Etude bibliographique sur les matériaux des dispositifs à effet de serre

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Stabilisation

La plupart des polymères nécessite l’utilisation de stabilisants et/ou antioxydants afin d’inhiber les réactions d’oxydation pouvant se produire tout au long de leur cycle de vie [129]. Selon de nombreux auteurs, les deux principales voies de stabilisation seraient de capter les radicaux libres afin d’entraver la propagation de l’oxydation et ainsi de décomposer les hydroperoxydes afin de retarder l’amorçage de l’oxydation.
Décomposeurs d’hydroperoxydes : Concernant les décomposeurs d’hydroperoxydes, il semblerait d’après Zweifel [129], qu’ils soient efficaces et adaptés s’ils ont la capacité de transformer les POOH en espèces non radicalaires et thermiquement stables. Dans le cas particulier des polymères mis en forme à l’état fondu, cet auteur précise que les composés les plus couramment utilisés pour décomposer les hydroperoxydes sont les phosphites trivalents associés à des antioxydants phénoliques. La Figure 52 illustre la réaction de réduction d’un hydroperoxyde par un phosphite. De nombreux auteurs précisent que les phosphites peuvent participer à d’autres réactions [46][129][132]. Ils pourraient apparaître comme des réducteurs de peroxyles (Figure 53) et de radicaux alkoxyles (Figure 54).
Figure 52 : Réduction d’un hydroperoxyde par un phosphite.
Figure 53 : Réduction d’un radical peroxyl par un phosphite.
Figure 54 : Substitution d’un radical alkoxyl par un phosphite.
De plus, selon différents auteurs [61] [133], les phosphites pourraient s’hydrolyser (Figure 55). A titre d’exemple, d’après Zweifel [129], les espèces acides formées par hydrolyse des phosphites pourraient entraîner la corrosion des métaux en contact direct avec le polymère.
Cependant, selon Schwetlich et Habicher [133], l’oxydation des phosp hites interviendrait, dans la plupart des cas, plus ra pidement que l’hydrolyse.
Figu re 55 : Hydrolyse d’un phosphite.
Capteurs de radicaux : Outre les décomposeurs d’hydroperoxyd es, une autre voie permettant d’inhiber l’oxydat ion consisterait, selon Zweifel [129], à ca pturer des radicaux alkyl. Ce même auteur rapp orte que la réaction quasi instantanée de ces radicaux avec l’oxygène rendrait difficile le ur capture par un antioxydant. Il fait toutefois remarquer que les radicaux peroxyles, formés pa r réaction des radicaux alkyl avec le dioxygène, seraient moins réactifs que les radicaux alky l. Ainsi, l’effet donneur d’hydrogène de ce rtains antioxydants serait en mesure de limiter la propagation de l’oxydation. Les antiox ydants phénoliques seraient, selon Zweifel [129], les plus largement utilisés pour capter les radicaux. Leur réaction avec un radical pero xyl s’écrit, d’après Pospisil et Nespurek [1 34], de la manière
suivante: AH + PO2° → A+° PO 2− → A° + POOH ks1 .Selon ce même a uteur, les radicaux phénoxy formés seraient st abilisés par isomérie. Les réactions seco ndaires entre leurs isomères et les radicaux perox yles sont résumées sur la Figure 56.
Figure 56 : Réactions po ssibles des phénols et leurs sous-produits av ec les radicaux Peroxyles [129].
Figure 57 : Variation de la stabilité résiduelle d’un PEhd stabilisé par l’Ir ganox 1010 (□) et l’Hostanox O3 (○) au cours du vieillissement dans l’eau à 80° C [135]
Nagy et al. [135], quant à eux, ont étudié les pertes en antioxydants de films de PEhd stabilisés par deux types d’antioxydants phénoliques : l’Irganox 1010 et l’Hostanox O3 au cours de leur immersion dans l’eau à 80°C. Le suivi du TIO (Figure 57), ont permis à ces auteurs de montrer que la perte en antioxydants était plus importante dans le cas de l’Irganox1010. Pour expliquer cette différence, des tests complémentaires ayant pour objectif de vérifier la stabilité des antioxydants directement placés dans l’eau ont été effectués. Ainsi, par analyse UV ils ont observé une diminution de 80% en 10 jours de l’absorbance des phénols dans le cas de l’Irganox 1010, mais aucune évolution significative dans le cas de l’HostanoxO3. De ces observations Nagy et al. [135] suggèrent une hydrolyse de l’Irganox 1010 alors que l’Hostanox O3 resterait stable en milieu aqueux à 80°C. Nagy et al. [135] ainsi que Bertholdo et Ciardelli [61] ont proposé des mécanismes d’hydrolyse de l’antioxydant phénolique (Irganox 1010). Dans les deux cas, l’hydrolyse de l’ester serait la réaction la plusprobable (Figure 58).
Figure 58 : Hydrolyse des fonctions ester de l’Irganox 1010 [61].
Ainsi, comme nous venons de le voir, la stabilisation des polyoléfines passe principalement par deux voies : la décomposition des hydroperoxydes par voie non radicalaire et la capture des radicaux. Cependant, il est à noter que les antioxydants ne réagissent pas seulement avec les produits de dégradation. En effet, certains peuvent être sensibles à l’environnement et plus particulièrement à l’eau. Dans le paragraphe suivant, nous nous intéresserons à l’effet du noir de carbone.
Noir de carbone : Selon Allen et al. [135], le noir de carbone serait multifonctionnel et pourrait, par exemple, agir comme un puissant absorbeur UV (facteur de stabilité aux UV proche de 12) et visible, opérer comme un désactivateur d’espèces excitées et participer à la décomposition des hydroperoxydes. Jackab et Omastova [130] ont étudié la stabilité thermique, à 400°C, d’un PEbd chargé par 30% en masse de noir de carbone par analyse thermogravimétrique et par chromatographie en phase gaz couplée à la spectrométrie de masse. Ils ont observé une augmentation de 36°C de la température de dégradation thermique du polymère après incorporation de noir. Ces auteurs ont interprété cette augmentation de température par une meilleure stabilité associée au fait que les particules de noir participeraient à l’hydrogénation des premiers macroradicaux et retarderaient la réaction radicalaire de dégradation thermique. Des résultats similaires ont été rapportés par Jackab et Blazco [131] dans le cas d’un PEhd chargé par 50% en masse de noir de carbone.
Figure 59 : Structure du noir de carbone d’après Allen
Phease et al. [136] ont, quant à eux, étudié l’influence du noir de carbone sur un PEmd stabilisé par un mélange synergique de phénol (Irganox 1010) et de phosphite (Irgafos 168).Ils ont mesuré le temps d’induction à l’oxydation (TIO) par DSC et ont observé une augmentation linéaire du TIO avec la quantité de noir de carbone pour des fractions massiques comprises entre 2 et 5,6% : (39)
Où k est une constante, [CB] la fraction massique de noir de carbone etτ0 le TIO en l’absence de noir.
Ces mêmes auteurs se sont intéressés à l’interaction des antioxydants avec les particules de noir de carbone. Ils ont observé, dans le cas de films de PEmd de 0,5 mm d’épaisseur chargés de noir de carbone, un rendement d’extraction de l’Irganox 1010 et de l’Irgafos 168 de 80% et 100% respectivement dans du chloroforme à 60°C. A partir de ces observations, ils suggèrent que l’adsorption des antioxydants à la surface du noir ne se produit pas ou peu. Ces conclusions vont à l’encontre de celles faites par Hawkins et al.[82]. Viebke et Gedde [60], quant à eux, se sont intéressés à l’influence du noir de carbone sur la diffusion des antioxydants à travers la paroi de tuyaux en PEmd. Ces auteurs observent des profils de TIO plus plats en l’absence de noir de carbone après exposition à 95°C. Ils suggèrent ainsi que la présence de noir de carbone diminuerait le coefficient de diffusivité des antioxydants. En revanche, en présence d’eau, ces auteurs observent des profils de TIO proches de ceux obtenus en l’absence de noir de carbone. Ils en concluent que la présence d’eau favoriserait la migration de ces antioxydants car l’eau pourrait s’adsorber à la place des antioxydants sur la surface des particules de noir de carbone. Cette partie a mis en évidence le rôle des phosphites et des phénols dans la stabilisation des polyéthylènes. Il apparaît, qu’en plus des réactions avec les produits de dégradation du PE, les phosphites et l’Irganox 1010 seraient sensibles à l’hydrolyse. Outre, les antioxydants, le noir de carbone est aussi utilisé pour protéger les polyéthylènes. Il serait particulièrement efficace contre les UV. Néanmoins, de possibles phénomènes d’adsorption à la surface des particules de noir de carbone pourraient réduire l’efficacité des antioxydants.

Synthèse bibliographique

L’étude des dispositifs solaires à effet de serre est rendue délicate par la complexité des échanges thermiques et massiques se manifestant à l’intérieur et à l’extérieur de ses dispositifs et d’autre part par leurs géométries. Ainsi l’influence du choix des matériaux fonctionnels constituant les capteurs solaires jouent énormément sur leur rendement, et en général ils sont reliés à de nombreux autres problèmes comme l’isolation thermique, le rayonnement solaire incident et le coût du dispositif solaire. Pour ces raisons, la majorité des études sur les capteurs solaires donnent toujours le coût de la réalisation et la production journalière soit en eau distillée soit en énergie stockée. Cette complexité a conduit à un grand nombre de travaux scientifiques ayant trait soit à l’étude du capteur solaire à eau, appelé aussi distillateur solaire, avec plusieurs améliorations dans sa géométrie soit actif pour les capteurs solaires à air avec une alimentation d’énergie. La présentation de ces travaux est l’objet de l’étude qui va suivre. L’amélioration des performances des capteurs solaires consiste à limiter les déperditions thermiques entre l’absorbeur et l’environnement et à augmenter la quantité d’énergie absorbée avec un choix judicieux des composants des capteurs. Ainsi, un certain nombre de travaux ont été faits sur les capteurs solaires dont le but est d’améliorer leur efficacité.
Ainsi, Duffie et al. [137] ont élaboré un modèle pour les capteurs solaires plans. Dans ce modèle, les températures de l’absorbeur, de la plaque arrière et du vitrage sont calculées en considérant le régime stationnaire monodimensionnel. La résolution est basée sur l’analogie électrique. Malgré les hypothèses simplificatrices, ce modèle reste largement utilisé pour la conception et la prédiction. L’influence des conditions internes et externes d’un capteur solaire comme la vitesse du vent et sa direction, le vieillissement de la surface d’absorption, les pertes thermiques par convection, l’inertie thermique et l’angle d’incidence, sur le rendement ont été explorés numériquement par Rodriguez et al. [138] et validé expérimentalement par les mêmes auteurs [139] sur un champ de capteurs solaires plans de 50 m² de surface totale. L’ensemble des capteurs est incliné de 40° (correspondant à la latitude locale Madrid) et le débit du fluide caloporteur est de 0,6 10-3m3/s ce qui correspond à 0,3 10-4m3/s par capteur. L’influence de ces conditions sur le rendement du capteur a été effectuée en comparant avec les performances d’un capteur industriel de type EN-12975. Il ressort de cette étude que l’accroissement du débit augmente la température et l’efficacité. Par ailleurs, comme les expérimentations ont été menées sur une durée de 9 ans afin d’investiguer l’effet du vieillissement, il a été montré que l’efficacité optique est diminuée de 9% passant de 0.85 à0.76 après 9 ans de fonctionnement. Pour étudier le comportement thermique des capteurs solaires, Molero et al. [140] ont mis au point un modèle mathématique tridimensionnel en régime instationnaire. Le modèle permet d’étudier plusieurs configurations : capteur à tubes parallèles, capteur à tube serpentin, capteur à deux plaques parallèles, utilisation d’un fluide absorbant avec plaque semi-transparente ou transparente et utilisation d’un isolant transparent en nid d’abeilles entre la plaque et la couverture. L’effet de la température sur les propriétés thermiques des matériaux a également été examiné. Le modèle permet également d’analyser des températures de l’absorbeur avec un écoulement uniforme et non uniforme. Les résultats ont été validés avec un code de calcul commercial. Minn et al. [141] ont étudié comment la température de l’absorbeur interagit avec le fluide caloporteur, les effets de bord, les pertes globales et le coefficient du transfert thermique du fluide pour un capteur conçu avec une couverture en Tedlar. Ils ont trouvé que la température du fluide à la sortie varie et que le coefficient de perte global augmente avec la température de l’absorbeur. Une analyse sur le comportement d’un capteur à air sous ensoleillement naturel et artificiel a été faite par Letz et al. [142] et ceci en utilisant un modèle basé sur une résolution des équations de bilan thermique par la méthode nodale. Cette étude théorique était validée à partir des essais expérimentaux. L’écart entre le rendement théorique et expérimental était de 3%. Il a était déduit que le débit d’air dans le capteur et la température d’entrée ont une grande influence sur le rendement par contre l’inclinaison et l’éclairement influent très peu. La sélectivité de l’absorbeur est aussi importante pour une amélioration du rendement lorsque la température d’entrée de l’air est élevée. Les pertes diminuent la température de sortie mais améliorent dans certains cas le rendement. Le modèle a permis aussi de corriger les mesures faites sous simulateur solaire. L’influence de l’orientation d’un capteur solaire joue un rôle important sur le rendement des capteurs plans puisqu’elle peut changer le rayonnement solaire atteignant le capteur solaire, Dang et al. [143] ont présenté une étude expérimentale sur l’effet de l’orientation-sud sur le rendement des capteurs solaires plans. L’étude a était faite pour trois latitudes L= 28.38°N (New Delhi), L=12.97°N (Bangalore) et L= 13.0°N (Madras). Il a été constaté que la meilleure performance est obtenue pour une inclinaison d’angle de la latitude de +15° l’hiver et -15° l’été. Par contre pour toute l’année, l’énergie solaire maximale est recueillie lorsque l’inclinaison est de 0.9 fois l’angle de la latitude. Ils n’ont conclu que L’augmentation de l’angle au sud diminue l’efficacité durant l’année. Afin de trouver un absorbeur à revêtement de faible coût, optiquement efficace et de longue durabilité, Henry et al. [144] ont travaillé sur le Nickel noir (Nis ZnS), le Chrome noir (Cr O)et le fer noir (FeO) comme revêtement plaqué sur l’absorbeur ; ils ont trouvé que le noir du nickel (avec une absorptivité α =0.95 et une émissivité ε =0.07) a les meilleures propriétés optiques. Le Chrome noir, qui a montré une mineure dégradation après un test de 192 heures d’exposition à l’humidité, avait la meilleure durabilité alors que le Noir de fer présente le coût le plus bas. L’effet du nombre et des propriétés du vitrage sur les performances thermiques d’un capteur solaire a aussi été considéré. Nous citons le travail expérimental de Youcef-Ali [145] sur des capteurs solaires à double et à triple vitrages auquel il leur a ajouté des plaques rectangulaires (ailettes) minces, de différentes longueurs, orientées parallèlement à l’écoulement, pour augmenter ainsi le transfert thermique et donc les performances du capteur solaire. Pour un débit de 50kg/hm² et un vitrage en polycarbonate, il a trouvé que le capteur à triple vitrage atteint un rendement de 39%, 67%, 68% et 59% avec des longueurs d’ailettes respective de2.5, 5.0, 10.0 et 20.0 cm alors que le capteur à double vitrage atteint les valeurs de 38%, 59%,64% et 56%. Le capteur à double vitrage offre une performance thermique inférieure à celle du triple vitrage. Avec le capteur à triple vitrage, la quantité de rayonnement interceptée et transmise à l’absorbeur est diminuée, mais les pertes globales sont réduites. Pour trouver l’effet de l’espace entre deux vitres sur le rendement thermique d’un capteur solaire plan BenGuehza et al. [146] ont fait une étude théorique sur un capteur à double vitrage, ceci afin de minimiser les pertes thermiques par convection. Le système d’équations est résolu en utilisant la méthode des différences finies avec un schéma explicite. Le système algébrique obtenu est résolu par la méthode itérative de Gauss Seidel. Le capteur est de 1m de longueur et 1,1m de largeur, l’espace entre l’absorbeur et la première vitre est de 1,5cm et l’espace entre la première vitre et la deuxième varie entre 0,1cm et 3cm. Ils ont distingué trois zones, entre 0,1cm et 1,5cm, il y a augmentation de la puissance utile Pu, entre 1,5cm et 2 cm la puissance diminue légèrement et entre 2cm et 3cm la puissance tend vers une valeur constante. La même tendance est observée concernant la température du fluide caloporteur et le rendement. Comme le plastique est une matière de protection contre les casses D. Njomo [147] a procédé à une étude numérique du comportement thermique d’un capteur solaire à air avec couverture combinée plastique-vitre, le plastique utilisé ici est le plexiglas et l’absorbeur est du type corps gris (α =0,83). La simulation est faite en régime quasi-stationnaire. Il découle de l’analyse numérique que les performances thermiques de ce capteur sont sensiblement meilleures que celles obtenues dans le cas d’un capteur à double vitrage de même matériau. Les matériaux copolymères ont commencé à s’introduire dans la conception des capteurs solaires. Ainsi, C. Cristofari et al. [148] cherchent les performances d’une installation solaire thermique dont le collecteur est entièrement fabriqué en copolymère. Ils ont fait une analyse sur l’épaisseur de l’isolation, le débit et l’épaisseur de la couche du fluide caloporteur. La simulation a été effectuée sur une année de fonctionnement avec des données météorologiques réelles. Les auteurs ont trouvé que l’utilisation des matériaux copolymères réduit le poids du collecteur de 50℅ par rapport à un collecteur traditionnel. Après cette description générale sur les travaux relatifs aux capteurs solaires plans, nous allons plus particulièrement nous intéresser aux travaux orientés sur la réduction des pertes thermiques avant. Ainsi, F. Benyelles et al. [149] ont proposé de placer un isolant « aérogel de silice » au-dessus de l’absorbeur. C’est un matériau de faible conductivité thermique et de forte porosité. Les auteurs ont montré que la température du vitrage ne dépasse pas 20°C pour le capteur avec l’aérogel alors que dans les mêmes conditions elle atteint 50°C pour un capteur classique. Quant à Vestlund et al. [150], ils ont remplacé l’air qui se trouve entre l’absorbeur et la couverture en verre par un gaz inerte. Les résultats ont montré que la perte de chaleur globale peut être réduite jusqu’à 20% lors de la modification de l’air par un gaz inerte (Argon, krypton, Xenon). Cependant un travail est nécessaire pour connaître l’influence de l’épaisseur entre l’absorbeur et la vitre et lorsque le gaz change de température. Une autre façon d’améliorer le rendement et de réduire les pertes avant d’un capteur solaire consiste à insérer entre l’absorbeur et la couverture transparente des partitions. Ces partitions ont l’avantage de bloquer le rayonnement émis par la surface réceptrice et réduire les pertes par convection. Ce procédé a été proposé Francia [151] en 1961. Un travail expérimental a été fait par Metwally et al. [152] pour déterminer le rendement d’un capteur solaire menu de lamelles rectangulaires transparentes placées dans la lame d’air, les auteurs montrent que l’utilisation de lamelles transparentes améliore considérablement les performances du capteur solaire. Dans un travail de simulation Hollands et al. [153] ont placé des partitions en forme de nid d’abeilles dans la lame d’air. Ils ont déduit que, laisser un vide entre le nid d’abeilles et le revêtement sélectif de l’absorbeur peut minimiser le couplage entre la conduction et le rayonnement. Leurs résultats montrent également que cette technique pourrait diminuer considérablement le transfert de chaleur. Jami et al [154] ont étudié numériquement le transfert de chaleur par convection naturelle dans une enceinte inclinée contenant des partitions d’épaisseur très fine et faisant un angle avec la paroi chaude. Dans leur analyse numérique les auteurs ont fait varier la longueur de la partition, le rapport de forme, le nombre de partitions, l’inclinaison des partitions et l’inclinaison de l’enceinte, et ils ont trouvé que la réduction du transfert thermique augmente avec la longueur de la partition quand cette dernière est inclinée et ceci quelle que soit l’orientation de l’enceinte. Ainsi, ils ont conclu que pour Ra = 5.105et pour toute valeur de l’inclinaison des partitions..