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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
emmanuelkasiho237@gmail.com
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 Ca : La capacité d'inertie de l'air
Co : 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-
De : 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)
he: 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) Vu :
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
| 
