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


par Emmanuel Kasiho Mushagalusa
Université de Lubumbashi/ Polytechnique - Bachelier en Electromécanique 2020
  

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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

sommaire suivant






La Quadrature du Net