+ (??17-??18)

= ????????4. ????16 Équation IV-59

???? ??????????4

' 69 '

T1 : la température intérieure de la couveuse,

T15 : la température de la tôle,

T16 : la température de la première couche de bois,

T17 : la température de la couche de MCP,

T18 : la température de la deuxième couche de bois et T6 : la température extérieure.

Branche 5 (face 5)

Noeud 1

????19 (??19 - ??20) (??20 - ??21)

h??51. ??5(??1 - ??19) = h????5. ??5(??1 - ??19) + ??????5. + +

???? ??????5 ????????5

Équation IV-62

????,?? = ??1, ?????? = ??6

????21 + (??22-??6)

= ??????????5. Équation IV-64

???? ????????5

Noeud 2

(??19-??20)

??????5

Noeud 3

(??21-??22)

??????????5

Noeud 4

+ (??20-??21)

????????5

+ (??21-??22)

= ????????5. ????20 Équation IV-63

???? ??????????5

(??22-??6) ????????5

= ????????5. ????22 + h??52. ??5(??22 - ??6) Équation IV-65 ????

Avec :

T1 : la température intérieure de la couveuse,

T19 : la température de la tôle,

T20 : la température de la première couche de bois,

T21 : la température de la couche de MCP,

T22 : la température de la deuxième couche de bois et

N 70 N

T6 : la température extérieure. Branche 6 (face 6)

Noeud 1

????₂₃ (??23 - ??24) (??24 - ??₆)

h??61. ??₆(??₁ - ??23) = h????6. ??₆(??₁ - ??23) + ??????6. + +

???? ??????6 ??????

Équation IV-66

????,?? = ??₁, ?????? = ??₆

Noeud 2

(??23-??24)	+ (??24-??6) = ????????. ????24 + h??62. ??6(??24 - ??6) Équation IV-67 ?????? ????
??????6

Avec :

T1 : la température intérieure de la couveuse,

T23: la température de la tôle,

T24 : la température de la couche de bois,

T6 : la température extérieure.

Equation bilan :

?????????? + ??. ?????????? = h??11. ??1(??1 - ??2) + _h??21. ??2(??1 - ??7) + _h??31. ??3(??1 - ??11) +

h??41. ??4(??1 - ??15) + _h??51. ??5(??1 - ??19) + _h??61. ??6(??1 - ??23) + ????. ????1

???? +

??????. ???? (??1 - ??6) - ?? ????

?????? ???? + ??. ????. (??1 - ????,??) Équation IV-68

Après développement nous obtenons un système de vingt-trois équations différentielles du premier ordre en fonction du temps que nous pouvons écrire sous forme matricielle :

" 71 "

a??₁ at

a??₂ at

a??₃ at

a??₄ at

a??5 at

a??₇ at

a??₈ at

a??₉ at

a??10

at

a??11

at

a??12

at

a??13

at

a??14

at

a??15

at

a??16

at

a??17

at

a??18

at

a??19

at

a??20

at

a??21

at

a??22

at

a??23

at

a??24 at )

A0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 A0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 A0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 A0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 A0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 A0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 A0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 A0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 A0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 A0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 A0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 A0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 A0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 A0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 A0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 A0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 A0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 A0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 A0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 A0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 A0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 A0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 A

BB0 0 0 B0 0 0 B0 0 0 B0 0 0 B0 0 0 B0 BBBB0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 BBBB0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 BB0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 B0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 B0 0 0 0 BBB0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 BBBB0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 BB0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 B0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 B0 0 0 0 0 0 0 0 BBB0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 BBBB0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

T1 ^T2T3 T4 T5 T7 T8 T9 T10 T11 T12 T13 T14 T15 T16 T17 T18 T19 T20 T21 T22 T23 T^24)

C 00 C C 0 0 C C 0 0 + C C 0 0 C C 0 0 C C C) C

T6 +

D 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0)

0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 = 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0) 0

+ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 BB0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 B0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 B0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 BBB0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 BBBB0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 BB0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 B0 0 0 0 0 0 B0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 BBB0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 BBBB0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 BB0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 B0 0

(

B0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 BB 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 BB

' 72 '

Les éléments de la première matrice carré sont donnés par :

A11 = C?? , A22 = C????1, A33 = C??????1, A44 = C????????1, A55 = C??????1, A66 = C????2, A77 = C??????2, A88 = C????????2, A99 = C??????2, A10,10 = C????3, A11,11 = C??????3, A12,12 = C????????3, A13,13 =

C??????2, A14,14 = C????4, A15,15 = C??????4, A16,16 = C????????4, A17,17 = C??????4, A18,18 = C????5,
A19,19 = C??????5, A20,20 = C????????5, A21,21 = C??????5, A22,22 = C????6, A23,23 = C??????.

Les éléments de la deuxième matrice carré sont donnés par :

B11 = (C????. D?? + ??. C_o + ¹ + ¹ + ¹ + ¹ + ¹ + ¹ ), B12 = - 1

Ri11 Ri21 Ri31 Ri41 Ri51 Ri61 Ri11^,

,

1 1 1 1 1

B16 = -, B1,10 = - , _B1,14 , _B1,18=- , B1,22 Ri21 Ri31 R Ri51 Ri61

1 1 1 11 1 1 1

B21 = - B22 = - +B23 = - B24 = -

Rrs1 Ri11 RCT1 Rrs1 Ri11 , RCBe1 RCT1^, RCBe1^,

1₊

,

1 1 1 1 1 1 - 1

RC??C??4 Ri42 RCBs4 Rrs5 Ri51 RCT5 Rrs5 Ri51^,

,

-

B17,17 =

B18,1 =

, B18,18 =

= 1 1 _ 1 _ 1 = 1 1

B18,19 RCBe5 RCT5, B18,20 - RCBe5, B19,18 - RCT5, B19,19 RCT5 RCBe5

,

1 1 1 1 1 1

B32 = - , B33 = - , B34 = + , B35 = - ,B44 =

1 1 1 1 1 1 1

RCT1 RCT1 RCBe1 RC??C??1 RCBe1 RC??C??1

B45 = + , B55 =-,B₆₁ = , B66 =

RC??C??1 RCBs1 RC??C??1 Ri12 RCBs1 Rrs2 Ri21

1

1 1 1 1 1 1 1

+ , B67 = - , B68 = - , B76 = - , B77 =

RCT2 Rrs2 Ri21 RCBe2 RCT2 RCBe2 RCT2 RCT2

1 1 1 1 1 1

B78 =

B79 = - , B88 = - , B89 = +

RCBe2 RC??C??2 RCBe2 RC??C??2 RCMC??2 RCBs2

+

1

1 1_- 1 1 1 1 - 1

1₊

RC??C??2 Ri22 RCBs2 Rrs3 Ri31 RCT3 Rrs3 Ri13^,

,

-

,,

=

B10,1 =

B99 =

, B10

10

,

_ 1 1 _ 1 _ 1 _ 1 1

B10,,11 - - , _B10,12 - - , _B11,10 - , _B11,11 - -

RCBe3 RCT3 RCBe3 RCT3 RCT3 RCBe3

B11,12 =

1 RC??C??3 + RCBe3, B11,13 = RC??C??3 , B12,12 = RCMC??3 B12,13 RCBs3 +

1 1 1 1 1 1 - 1

1₊

RC??C??3 Ri32 RCBs3Rrs4 Ri41 RCT4 Rrs4 Ri14

,

=

=

B13,13

, B14,1 = , B14,14

,

_ 1 1 _ 1 _ 1 _ 1 1

B1415 - , _B14,16 - , _B15,14-- , B15,15-

' RCBe4 RCT4 RCBe4 RCT4 RCT4 RCBe4

B15,16 =

1 + ^1 , B15,17 = 1 , B16,16 = 1 , B16,17 = 1 + RC??C??4 RCBe4 RC??C??4 RCMC??4 R

~ 73 ~

1

??19,20 = + 1

????????5, ??19,21 = - 1

??????????5 , ??20,20 = - ?????1 ?????5, ??20,21 = 1

????????5 +

??????????5

1 1 1 ??????????5, ??21,21 = - ????????5, ??22,1 = 1

??????6 - 1

????61 , ??22,22 = 1

??????6 - ???1 ???6 + 1

????61^,

????52

1 1

??22,23 = - ??????6, ??23,22 = - ???1 ???6, ??23,23 = 1

????62 + 1

??????6 - 1

???????? .

????????

Les éléments de la deuxième matrice colonne sont donnés par :

??₁ = -??????. ????, ??₄ = ????????1 , ??5 = ( 1

1 ????????1 - 1

????12) , ??₈ = 1

????????2 , ??₉ = ( 1

????????2 - 1

????22^),

??12 = ????????3 , ??13 = ( 1

1 ????????3 - 1

????32) , ??16 = 1

????????4 , ??17 = ( 1

????????4 - 1

????42) , ??20 =

) .

????????5 , ??21 = ( 1

1 ????????5 - 1

????52) , ??22 = 1

???????? , ??23 = ( 1

???????? - 1

????62

L'élément D de la troisième matrice colonne est donné par :

????

?? = -?????????? - ??. ?????????? - ?? ??? .

??????

En rapport avec les expressions ci-dessus, nous avons :

???? : La capacité d'inertie de l'air telle que ????= ????. ????. ??. ?????? ;

?????? : La chaleur spécifique de l'air (??h. ????^-1. ?C ^-1) ;

????: L'épaisseur de l'air à l'intérieur de la couveuse (m) ;

???????? : La capacité d'inertie de la tôle d'aluminium de la unième face intérieur ;

?????????? : La capacité d'inertie de la première couche de bois de la unième face; ???????????? : La capacité d'inertie de la couche de MCP de la unième face ;

?D???????? : La capacité d'inertie de la deuxième couche de bois de la unième face ;

???????? : La capacité d'inertie de la couche de bois qui constitue la porte de l'incubateur ;

???? : Le débit d'air du ventilateur ;

?? : La masse des oeufs de poule en kg ;

???? : La chaleur massique des oeufs en (KJ/Kg ?C) ;

??????1 : La résistance par convection interne de la unième face ;

??????2 : La résistance par convection externe de la unième face ;

~ 74 ~

???????? : La résistance par rayonnement de la unième face interne ;

???????? : La résistance par conduction de la tôle d'aluminium de la unième face ;

?????????? : La résistance par conduction de la première couche de bois de la unième face ; ?????????? : La résistance par conduction de la deuxième couche de bois de la unième face ; ???????????? : La résistance par conduction de la couche de MCP de la unième face ; ???????? : La résistance par conduction de la couche de bois qui constitue la porte de

l'incubateur ;

?????????? : Chaleur de respiration des oeufs en (KJ/Kg) ;

?? : Taux de renouvellement de l'air extérieur dû au trou d'aération avec ?? ⁼v?7 ? ;

???? : Volume utile intérieur de notre couveuse en (??³) qui vaut 1,4234 ;

?????? : Volume spécifique intérieur de la couveuse en (??³/????) qui vaut 0,944 ;

??? : Différence d'enthalpie entre l'enthalpie extérieure et l'enthalpie intérieure de la couveuse que nous considérons par hypothèse égale à-10 kj/kgas.

Pour avoir des résultats correctes, nous avons travaillé avec les unités internationales, sachant 1Watt-heure (Wh) =3600 Joules (J) et 1J=1W. Nous avons considéré que la température initiale est de 25 degré Celsius.

Nous avons écrit un script MATLAB (voir l'annexe A) qui nous a permis de résoudre le système de 23 équations différentielles dans lesquelles figure la température intérieure de l'incubateur. Après calcul avec le logiciel MATLAB de version R2015a, nous avons obtenu trois courbes qui décrivent l'évolution de la température intérieure en fonction du temps pour différentes puissance de chauffage comme on peut le voir sur la figure IV-6.

~ 75 ~

Figure IV-6: Evolution de la température intérieur en fonction du temps pour différentes puissance de

chauffage

En rapport avec la figure IV-6, nous pouvons très bien voir qu'il faudra au moins 12 lampes de 100W pour réchauffer l'incubateur au bout de 21 secondes. Nous pouvons également déterminer la quantité d'énergie thermique qui sera stocké dans la couveuse sachant qu'il nous faudra en moyenne 105kg de MCP CrodraTherm 37 pour constituer le réservoir thermique. En utilisant l'équation IV.2-2 tout considérant la chaleur latente, nous aurons :

E = m.?????-?? = m. C?? = 105 X 217 = 22785k?? = 6329,17??h.

Où :

C?? : est la chaleur latente du CrodaTherm 37 qui vaut 217kj/kg (voir l'annexe F).

IV.8 Conclusion

Tout au long de ce chapitre, nous avons parlé de différents types de système de stockage qui existent. Nous avons fait une étude comparative entre ces derniers et avons choisi le système de stockage latent qui nous a permis de faire le choix d'un modèle commerciale, le CrodaTherme 37 qui regorge plusieurs avantages comme celui d'emmagasiner et restituer la chaleur à une température constante. Après nous avons fait la modélisation du circuit thermique qui nous a conduit à la résolution d'un système d'équation différentielle pour obtenir l'évolution de la température intérieur de l'incubateur en fonction du temps pour différentes puissance de chauffage. Nous avons constaté qu'il nous faudra 1200W comme puissance de chauffage pour atteindre la température de 38 degré Celsius dans l'incubateur au bout de 21 secondes.

" 76 "

CHAPITRE V : REALISATION PRATIQUE DE L'INCUBATEUR

D'OEUFS

V.1 Introduction

Dans ce chapitre, il est question de la réalisation pratique du modèle expérimentale de l'incubateur. Nous tenons à préciser que les matériaux de construction du circuit électronique, de la caisse ainsi que du système de retournement que nous avons utilisé provient en grande partie du marché local à l'exception du microcontrôleur et des capteurs que nous avons acheté depuis la Chine. Nous clôturerons ce chapitre par le coût estimatif du projet et la détermination du rendement global de l'incubateur d'oeufs.

V.2 Réalisation de la caisse du modèle expérimental de l'incubateur d'oeufs

Nous avons découpé cinq planches de bois du type multi triplex que nous adjointes avec la colle à bois comme nous pouvons le voir sur la figure V-1.

Figure V-1: Construction de la caisse du modèle expérimental de l'incubateur d'oeufs

V.3 Isolation thermique de la caisse

Comme nous pouvons le voir sur la figure V-2, nous avons placé une matière plastique pour l'isolé avec l'extérieur. Nous avons placé de la mousse en l'intérieur de la caisse pour accroitre la capacité thermique.

" 77 "

Figure V-2: Isolation de la caisse et amélioration de la capacité thermique du modèle expérimental de

l'incubateur d'oeufs

V.4 Amelioraton de la conduction thermique

Pour réchauffer plus rapidement l'incubateur, nous avons tapissé l'intérieur avec une tôle en acier inoxydable afin d'accroitre la conduction thermique. Nous avons emménagé une antichambre où sera chauffé l'air brasé par le ventilateur et après l'air chaud sera refoulé dans la chambre de dessous comme l'illustre la figure V-3.

Figure V-3: Amélioration de la conduction thermique à l'intérieur du modèle expérimental de
l'incubateur d'oeufs

V.5 Fixation du boitier de commande

Après avoir fini le câblage, nous avons reconduit tous les conducteurs dans une petite armoire de commande où devra s'effectuer toutes les connexions. Nous avons également refermé l'antichambre pour éviter toute éventuelle fuite de chaleur. La figure V-4 illustre ce qui vient d'être dit.

" 78 "

Figure V-4: Fixation du boitier de commande

V.6 Réalisation du circuit de commande du modèle expérimental de l'incubateur

d'oeufs

Après avoir apprêté le boitier de commande, nous avons réalisé le circuit de commande du système de chauffage, de ventilation, de retournement d'oeufs. Nous avons également téléversé le programme dans la carte arduino, ensuite nous sommes passé la connexion de ce circuit comme l'illustre la figure V-5 et la figure V-6.

Figure V-5: Circuit de commande

~ 79 ~

Figure V-6: Connexion du circuit de commande

V.7 Teste final du modèle expérimental de l'incubateur d'oeufs

Après avoir fini la connexion du circuit de commande, nous avons installé la sonde de température, le capteur d'humidité ainsi que d'autres composantes nécessaire au bon fonctionnement de l'incubateur. Nous avons vérifié que toutes les composantes était bien connectées, nous avons allumé l'incubateur et avons observé les anomalies, après plusieurs essais et corrections, nous avons fini par aboutir au bon résultat comme on peut l'observer à la figure V-7.

Figure V-7: Teste de fonctionnement du modèle expérimental de l'incubateur d'oeufs

" 80 "

V.8 Coût estimatif pour la réalisation pratique de l'incubateur d'oeufs ayant une capacité d'accueil de 600 oeufs

Ici nous établissons les prix des différents matériaux nécessaires pour la réalisation pratique d'un prototype d'incubateur d'oeuf intelligent à forte conservation de chaleur ayant une capacité d'accueil de 600 oeufs. Le tableau V-1 donne les matériels utilisés pour la partie électrique et électronique de l'incubateur d'oeufs.

Tableau V-1: Coût estimatif des matériels électriques et électroniques pour la réalisation de
l'incubateur d'oeufs ayant une capacité d'accueil de 600 OEufs

Matériels électriques et électroniques
Qté	Désignation	Prix unitaire USD	Prix total USD
1	COMPOSANTS ELECTRONIQUES	40	40
1	MICROCONTROLEURS	30	30
2	CAPTEURS	20	40
12	LAMPE CHAUFFANTES	2	24
1	ECRAN LCD	5	5
2	RELAIS	5	10
2	VENTILATEUR	10	20
2	CABLES	10	20
2	BOITE VIS ET ECROUS	7	14
1	HYGROMETRE	5	5
2	INTERRUPTEURS	1	2
1	MOTEUR	20	20
total			230 USD
Main d'oeuvre : 69 USD

" 81 "

Le tableau V-2 donne le coût estimatif pour la réalisation de la partie mécanique de l'incubateur d'oeufs.

Tableau V-2: Coût estimatif des matériels de soudure pour la réalisation de la partie mécanique de
l'incubateur d'oeufs ayant une capacité d'accueil de 600 OEufs

Matériels de soudure (Partie mécanique)
Qté	Désignation	Prix unitaire en USD	Prix total en USD
2	TOLE PLIEE 8mm	30	60
4	FER PLAT (BRAS)	10	40
2	AXE FER ROND Ø 16 LISS	15	30
10	ROULEMENT	5	50
40	VIS DE FIXATION	1	40
2	L 25 (SUPPORT PLATEAU) 1/2 BARRE	5	10
8	L 40	12	96
2	FER T 25	15	30
4	POMELLES	1, 5	6
1	DISQUE + MECHES	5	5
2	ELECTRODES Ø 3,25	10	20
2	ANTI- ROUILLE + THINNER	10	20
total			407 USD
Main d'oeuvre : 122,1 USD

Le tableau V-3 donne le coût estimatif pour la réalisation de la partie mécanique et thermique de l'incubateur d'oeufs.

Tableau V-3: Coût estimatif des matériels de menuiserie pour la réalisation de la partie mécanique et thermique de l'incubateur d'oeufs ayant une capacité d'accueil de 600 OEufs

Matériels de menuiserie (Partie mécanique + thermique)
Qté	Désignation	Prix unitaire USD	Prix total USD
4	FEUILLE MULTITRIPLEX	30	120

" 82 "

2	BOIS 4/11	10	20
2	VERNIS	5	10
2	VIS ET CLOUS	5	10
1	PERCAGES ET RABOTAGE	10	10
7	CRODATHERM	15, 46	108, 22
6	TOLE D'ALUMINIUM	12	72
20	PLATEAUX D'OEUFS	1	20
Total			370, 22 USD
Main d'oeuvre : 111, 066 USD

Eu égard à ce qui précède, il nous faudra une somme de 1007, 22 USD comme frais des matériaux, 302, 166 USD pour la main d'oeuvre et une marge de 5 USD/kg comme frais de manutention. Ce qui fait un grand total de 1509, 386 USD.

V.9 Rendement globale de l'incubateur d'oeufs

Dans cette partie, nous nous proposons de déterminer le rendement de l'incubateur d'oeufs. Déterminer ce rendement revient à déterminer le rendement du circuit de chauffage, de ventilation, d'humidification et de retournement d'oeufs de l'incubateur.

V.9.1 Rendement du circuit de chauffage de l'incubateur

Nous avons utilisé des lampes à incandescences pour chauffer l'enceinte de l'incubateur, ces lampes transforment l'énergie électrique en énergie calorifique. Environ 90 % de la lumière est transformée en chaleur (Lumhouse, 2020). On peut dire sans beaucoup des littératures que le rendement du circuit de chauffage est de 90%.

V.9.2 Rendement du circuit de ventilation

Le rendement d'un ventilateur provient des pertes par frottement au niveau des paliers, des pertes internes dues aux tourbillons créés dans le ventilateur et des pertes dues à l'espace compris entre la roue en mouvement et l'enveloppe. Nous aurons à utiliser le modèle Centrifuge à aubes vers l'arrière dont le rendement est souvent compris entre 80 et 87 % (Energie, 2021). Nous retenons 80% comme rendement dans le cas défavorable.

" 83 "

V.9.3 Rendement du circuit d'humidification

Au point I.4.2 nous avons parlé de l'humidité comme l'un des quatre paramètres d'incubations, nous avons retenu un taux d'humidité qui varie entre 50 et 75 %. Nous retenons un rendement de 50% pour ce circuit.

V.9.4 Rendement du moteur de retournement

Pour le retournement d'oeufs, nous aurons à utiliser le moteur pas à pas qui a généralement un rendement de 80% (Mento, 2016).

Le rendement globale de l'incubateur d'oeufs sera donné par :

^1lglob =

1l chauf + 1l vent + 1l humid + 1l retour 4

x 100 =

0,75 x 100 = 75%

Où :

1lglob : Rendement globale de l'incubateur d'oeufs ;

1l chauf : Rendement du circuit de chauffage ;

1l vent : Rendement du circuit de ventilation ;

1lhumid : Rendement du circuit d'humidification et

¹lretour : Rendement du circuit de retournement d'oeufs.

V.10 Conclusion

Tout au long de ce chapitre, nous avons expliqué comment nous sommes parvenus à réaliser le modèle expérimental de l'incubateur d'oeufs ayant une capacité d'accueil de 20 oeufs. Il sied de dire qu'il nous a fallu effectuer plusieurs essais et apporté plusieurs correctifs dans le code source du microcontrôleur avant afin d'aboutir aux résultats attendus. Nous avons également élaboré un devis estimatif pour la réalisation d'un prototype d'incubateur intelligent avec une forte inertie thermique pouvant recevoir 600 oeufs de poule. Nous avons fini ce chapitre en calculant le rendement global de l'incubateur d'oeufs qui est de 75%.

~ 84 ~

CONCLUSION GENERALE

Le but de notre travail était celui de concevoir et réaliser un incubateur d'oeuf intelligent ayant une forte conservation de chaleur. Pour y arriver, nous avons commencé par faire un état d'arts sur les incubateurs d'oeufs existants, cela nous a permis de ressortir les différents paramètres d'incubations à l'instar de la température, de l'humidité, de la ventilation et le retournement d'oeufs qui conditionnent la réussite de tout incubateur d'oeufs. Juste après, nous avons utilisé le logiciel SolidWorks pour effectuer le dimensionnement de la structure mécanique de l'incubateur d'oeufs. Ce dimensionnement s'est résumé à faire l'étude statique de l'ossature des porte-plateaux, cette étude nous a permis d'assurer à la structure une stabilité dimensionnelle et surtout une grande robustesse pour faire face aux différentes contraintes dues aux poids des oeufs et du moteur de retournement. Pour le dimensionnement électrique-électronique, nous avons conçu et réalisé au moyen du logiciel Proteus 8 Professional un circuit électronique qui a rendu l'incubateur capable de contrôler automatiquement tous les paramètres d'incubations et d'interagir avec l'utilisateur par le biais d'un écran LCD. Le grief essentiel de notre projet était celui d'augmenter l'inertie thermique de l'incubateur tout en garantissant un aspect ergonomique acceptable, d'ailleurs qui est un apport majeur par rapport aux incubateurs existants. Pour résoudre ce problème, nous avons trouvé une solution en utilisant dans la conception des parois de l'incubateur des matériaux à changement de phase (MCP) réputés pour leur bonne capacité thermique. Ainsi en fonction de la quantité de MCP utilisée, nous avons obtenu une autonomie thermique allant jusqu'à 6329,17 Wh. Nous avons modélisé le circuit thermique et déterminé au moyen d'un script Matlab qu'il faudra 1200W comme puissance de chauffage pour atteindre la température de 38 degrés Celsius au bout de 21 secondes à l'intérieur de l'incubateur d'oeufs. L'ajout des matériaux calorifère (MCP) nous a permis de garantir une autonomie thermique assez satisfaisante en cas de coupure électrique sur des longues heures. En définitive, bien d'aspects restent à explorer sur ce projet, surtout ceux qui concernent la thermique, comme déterminer succinctement le temps de décharge thermique et l'optimiser. En outre, ce projet nous a permis d'identifier un besoin concret de notre société et de contribuer à sa résolution.

~ I ~

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" A "

ANNEXES

Annexe A : Script MATLAB pour la résolution des équations différentielles sur le dimensionnement thermique (voir le disque)

Annexe B:Code Source de l'incubateur (voir le disque)

Annexe C:Vue d'ensemble de l'interface utilisateur du logiciel SolidWorks

Où :

1. La barre de menu,

2. Les barres d'outils,

3. Les gestionnaires de commandes,

4. Le ConfigurationManager,

5. Le PropertyManger,

6. Le fils d'Ariane de sélection,

7. Le filtre de l'arbre de création FeatureManager,

8. L'arbre de création FeatureManager et

9. La barre d'état.

" B "

Annexe D: Datasheet de l'Arduino Pro mini

~ C ~

Annexe E: Datasheet de l'écran LCD 16×2

" D "

Annexe F: Datasheet du DHT11

Annexe G: Propriétés thermiques du CrodaTherm 37

" E "

Annexe H: Datasheet du D18B20

" F "

Annexe I: Propriétés physico-thermiques de l'incubateur

MATERIAUX	CONDUCTIVITE THERMIQUE (W/m.k)	CAPACITE THERMIQUE MASSIQUE (J/k.kg)	MASSE VOLUMIQUE (Kg/m3)
AIR	0.024	1004
ALUMINIUM	205	897	2700
BOIS OEuf	0.12	1200-2700 4,2	850

Annexe J: Caractéristiques principales des aciers inoxydables ferritiques

Caractéristiques principales des aciers inoxydables ferritiques
Désignation européenne selon NF EN 10088-2 (Nov.95)		Conformation à froid : emboutissage profilage	Soudage	Résistance à la corrosion	Particularité	Exemple d'application
Nom	No
X2CrTi	1.4512	Bien	Bien	Moyen	Bonne résistance à l'oxydation à chaud	Système d'échappements automobile
X6CrNiTi12	1.4516	Moyen	Bien	Moyen	Nuance pour la construction soudée	Conteneurs, Matériels ferroviaires, Trémies, Equipements industriels
X6Cr17	1.4016	Moyen	Moyen	Moyen	En recuit brillant pour les pièces d'aspect- F18 flants monétaires	Articles ménagers, Pièces décoratives, Electroménager, Platerie
X3CrTi17	1.451	Bien	Bien	Bien	Le titane améliore la soudabilité et la déformation à froid	Electroménager, Eviers, Tubes, Bruleurs
X6CrNi17-1	1.4017	Difficile	Difficile	Moyen	Caractéristiques mécaniques élevées après trempe et écrouissage	Chaines transporteuses
X2CrMoTi18- 2	1.4512	Bien	Bien	Très bien	Résistance à la corrosion par piqures identique à celle du 18.11 ML (316L)	Ballons d'eau chaude, Chaudières de fumée, Echangeurs divers

~ G ~

Annexe K:Plateaux de 30 oeufs en plastique 30cm/30cm

Annexe L: Exemple de nuances de fontes suivant la norme NF EN 1560 (Claude HAZARD, 2004)

Types	Désignation			R (MPA)	A %	HB	Principales propriétés
	Ancienne	Symbolique	Numérique
A graphite laminaire ou fonte grise	FGL 150	EN-GJL-150	EN-JL 1020	150	> 0.8	125- 205	Très bonne usinabilité; bonne aptitude à être coulée; bonne résistance à l'usure par frottement;bonne étanchéité.
	FGL 200	EN-GJL-200	EN-JL 1030	200	> 0.8	150- 230
	FGL 250	EN-GJL-250	EN-JL 1040	250	> 0.8	180- 250
	FGL 300	EN-GJL-300	EN-JL 1060	300	> 0.8	200- 275
	FGL 350	EN-GJL-350	EN-JL 1080	350	> 0.8	220- 290
Malléables	MB 380-12	EN-GJMB-380	EN-JM 1130	380	12	< 200	Caractéristiques mécaniques élevées; très grande ductilité; perméabilité magnétique élevée; excellente usinabilité.
	MB 400-7	EN-GJMB-400	EN-JM 1140	450	7	< 220
	MN 350-10	EN-GJMW-350	EN-JM 1010	350	10	< 150
	MN 450-6	EN-GJMW-450	EN-JM 1030	450	6	150- 210
	MN 550-4	EN-GJMW-550	EN-JM 1050	550	4	180- 240
A graphite sphéroïde	FGS 300-22	EN- GTS-300	EN-JS 1030	300	22	<150	Excellente usinabilité; bonne capacité d'amortissement aux vibrations; très grande ductilité; grande résilience.
	FGS 400-10	EN-GTS-400	EN-JS 1040	400	10	160- 210
	FGS 500-7	EN-GTS-500	EN-JS 1050	500	7	170- 230
	FGS 600-3	EN-GTS-600	EN-JS 1060	600	3	190- 270
	FGS 700-2	EN-GJS-700	EN-JS 1070	700	2	225- 305	Bonne résistance à l'usure.
	FGS 900-2	EN-GJS-900	EN-JS 1090	900	2	280- 360

" H "

Annexe M: Datasheet du 2N2222

~ I ~

Annexe N: Datasheet du Buzzer

~ J ~

Annexe O: Mesures dimensionnelles de l'incubateur

" K "

~ L ~

" M "