Th.Doct.Baba Ahmed Nassim

289 Pages·2014·19.14 MB·French

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE
MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR
ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE

UNIVERSITE DE TLEMCEN
FACULTE DE TECHNOLOGIE
DEPARTEMENT DE GENIE MECANIQUE

THÈSE
Pour l’obtention du grade de
DOCTEUR EN GENIE MECANIQUE
Spécialité : Energétique

Par
Mr BABA AHMED Nassim

Sur le Thème

ETUDE SUR LE COMPORTEMENT ENERGETIQUE ET EN ENDOMMAGEMENT
D’UN FILM EN POLYMERE - APPLICATION : DISPOSITIFS A EFFET DE SERRE

Soutenue publiquement le 14 – 12 – 2014, devant le jury composé de :

Président Dr. SEBBANE Omar Université de Tlemcen
Directeur de thèse Pr. BENMOUSSAT Abderrahim Université de Tlemcen
Co-directeur de thèse Dr. AZZI Ahmed Université de Tlemcen
Examinateurs Dr. SELADJI Chakib Université de Tlemcen
Pr. BOUDGHENE STAMBOULI Amine USTMB Oran
Pr. MEKKAKIA-MAAZA Nasreddine USTMB Oran
Invité Pr. BENCHRIFA Rachid Université Med V Rabat-Maroc
Résumé :
Une des applications du solaire thermique est la production de l'eau douce à partir d'eau saumâtre
et/ou d'eau salée ce qui nous ramène à développer des dispositifs énergétiques à effet de serre. Pour
cela, on a besoin de connaître et d’améliorer le comportement des matériaux utilisés pour la
conception de ses dispositifs, notamment les matériaux fonctionnels, qu'on utilise pour leurs
propriétés physiques, telles que conductivité, propriétés optiques ou propriétés radiatives…
On s’intéressera dans ce travail aux matériaux polymères utilisés comme film noir absorbeur de
chaleur comme le polyéthylène (PE) où la question de la durabilité du PE est alors clairement posée.
L’objectif de cette thèse étant, tout d’abord, l'étude du comportement énergétique du PE comme
absorbeur de chaleur, et ensuite voir l’influence du son vieillissement sur la durabilité et l’efficacité
des dispositifs solaires à effet de serre. Ainsi, notre travail sera divisé en quatre parties :
La première sera consacré à l’étude bibliographique sur les dispositifs à effet de serre tel que
les capteurs solaires afin d’établir les différents matériaux fonctionnels utilisés (absorbeurs, isolants,
transparents) par leur nuances, leurs propriétés et leurs structures. Ceci nous mène à développer les
matériaux polymères thermoplastiques avec plus de détail sur la microstructure et la morphologie
des polymères semi-cristallins, dont le PE fait partie, et d'introduire les principales notions abordées
dans l'étude pour faire apparaître le rôle et l’intérêt du choix du matériau étudié dans la réalisation et
la conception des dispositifs à effet de serre. Nous abordons le comportement énergétique des
polymères ainsi que le comportement en endommagement thermique (vieillissement) des polymères.
La deuxième partie s’attache à décrire la caractérisation physico-chimique du PE, ainsi qu'à
l'analyse de sa microstructure initiale. La part importante du polyéthylène comme matériau
absorbeur de chaleur montre les forts enjeux associés à cette étude. De ce fait, nous effectuons des
mesures de quelques propriétés telles que l’émissivité et la conductivité thermique ainsi que
d’autres propriétés du matériau étudié pour valider notre choix. Comme application, nous étalons
deux expériences réalisées au laboratoire sur le distillateur solaire et sur le capteur solaire afin
d’étudier leurs comportement énergétique. Et enfin, présenter les méthodes de caractérisation des
échantillons vieillis du PE pour cibler ses phénomènes de vieillissement.
Ensuite, nous abordons la simulation numérique à partir de la modélisation du comportement
énergétique des dispositifs à effet de serre. Dans ce cadre, nous proposons un modèle mathématique
et son analyse numérique vis-à-vis du comportement énergétique des deux systèmes solaires décris
dans le chapitre précèdent.
La dernière partie sera consacré aux résultats et discussions par la confrontation des résultats
numériques et de l’expérience pour pouvoir mieux interpréter l’effet énergétique et le choix des
matériaux utilisés et d’interpréter le comportement en endommagement du PE. Ainsi, on va décrire
le comportement dû au vieillissement thermique du PE et visualiser la dégradation du PE qui affecte
ses propriétés en général.
Nous avons étudié le comportement énergétique du polyéthylène basse densité utilisé comme
matériau absorbant par une simulation expérimentale dans un prototype de distillateur solaire et par
une simulation numérique. L’étude a été complétée par une caractérisation en vieillissement du
matériau où le problème majeur que l’on rencontre pour les polymères thermoplastiques tel que le
PE concerne leur durée de vie où de nombreux travaux ont été menés. La compréhension et la
prédiction de la durabilité de ces matériaux par rapport à leur dégradation sont, d’une façon
générale, moins avancées et assez disparates selon le mode de vieillissement. Tous les matériaux
utilisés dans les dispositifs à effet de serre se caractérisent surtout par leur instabilité plus au moins
rapide dans le temps vis-à-vis du rayonnement solaire et surtout sa fraction ultraviolette (UV).
Mots clés : Polyéthylène – Capteurs solaires – Comportement énergétique – Vieillissement.
Abstract:
One of the applications of solar thermal energy is the production of fresh water from brackish water
and / or salt water which brings us to develop energy devices greenhouse. For this, we need to know
and improve the behavior of materials used in the design of its devices, including functional
materials, used for their physical properties, such as conductivity, optical properties and radiative
properties ...
We will focus in this work on polymers used as film noir heat absorber such as polyethylene (PE)
where the issue of the sustainability of PE is then clearly stated materials.
The objective of this thesis is, first of all, the study of energy behavior of PE as heat absorber, and
then see the influence of aging on the sustainability and efficiency of solar devices greenhouse.
Thus, our work will be divided into four parts:
The first will be devoted to literature study on greenhouse devices such as solar collectors to
establish the various functional materials (absorbers, insulating, transparent) by their nuances, their
properties and structures. This leads us to develop thermoplastic polymeric materials with more
details on the microstructure and morphology of semi-crystalline polymers, the PE is a part, and to
introduce the main concepts covered in the study to show the role and interest of the choice of
material studied in the production and design of devices greenhouse. We discuss the energy
behavior of polymers and behavior thermal damage (aging) polymers.
The second part focuses on describing the physico-chemical characterization of the EP, and the
analysis of the initial microstructure. The important part of polyethylene as heat absorber material
shows the high stakes involved in this study. Therefore, we conduct measures some properties such
as emissivity and thermal and other properties of the material studied to validate our choice
conductivity. As an application, we display two experiments performed in the laboratory on the
solar still and the solar energy to study their behavior. And finally present the characterization
methods aged samples of PE to target its aging phenomena.
Then, we discuss the numerical simulation from the modeling of the energy behavior of devices
greenhouse. In this context, we propose a mathematical model and numerical analysis vis-à-vis the
energy behavior of the two solar systems described in the previous chapter.
The last part will be devoted to results and discussions by comparing numerical results and
experience to better interpret the energy effect and the choice of materials and interpret the behavior
of PE damage. Thus, we will describe the behavior due to thermal aging of PE and PE view
degradation that affects its properties in general.
We studied the energy behavior of low density polyethylene used as an absorbent in an
experimental simulation of a prototype solar still and a digital simulation material. The study was
complemented by material aging characterization where the major problem encountered for
thermoplastic polymers such as PE about their life where many studies have been conducted.
Understanding and predicting the durability of these materials with respect to their degradation are,
in general, less advanced and quite disparate depending on the mode of aging. All materials used in
the devices greenhouse is characterized by their instability more slower over time vis-à-vis the solar
radiation and especially its ultraviolet fraction (UV).
Keywords: Polyethylene - Solar distiller - Energy Behavior – Aging mode.
:ﺺﺨﻠﻣ
ﺔﻗﺎﻄﻟا ةﺰﻬﺟأ ﺮﻳﻮﻄﺗ ﻰﻟإ ﺎﻧدﻮﻘﻳ يﺬﻟا ﺢﻟﺎﻤﻟا ءﺎﻤﻟا وأ / و ﺔﺤﻟﺎﻤﻟا ﻩﺎﻴﻤﻟا ﻦﻣ ﺔﺑﺬﻌﻟا ﻩﺎﻴﻤﻟا جﺎﺘﻧﻹ ﺔﻴﺴﻤﺸﻟا ﺔﻳراﺮﺤﻟا ﺔﻗﺎﻄﻟا تﺎـﻘﻴﺒﻄﺗ ﻦﻣ ةﺪﺣاو
،ﺔﻴﻨﻔﻟا داﻮﻤﻟا ﻚﻟذ ﻲﻓ ﺎﻤﺑ ،ةﺰﻬﺟﻷا ﻢﻴﻤﺼﺗ ﻲﻓ ﺔﻣﺪﺨﺘﺴﻤﻟا داﻮﻤﻟا كﻮﻠﺳ ﻦﻴﺴﺤﺗو ﺔﻓﺮﻌﻣ ﻰﻟإ ﺔﺟﺎﺤﺑ ﻦﺤﻧ ،اﺬﻬﻟ .يراﺮﺤﻟا سﺎﺒﺘﺣﻼﻟ ﺔﺒﺒﺴﻤﻟا
... ﻲﻋﺎﻌﺷﻹا ﺺﺋﺎﺼﺧو ﺔﻳﺮﺼﺒﻟا ﺺﺋﺎﺼﺨﻟا ،ﺔﻴﻠﺻﻮﻤﻟا ﻞﺜﻣ ،ﺔﻴﺋﺎﻳﺰﻴﻔﻟا ﺎﻬﺼﺋﺎﺼﺨﻟ مﺪﺨﺘﺴﺗو
ﺔﻟﺄﺴﻣ ﺮﻛذ داﻮﻣ ﻚﻟذ ﺪﻌﺑ ﻢﺘﻳ ﺚﻴﺣ (PE) ﻦﻴﻠﻴﺛإ ﻲﻟﻮﺒﻟا ﻞﺜﻣ صﺎﺼﺘﻣا ةراﺮﺤﻟا ﺮﻳﻮﻧ ﻢﻠﻴﻔﻟا مﺪﺨﺘﺴﺗ تاﺮﻤﻴﻟﻮﺒﻟا ﻰﻠﻋ ﻞﻤﻌﻟا اﺬﻫ ﻲﻓ ﺰﻛﺮﻨﺳ
.ﺢﺿاو ﻞﻜﺸﺑ PE ﺔﻣاﺪﺘﺳا
ﻰﻠﻋ ﺔﺧﻮﺨﻴﺸﻟا ﺮﻴﺛﺄﺗ ىﺮﻧ ﻢﺛ ﻦﻣو ،ةراﺮﺤﻟا صﺎﺼﺘﻣا ﺎﻤﻛ PE ﻦﻣ ﺔﻗﺎﻄﻟا كﻮﻠﺴﻟا ﺔﺳاردو ،ءﻲﺷ ﻞﻛ ﻞﺒﻗو ﻻوأ ،ﻮﻫ ﺔﻟﺎﺳﺮﻟا ﻩﺬﻫ ﻦﻣ فﺪﻬﻟا
: ءاﺰﺟأ ﺔﻌﺑرأ ﻰﻟإ ﺎﻨﻠﻤﻋ ﻢﻴﺴﻘﺗ ﻢﺘﻴﺳ ،ﻲﻟﺎﺘﻟﺎﺑو .ير اﺮﺤﻟا سﺎﺒﺘﺣﻼﻟ ﺔﺒﺒﺴﻤﻟا ﺔﻴﺴﻤﺸﻟا ﺔﻗﺎﻄﻟا ةﺰﻬﺟأ ةءﺎـﻔﻛو ﺔﻣاﺪﺘﺳا

صﺎﺼﺘﻣا) ﺔﻴﻨﻔﻟا داﻮﻤﻟا ﻒﻠﺘﺨﻣ ﺔﻣﺎـﻗﻹ ﺔﻴﺴﻤﺸﻟا ﺔﻗﺎﻄﻟا ﻊﻴﻤﺠﺗ ﻞﺜﻣ يراﺮﺤﻟا سﺎﺒﺘﺣﻼﻟ ﺔﺒﺒﺴﻤﻟا ةﺰﻬﺟﻷا ﻰﻠﻋ بدﻷا ﺔﺳارﺪﻟ ﺺﺼﺨﺘﺳ لوأ
ﻞﻴﺻﺎـﻔﺘﻟا ﻦﻣ ﺪﻳﺰﻣ ﻊﻣ ةراﺮﺤﻟﺎﺑ ﺔﻳﺮﻤﻴﻟﻮﺒﻟا داﻮﻤﻟا ﺮﻳﻮﻄﺗ ﻰﻟإ ﺎﻧدﻮﻘﻳ اﺬﻫ .ﺎﻬﻠﻛﺎﻴﻫو ﺺﺋﺎﺼﺨﻟاو ،ﺔﻔﻠﺘﺨﻤﻟا ﺎﻬﺗﺎﺟرﺪﺑ لﻼﺧ ﻦﻣ (ﺔﻓﺎـﻔﺷو ﺔﻟزﺎﻋ
و رود رﺎﻬﻇﻹ ﺔﺳارﺪﻟا ﻩﺬﻫ ﺎﻬﺘﻠﻤﺷ ﻲﺘﻟا ﺔﻴﺴﻴﺋﺮﻟا ﻢﻴﻫﺎـﻔﻤﻟا لﺎﺧدإو ،ﻪﻨﻣ ءﺰﺟ ﻮﻫ PEو ،ﺔﻳرﻮﻠﺒﻟا ﻪﺒﺷ تاﺮﻤﻴﻟﻮﺒﻟا ﺔﻴﺟﻮﻟﻮﻓرﻮﻣو ﺔﻳﺮﻬﺠﻤﻟا لﻮﺣ
رﺮﻀﻟاو تاﺮﻤﻴﻟﻮﺒﻟا ﻦﻣ ﺔﻗﺎﻄﻟا كﻮﻠﺳ ﺶﻗﺎﻨﻧ ﻦﺤﻧ .يراﺮﺤﻟا سﺎﺒﺘﺣﻼﻟ ﺔﺒﺒﺴﻤﻟا ةﺰﻬﺟﻷا ﻢﻴﻤﺼﺗو جﺎﺘﻧإ ﻲﻓ سرد داﻮﻤﻟا رﺎﻴﺘﺧا ﻦﻣ ةﺪﺋﺎـﻔﻟا
.تاﺮﻤﻴﻟﻮﺒﻟا (ﺔﺧﻮﺨﻴﺸﻟا) كﻮﻠﺴﻟا يراﺮﺤﻟا

ةدﺎﻤﻛ ﻦﻴﻠﺜﻳا ﻲﻟﻮﺒﻟا ﻦﻣ ﻢﻬﻤﻟا ءﺰﺠﻟا .ﻲﻟوﻷا ﺔﻳﺮﻬﺠﻤﻟا ﻞﻴﻠﺤﺗو ،EPﻞﻟ ﺔﻴﺋﺎﻴﻤﻴﻜﻟاو ﺔﻴﺋﺎﻳﺰﻴﻔﻟا ﺺﺋﺎﺼﺧ ﻒﺻو ﻰﻠﻋ ﻲﻧﺎﺜﻟا ءﺰﺠﻟا ﺰﻛﺮﻳو
صاﻮﺨﻟاو ﺔﻴﺛﺎﻌﺘﺑﻻا ﻞﺜﻣ ﺺﺋﺎﺼﺧ ﺮﻴﺑاﺪﺘﻟا ﺾﻌﺑ ءاﺮﺟﺈﺑ مﻮﻘﻧ ،اﺬﻟ .ﺔﺳارﺪﻟا ﻩﺬﻫ ﺎﻬﻴﻠﻋ يﻮﻄﻨﺗ ﻲﺘﻟا ﺮﻃﺎﺨﻤﻟا ﺔﻴﻟﺎﻋ ﺮﻬﻈﻳ ةراﺮﺤﻟا صﺎﺼﺘﻣا
ﻻ ﺔﻴﺴﻤﺸﻟا ﺔﻗﺎﻄﻟا ﻰﻠﻋ ﺮﺒﺘﺨﻤﻟا ﻲﻓ ﺖﻳﺮﺟأ ﻦﻴﺘﺑﺮﺠﺗ ضﺮﻌﻧ ،ﻖﻴﺒﻄﺘﻛ .رﺎﻴﺧ ﺎﻨﻳﺪﻟ ﻞﻴﺻﻮﺘﻟا ﺔﺤﺻ ﻦﻣ ﻖﻘﺤﺘﻠﻟ سرد داﻮﻤﻟا ﻦﻣ ﺎﻫﺮﻴﻏو ﺔﻳراﺮﺤﻟا
ﺮﻫاﻮﻇ فاﺪﻬﺘﺳﻻ PE ﻦﻣ تﺎﻨﻴﻋ ﻦﻴﺑ ﻢﻫرﺎﻤﻋأ حواﺮﺘﺗ ﻦﻳﺬﻟا ﻒﻴﺻﻮﺗ ﺐﻴﻟﺎﺳأ ﻢﻳﺪﻘﺗ اﺮﻴﺧأو .ﻢﻬﻛﻮﻠﺳ ﺔﺳارﺪﻟ ﺔﻴﺴﻤﺸﻟا ﺔﻗﺎﻄﻟاو لاﺰﺗ
.ﺎﻬﻟ ﺔﺧﻮﺨﻴﺸﻟا

جذﻮﻤﻧ حﺮﺘﻘﻧ ﺎﻨﻧﺈـﻓ ،قﺎﻴﺴﻟا اﺬﻫ ﻲﻓ .يراﺮﺤﻟا سﺎﺒﺘﺣﻼﻟ ﺔﺒﺒﺴﻤﻟا ةﺰﻬﺟﻸﻟ ﺔﻗﺎﻄﻟا كﻮﻠﺳ ﺔﺟﺬﻤﻧ ﻦﻣ ﺔﻳدﺪﻌﻟا ةﺎﻛﺎﺤﻤﻟا ﺶﻗﺎﻨﻧ ﻦﺤﻧو ،ﻢﺛ
.ﻖﺑﺎﺴﻟا ﻞﺼﻔﻟا ﻲﻓ ﺎﻬﻔﺻو ﺔﻴﺴﻤﺸﻟا ﺔﻗﺎﻄﻟا ﺔﻤﻈﻧأ ﻦﻣ ﻦﻴﻨﺛا ﻦﻣ ﺔﻗﺎﻄﻟا كﻮﻠﺴﻟا ﻊﻣ ﻪﺟﻮﻟ ﺎﻬﺟو يدﺪﻌﻟا ﻞﻴﻠﺤﺘﻟاو ﻲﺿﺎﻳر

داﻮﻤﻟا رﺎﻴﺘﺧاو ﺔﻗﺎﻄﻟا ﺮﻴﺛﺄﺘﻠﻟ ﻞﻀﻓأ ﺮﻴﺴﻔﺘﻟ ةﺮﺒﺨﻟاو ﺔﻳدﺪﻌﻟا ﺞﺋﺎﺘﻨﻟا ﺔﻧرﺎـﻘﻣ لﻼﺧ ﻦﻣ تﺎﺸﻗﺎﻨﻤﻟاو ﺞﺋﺎﺘﻧ ﻰﻟإ ﺮﻴﺧﻷا ءﺰﺠﻟا ﺺﺼﺨﻴﺳو
رﻮﻫﺪﺗ ﻦﻴﻠﻴﺜﻳا ﻲﻟﻮﺒﻟاو ﻦﻴﻠﻴﺜﻳا ﻲﻟﻮﺒﻟا ﻦﻣ ﺔﻳراﺮﺤﻟا ﺔﺧﻮﺨﻴﺸﻟا ﺐﺒﺴﺑ كﻮﻠﺴﻟا ﻒﺼﺗ فﻮﺳ ﺎﻨﻧﺈـﻓ ،ﻲﻟﺎﺘﻟﺎﺑو .PE رﺮﻀﻟا ﻦﻣ كﻮﻠﺴﻟا ﺮﻴﺴﻔﺗو
.ﺔﻣﺎﻌﻟا ﻪﺼﺋﺎﺼﺧ ﻲﻓ ﺮﺛﺆﻳ نأ ﻩدﺎـﻔﻣ
ﺔﻴﺴﻤﺸﻟا لاﺰﻳ ﻻ ﻲﻟوﻷا جذﻮﻤﻨﻟا ﻦﻣ ﺔﻴﺒﻳﺮﺠﺗ ةﺎﻛﺎﺤﻣ ﻲﻓ ﺔﺻﺎﻣ ﺎﻬﻔﺻﻮﺑ ﺎﻬﻣاﺪﺨﺘﺳا ﺔﻓﺎﺜﻜﻟا ﺾﻔﺨﻨﻣ ﻦﻴﻠﻴﺛا ﻲﻟﻮﺒﻟا ﻦﻣ ﺔﻗﺎﻄﻟا كﻮﻠﺳ ﺎﻨﺳرد
تاﺮﻤﻴﻟﻮﺒﻟﻻ ﺎﻬﺘﻬﺟاو ﻲﺘﻟا ﺔﻴﺴﻴﺋﺮﻟا ﺔﻠﻜﺸﻤﻟا ﻦﻤﻜﺗ ﻦﻳأ ﺔﺧﻮﺨﻴﺸﻟا داﻮﻤﻟا ﻒﻴﺻﻮﺗ ﻲﺘﻟا ﺔﺳارﺪﻟا ﺖﻠﻤﻜﺘﺳا ﺪﻗو .ﺔﻴﻤﻗﺮﻟا ةﺎﻛﺎﺤﻤﻟا داﻮﻤﻟاو
،ﻲﻫ ﺎﻫرﻮﻫﺪﺗ ﻖﻠﻌﺘﻳ ﺎﻤﻴﻓ داﻮ ﻤﻟا ﻩﺬﻫ ﺔﻧﺎﺘﻣ ﺆﺒﻨﺘﻟاو ﻢﻬﻓ .تﺎﺳارﺪﻟا ﻦﻣ ﺪﻳﺪﻌﻟا ءاﺮﺟإ ﻢﺗ ﺚﻴﺣ ﻢﻬﺗﺎﻴﺣ ﻦﻋ ﻦﻴﻠﻴﺜﻳا ﻲﻟﻮﺒﻟا ﻞﺜﻣ ﺔﻳراﺮﺤﻟا
ﺐﺒﺴﺑ يراﺮﺤﻟا سﺎﺒﺘﺣﻼﻟ ﺔﺒﺒﺴﻤﻟا ةﺰﻬﺟﻷا ﻲﻓ ﺔﻣﺪﺨﺘﺴﻤﻟا داﻮﻤﻟا ﻊﻴﻤﺟ ﺰﻴﻤﺘﺗو .ﺔﺧﻮﺨﻴﺸﻟا ﻊﺿﻮﻟ ﺎﻌﺒﺗ اﺪﺟ ﺔﻨﻳﺎﺒﺘﻤﻟاو ﺎﻣﺪﻘﺗ ﻞـﻗأ ،ﺔﻣﺎﻋ ﺔﻔﺼﺑ
.(UV) ﺔﻴﺠﺴﻔﻨﺒﻟا قﻮﻓ ﺔﻌﺷﻷا ءﺰﺟ ﻲﻓ ﺎﺻﻮﺼﺧو ﻲﺴﻤﺸﻟا عﺎﻌﺷﻹا ﻊﻣ ﻪﺟﻮﻟ ﺎﻬﺟو ﺖﻗﻮﻟا روﺮﻣ ﻊﻣ ﺄﻄﺑأ ﺮﺜﻛأ ﻮﺤﻧ ﻰﻠﻋ راﺮﻘﺘﺳﻻا مﺪﻋ
.ﺔﺧﻮﺨﻴﺸﻟا – ﺔﻗﺎﻄﻟا كﻮﻠﺳ - ﺔﻴﺴﻤﺸﻟا ﺔﻗﺎﻄﻟا تﺎﻌﻤﺠﻣ - ﻦﻴﻠﺜﻳا ﻲﻟﻮﺑ :ﺔﻴﺴﻴﺋﺮﻟا تﺎﻤﻠﻜﻟا
AVANT- PROPOS
On m'aurait dit au début de la rédaction que les remerciements seraient la partie la plus
difficile à écrire, je n'y aurais pas cru. Et pourtant, je peux le confirmer maintenant. Ils
représentent bien souvent la partie la plus lue d'un mémoire de thèse, ou du moins celle qu'un
lecteur regardera naturellement en premier. Il s'agit donc de trouver les mots justes pour
chacun, tout en n'oubliant personne. Je commencerai donc par remercier toute personne que
j'aurais pu malencontreusement oublier par la suite. Contrairement aux idées reçues, une thèse
n'est pas le résultat d'un travail purement personnel. Au-delà d'être une expérience scientifique
incroyable, c'est également une aventure humaine inoubliable qui m'a permis de rencontrer et
côtoyer des personnes extraordinaires, qui ont contribué, de près ou de loin, à l'aboutissement
de ce travail. C'est donc naturellement et en toute sincérité que je vais maintenant remercier
l'ensemble des personnes qui m'ont entourée pendant ces quelques années !

En avant-propos de ce manuscrit, j’aimerais remercier ceux qui me sont les plus chers :
mes parents et mon épouse. Merci pour tout l'amour que vous m'avez donné depuis toujours.
Je vous suis vraiment reconnaissant pour tout ce que vous m'avez apporté et tout ce que vous
m'apportez encore chaque jour. Je n’en serais pas là sans l’environnement idéal que vous
m'avez offert pendant toutes ces années. L'éducation exemplaire que vous m'avez donnée et
les valeurs morales que vous m'avez inculquées sont pour beaucoup dans la personne que je
suis devenue. Les mots me manquent pour exprimer tout ce que j'éprouve pour vous…
Je tiens tout d'abord à remercier les personnes qui m’ont le plus soutenue pendant cette
période de ma vie. Il s'agit de mes directeurs de thèse : Monsieur Abderrahim
BENMOUSSAT Professeur à l’université de Tlemcen et Docteur Ahmed AZZI Maître de
conférences « A » à l’université de Tlemcen. Je tiens à leur exprimer toute ma gratitude pour
leur aide technique, scientifique et morale ; pour leur encouragement et surtout pour la
patience et la disponibilité dont ils ont fait preuve à mon égard.

Je tiens ensuite à adresser mes remerciements à l'ensemble des membres du jury pour
le temps qu'ils ont accordé à la relecture du manuscrit. Je remercie en particulier Monsieur
Omar SEBBANE Maître de conférences « A » à l’université de Tlemcen, non seulement
pour l’honneur qu’il me fait de présider ce jury ; mais aussi pour sa générosité et son
encouragement.

Je suis très honorée par la présence de Monsieur Amine BOUDGHENE
STAMBOULI professeur à l’USTMB d’Oran, de Monsieur Nasreddine MEKKAKIA-
MAAZA professeur à l’USTMB d’Oran, de Monsieur Rachid BENCHRIFA professeur à
l’université Mohamed V de Rabat au Maroc et de Monsieur Chakib SELADJI Maître de
conférences « A » à l’université de Tlemcen ; et je les remercie pour avoir accepté de siéger
dans ce jury en tant que examinateurs, pour leur expérience et le regard critique qu'ils ont
porté sur mon travail.
TABLE DES MATIERES
Table des matières

Avant-propos
Table des matières
Introduction générale ………………………………………………………………… 01
Références bibliographiques …………………………………………………………. 05
Chapitre 1 : Etude bibliographique sur les matériaux des dispositifs à effet de serre 06
Introduction …………………………………………………………………………... 07
I. Caractéristiques physiques et géométriques Solaires …………………………... 07
1.1 Géométrie et atmosphère …………………………………...………………... 08
1.2 Constante solaire I …………………………………………………………... 08
0
1.3 Rayonnement solaire dans le système Terre – Soleil ………………………… 09
1.3.1 Déclinaison du soleil (δ) ………………………………………………… 09
1.3.2 Angle horaire (w) ……………………………………………………… 09
1.3.3 Latitude du lieu (L) ……………………………………………………... 09
1.3.4 hauteur (h) ………………………………………………………………. 10
1.3.5 Angle d’incidence θ …………………………………………………….. 10
1.4 Composante du rayonnement solaire ………………………………………… 10
1.5 Conversion par effet thermique ……………………………………………… 10
1.6 Lois de rayonnement thermique ……………………………………………… 12
II. Matériaux fonctionnels …………………...………………………………………. 14
2.1 Matériaux absorbeurs ………………………………………………………… 14
2.2 Matériaux transparents ………………………………………………………. 18
2.3 Matériaux isolants ……………………………………………………………. 19
2.3.1 Isolants fibreux ………………………………………………………….. 20
2.3.2 Isolants cellulaires ……………………………………………………… 21
2.3.3 Isolants pulvérulents, nodulaires ou granulaires ………………………... 22
2.3.4 Superisolants ……………………………………………………………. 22
III. Les matériaux polymères ……………………………………………………….. 23
3.1 Polymères thermoplastiques …………………………………………………. 23
3.1.1 Les amorphes ……………………………………………………………. 23
3.1.2 Les semi cristallins ……………………………………………………… 23
3.2 Propriétés ………………..…………………………………………………… 24
3.2.1 Volume spécifique ………………………………………………………. 24
3.2.2 Conductivité thermique …………………………………………………. 24
3.2.3 Module d’élasticité ……………………………………………………… 24
3.2.4 Rhéologie ……………………………………………………………….. 25
3.3 Le polyéthylène ……………………………………………………………… 25
3.3.1 Synthèse du polyéthylène ………..……………………………………… 25
3.3.2 Structure et morphologie du polyéthylène ……………………………… 27
3.3.3 Propriétés physiques …………………………………………………... 31
3.3.4 Propriétés chimiques …………………………………………………... 33
IV. Vieillissement des polymères semi-cristallins ………………………………….. 34
4.1 Vieillissement physique ……………………………………………………… 34
4.2 Vieillissement chimique ……………………………………………………… 34
4.3 Vieillissement du polyéthylène .……………………………………………… 36
4.3.1 Perte physique des antioxydants ………………………………………... 37
4.3.2 Oxydation du polyéthylène …………………………………………… 40
4.3.3 Vieillissement thermique ………………………………………………... 40
4.3.4 Vieillissement photochimique …………………………………………... 45
4.3.5 Vieillissement naturel …………………………………………………… 53
4.4 Stabilisation ………………………………………………………………….. 55
V. Synthèse bibliographique ………………………...……………………………... 59
VI. Conclusion ……………………………………………………………………… 75
VII. Références bibliographique ……………………………………………………... 76
Chapitre 2 : Matériel et méthodes …………………………………………………... 91
Introduction …………………………………………………………………………... 92
I. Choix du matériau d’étude ………………………………………………………... 92
1.1 Problématique sur la conception du dispositif à effet de serre ………………. 93
1.2 Choix du matériau fonctionnel ……………………………………………… 95
II. Caractérisation du matériau d’étude ……………………………………………… 96
2.1 Composition chimique ………………………………………………………. 96
2.2 Emissivité …………………………………………………………………….. 97
2.2.1 Structure et fonctionnement de l'émissomètre portable ………………… 98
2.2.2 Protocole de mesure …………………………………………………… 100
2.2.3 Détermination de l'émissivité …………………………………………… 101
2.3 Masse volumique …………………………………………………………….. 103
2.4 Conductivité thermique et diffusivité thermique …………………………….. 104
2.4.1 Dispositif expérimental …………………………………………………. 104
2.4.2 Propriétés thermophysiques …………………………………………….. 107
III. Techniques expérimentales de caractérisation du vieillissement du PE ………….. 107
3.1 Diffraction des rayons X (DRX) ……………………………………………... 107
3.1.1 Principe …………………………………………………………….......... 107
3.1.2 Conditions d’analyse ……………………………………………………. 108
3.2 Microscopie électronique à balayage (MEB) ………………………………... 109
3.2.1 Principe …………………………………………………………….......... 109
3.2.2 Conditions d’analyse ……………………………………………………. 109
3.3 Analyse thermique …………………………………………………………… 109
3.3.1 Principe …………………………………………………………….......... 109
3.3.2 Conditions d’analyse ……………………………………………………. 110
3.4 Calorimétrie différentielle à balayage (DSC) ……………………………… 110
3.4.1 Température de fusion et taux de cristallinité …………..………………. 111
3.4.2 Temps d’induction à l’oxydation (TIO) ………………………………… 112
3.5 Spectroscopie d’absorption UV- visible du solide …………………………… 113
3.5.1 Principe …………………………………………………………….......... 113
3.5.2 Transmission ……………………………………………………………. 113
3.5.3 Réflexion ………………………………………………………………... 113
3.5.4 Conditions d’analyse ……………………………………………………. 114
3.5.5 Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) …………….. 115
IV. Tests de la conversion thermosolaire …………………………………………… 115
4.1 Conception du distillateur solaire ……………………………………………. 116
4.2 Tests d’exposition solaire ……………………………………………………. 119
4.2.1 Tests d’exposition solaire avec film polymère noir …………………….. 122
4.2.2 Tests d’exposition solaire avec film polymère sur support en acier ……. 132
4.3 Conception du capteur solaire ……………………………………………….. 141
4.3.1 Description du banc d’essai …………………………………………… 141
4.3.2 Mesures de l’éclairement ……………………………………………….. 143
V. Conclusion ……………………………………………………………………… 148
VI. Références bibliographiques ……………………………………………………. 148
Chapitre 3 : Modélisation et simulation numérique ………………………………… 151
Introduction …………………………………………………………………………... 152
I. Bilan énergétique …………………………………………………………………. 152
1.1 Distillateur solaire …..……………………………………………………… 152
1.1.1 Les paramètres et caractéristiques de fonctionnement ………………….. 152
1.1.2 Modélisation mathématique …………………………………………….. 153
1.1.3 Simulation numérique …………………………………………………... 157
1.2 Capteur solaire ………..……………………………………………………… 162
1.2.1 Les paramètres et caractéristiques de fonctionnement ………………….. 162
1.2.2 Paramètres de performance des capteurs solaires ………………………. 163
1.2.3 Transfert thermique dans les capteurs solaire ………………………....... 165
1.2.4 Modélisation mathématique …………………………………………….. 169
1.2.5 Simulation numérique …………………………………………………... 172
II. Conclusion ……………………………………………………………………… 174
III. Références bibliographiques ……………………………………………………. 174
Chapitre 4 : Résultats et discussions ………………………………………………... 177
Introduction …………………………………………………………………………... 178
I. Propriétés du matériau d’étude …………………………………………………… 178
1.1 Emissivité …………………………………………………………………….. 178
1.2 Masse volumique …………………………………………………………….. 178
1.3 Conductivité thermique, Diffusivité thermique, Capacité thermique massique 179
1.4 Autres propriétés ……………………………………………………………... 179
II. Comportement énergétique du polyéthylène sous exposition solaire …………….. 179
2.1 Distillateur solaire ……………………………………………………………. 179
2.1.1 Distillateur avec film PE seul …………………………………………… 179
2.1.2 Distillateur solaire avec Bac + PE ………………………………………. 191
2.2 Capteur solaire ……………………………………………………………….. 207
2.2.1 Variation des pertes de chaleur …………………………………………. 210
2.2.2 Variation du rendement thermique en fonction de l'écart de température 211
III. Comportement en vieillissement du polyéthylène sous exposition thermique 212
3.1 Échantillonnage ………………………………………………………………. 213
3.2 Conditions de vieillissement …………………………………………………. 213
3.3 Etude analytique du vieillissement …………………………………………... 213
3.3.1 Caractérisation initiale ……………………………………...…………… 213
3.3.2 Prise d’eau ………………………………………………………………. 222
3.3.3 Caractérisation du vieillissement ……………………………………… 223
3.3.4 Représentativité du PE ………………………………………………… 227
3.3.5 Représentativité du PE ………………………………………………….. 228
3.4 Pertes des antioxydants au cours du vieillissement thermique ………………. 228
3.4.1 Cas du vieillissement dans l’air ………………………………..………… 229
3.4.2 Cas du vieillissement dans l’eau …………………………………………. 233
IV. Conclusion ……………………………………………………………………… 238
V. Références bibliographiques ……………………………………………………. 239
Conclusion générale et perspectives 241