Le développement dans la dernière décennie des systèmes photovoltaïques concentrés a augmenté le besoin de gérer le budget thermique dans le récepteur pour empêcher sa surchauffe et gérer les pertes de performances liées à la température. Ce projet de maîtrise s'inscrit dans le cadre du développement d’un système solaire fortement concentré en collaboration avec des partenaires industriels. Notre partenaire industriel a mis au point une solution de production d’énergie photovoltaïque de haute concentration à l’échelle commerciale, mais il reste à valider la conception du système adopté. Le projet concerne l'étude du récepteur photovoltaïque qui est composé d’un réseau dense de 800 cellules solaires triple jonctions, montées sur un substrat. Ce dernier est composé d’un empilement de couches et un échangeur de chaleur pour refroidir le récepteur. Puisque notre récepteur absorbera un grand flux de chaleur, il y aura des contraintes dues à la non-concordance des coefficients de dilatation thermique entre ses différentes couches. Ces déformations pourraient provoquer la rupture de contact entre les cellules solaires, et ainsi la défaillance électrique du récepteur. Pour cela, ces travaux de recherche ont porté sur une étude thermomécanique du récepteur. En effet, l’étude de la dilatation de l'assemblage multicouche a permis d’acquérir une connaissance d’analyse thermomécanique de la tenue de la structure multicouche vis-à-vis d’un chargement thermique. Puis, le comportement des époxys, conducteur et isolant électrique utilisés pour fixer les cellules sur le substrat, a été étudié en fonction de plusieurs paramètres géométriques et des propriétés matérielles. La différence des coefficients d’expansion thermiques (CTE) des époxys, était le paramètre clé pour varier les contraintes dans les interconnexions. Conséquemment, on a utilisé deux époxys avec deux CTE proches pour diminuer les contraintes induites dans les deux époxys. De plus, vu que la structure se compose des couches usinées, on a créé des abaques de variation de rigidité effective en fonction des facteurs de formes dimensionnels des couches usinées. Enfin, le travail a permis de mettre en place des essais expérimentaux pour s’assurer du fonctionnement du récepteur à haute température. Par conséquent, on a validé l’utilisation de l’époxy dans la conception adoptée vu que la déformation maximale supportée par ce dernier ([epsilon Minuscule][indice inférieur m ax]=0.167 %) est supérieure à la déformation maximale qu’il peut avoir au cours de l'opération ([epsilon Minuscule][indice inférieur époxy]=0.0048%). Ensuite, les exigences de récepteur en termes de fonctionnement à haute température ont été fixées, comme l’écart maximal que l’époxy peut supporter pour la liaison des cellules entre deux unités du récepteur qui est [delta Majuscule]Gap[indice inférieur limite] [epsilon Minuscule] [[Plus ou moins]46 [mu Minuscule]m, [Plus ou moins]53 [mu Minuscule]m].

Ce projet porte, dans un souci d’efficacité énergétique, sur la récupération d’énergie des rejets thermiques à basse température. Une analyse d’optimisation des technologies dans le but d’obtenir un système de revalorisation de chaleur rentable fait objet de cette recherche. Le but sera de soutirer la chaleur des rejets thermiques et de la réappliquer à un procédé industriel. Réduire la consommation énergétique d’une usine entre habituellement en conflit avec l’investissement requis pour les équipements de revalorisation de chaleur. Ce projet de maitrise porte sur l’application d’optimisations multiobjectives par algorithme génétique (GA) pour faciliter le design en retrofit des systèmes de revalorisation de chaleur industrielle. L’originalité de cette approche consiste à l’emploi du «fast non-dominant sorting genetic algorithm» ou NSGA-II dans le but de trouver les solutions optimales entre la valeur capitale et les pertes exergétiques des réseaux d’échangeurs de chaleur et de pompes à chaleur. Identifier les solutions optimales entre le coût et l’efficacité exergétique peut ensuite aider dans le processus de sélection d’un design approprié en considérant les coûts énergétiques. Afin de tester cette approche, une étude de cas est proposée pour la récupération de chaleur dans une usine de pâte et papier. Ceci inclut l’intégration d’échangeur de chaleur Shell&tube, d’échangeur à contact direct et de pompe à chaleur au réseau thermique existant. Pour l’étude de cas, le projet en collaboration avec Cascades est constitué de deux étapes, soit de ciblage et d’optimisation de solutions de retrofit du réseau d’échangeur de chaleur de l’usine de tissus Cascades à Kinsley Falls. L’étape de ciblage, basée sur la méthode d’analyse du pincement, permet d’identifier et de sélectionner les modifications de topologie du réseau d’échangeurs existant en y ajoutant de nouveaux équipements. Les scénarios résultants passent ensuite à l’étape d’optimisation où les modèles mathématiques pour chaque nouvel équipement sont optimisés afin de produire une courbe d’échange optimal entre le critère économique et exergétique. Pourquoi doubler l’analyse économique d’un critère d’exergie? D’abord, parce que les modèles économiques sont par définition de nature imprécise. Coupler les résultats des modèles économiques avec un critère exergétique permet d’identifier des solutions de retrofit plus efficaces sans trop s’éloigner d’un optimum économique. Ensuite, le rendement exergétique permet d’identifier les designs utilisant l’énergie de haute qualité, telle que l’électricité ou la vapeur, de façon plus efficace lorsque des sources d’énergie de basse qualité, telles que les effluents thermiques, sont disponibles. Ainsi en choisissant un design qui détruit moins d’exergie, il demandera un coût énergétique moindre. Les résultats de l’étude de cas publiés dans l’article montrent une possibilité de réduction des coûts en demande de vapeur de 89% tout en réduisant la destruction d’exergie de 82%. Dans certains cas de retrofit, la solution la plus justifiable économiquement est également très proche de la solution à destruction d’exergie minimale. L’analyse du réseau d’échangeurs et l’amélioration de son rendement exergétique permettront de justifier l’intégration de ces systèmes dans l’usine. Les diverses options pourront ensuite être considérées par Cascades pour leurs faisabilités technologiques et économiques sachant qu’elles ont été optimisées.

Le coulis de glace est un fluide composé d'une phase solide, la glace, et une phase liquide, une solution aqueuse. Dû à la chaleur latente de la fonte de la glace, le coulis peut extraire une plus grande quantité d'énergie que le fait un fluide monophasique. Dans un premier temps, les corrélations permettant de calculer les propriétés thermophysiques des solutions aqueuses, soient la concentration de glace, la densité, la viscosité, la conductivité thermique et l'enthalpie, sont établies.Le coulis à base de propylène glycol est pris comme exemple afin de présenter la démarche suivie. Pour les trois autres additifs, l'éthylène glycol, le chlorure de calcium et le chlorure de sodium, seuls les coefficients des corrélations sont présentés. Dans un deuxième temps, une série d'expérimentations a été réalisée sur un échangeur de chaleur tubes et calandre afin d'évaluer les pertes de pression et le transfert de chaleur du coulis fait à base d'éthylène glycol. La perte de pression dans les tubes, ainsi que la température à l'entrée et à la sortie et le débit massique de chaque fluide ont été mesurés. Les mesures ont démontré que la concentration de glace a un impact plus grand sur le transfert de chaleur quand le débit de coulis est faible. De plus, le débit de coulis a un impact plus grand sur les pertes de pression que la concentration de glace. Dans un troisième temps, le transfert de chaleur en régime transitoire entre la patinoire, les fondations du bâtiment et le sol extérieur a été calculé par un modèle numérique d'aréna. Deux réfrigérants secondaires, la saumure et le coulis, servant à refroidir la glace sont comparés. La simulation montre que la température de la glace est plus uniforme avec le coulis qu'avec la saumure. Une analyse paramétrique est menée afin d'évaluer l'effet de la diminution du débit de réfrigérant secondaire sur la température de la surface de la glace et sur la puissance de pompage.

Le but de la présente étude est d'élargir la base de connaissances sur l'écoulement et le transfert de chaleur dans les échangeurs de chaleur à plaques. Pour cela, une étude expérimentale et des simulations numériques ont été réalisées. Le montage expérimental a servi à valider le modèle numérique et à explorer le régime de convection mixte. Le modèle numérique représente fidèlement l'ECP utilisé dans ce travail, qui contient deux canaux confinés par des plaques de type chevron. La validation a été faite pour le régime laminaire et pour le régime turbulent, dans lequel un modèle de turbulence a été choisi comme le plus adéquat, suite à une étude comparative entre plusieurs modèles. Le modèle numérique a été utilisé pour compléter les données expérimentales et pour explorer des niveaux intangibles expérimentalement. Ainsi, les champs thermique et d'écoulement dans cet ECP ont été étudiés pour deux combinaisons de fluide : eau - eau et eau - huile de moteur. On a mis en évidence la non-uniformité du champ de températures et le fait que pour ce type particulier d'ECP, les fluides suivent préférentiellement deux passages lisses situés le long des bords des canaux. La dépendance du nombre de Reynolds de ces phénomènes a été mise en évidence. Le modèle numérique a pu être modifié pour évaluer l'effet des canaux lisses périphériques sur le transfert de chaleur et les pertes de pression. Ce modèle consiste de la même géométrie, avec ces canaux périphériques obturés. Cette comparaison montre que l'absence des passages lisses provoque l'augmentation du transfert thermique et aussi, des pertes de pression. Une autre modification portant sur la comparaison des configurations verticale et en diagonale a été faite numériquement. Des différences quantitatives insignifiantes concernant les performances thermiques et hydrauliques ont été remarquées. Une investigation sur l'influence de la convection naturelle sur le transfert de chaleur et les pertes de pression a été faite. Dans ce but, le montage expérimental a été muni d'un pivot avec lequel l'ECP pouvait être inversé. On a conclu que la position de l'ECP influence significativement sur les performances thermiques et sur les pertes de pression dans le régime d'écoulement de faible nombre de Reynolds.

Dans le contexte énergétique actuel une vraie chasse aux économies d'énergie est ouverte, spécialement dans le secteur du bâtiment qui constitue en Europe le secteur le plus énergivore. D'un côté les innovations technologiques sont importantes et les nouvelles constructions ont des consommations très inférieures aux anciennes. De l'autre côté, le taux de renouvellement de bâtiments et des systèmes n'est pas capable d'assumer à lui seul les objectifs de réduction de consommations et d'émissions de CO2 (Kyoto, facteur 4 etc.). Ce n'est donc qu'en s'intéressant à l'existant que de tels objectifs deviennent possibles. La climatisation est aujourd'hui un enjeu car le marché est en forte croissance (renforcé aussi par le réchauffement de la planète) et le stock européen est déjà important. La Directive de performance énergétique des bâtiments s'intéresse aux systèmes de climatisation en prévoyant l'inspection périodique des systèmes de plus de 12 kW. L'inspection vise à évaluer le bon fonctionnement du système et ensuite à proposer des actions d'amélioration. La thèse cherche à déterminer et quantifier les problèmes que les principaux systèmes de climatisation rencontrent pendant leur vie du point de vue technique. Il s'agit de savoir comment les détecter, quels sont les impacts énergétiques et les effets sur le confort. Les technologies de climatisation sont nombreuses et diversifiées selon le type et les besoins spécifiques du bâtiment. On a donc retenu deux types de système à analyser, les plus courants sur le marché européen : les climatiseurs split et les groupes de production d'eau glacée. Les caractéristiques des appareils représentatifs sont celles des technologies utilisées dans les années passées et couramment présentes dans le stock. Après avoir déterminé les défauts de fonctionnement les plus courants pour ces deux types de système, les défauts sont analysés du point de vue physique puis modélisés par des outils spécifiques bâtis à partir d'une structure existante, afin de mesurer les impacts sur les performances et de déterminer les paramètres mesurables qui caractérisent chaque défaut. Ensuite, on observe les effets des défauts dans un contexte plus proche de la réalité par des simulations qui incluent la dégradation des systèmes dans des bâtiments type avec des climats de référence. Une troisième étape de ce travail consiste à relier le niveau du défaut au temps afin d'observer la dégradation progressive et de pouvoir déterminer la fréquence des actions de correction optimisée en termes d'énergie et de coût. On peut ainsi obtenir une courbe de performance pluriannuelle avec ou sans action corrective ou préventive. La modélisation est l'outil principal de cette thèse car flexible et performant pour isoler l'effet de dégradation de chaque défaut. Surtout, le problème posé constitue un cas ou la vérification expérimentale est longue et où les différents effets s'additionnent. Ceci étant, tous les éléments expérimentaux recensés dans la littérature ont été utilisés pour valider les résultas et paramétrer certains modèles.

L'AE1 (SLC4A1) est un échangeur chlorure/bicarbonate. Cette protéine est la protéine membranaire la plus abondante à la surface des globules rouges des vertébrés. Elle est participe au transport du CO2 et à l'ancrage du cytosquelette à la membrane plasmique. Des mutations ponctuelles dans la partie membranaire de l'AE1, liées à des pathologies humaines, convertissent l'échange électroneutre en voie de conductance pour le sodium et le potassium ou induisent une fuite de cations dans un échangeur d'anions toujours fonctionnel. Les déterminants moléculaires qui induisent les mouvements d'ions au travers de cet échangeur sont encore inconnus. Le travail présenté a eu pour but d'identifier et de cartographier le site de transport de la protéine normale ou " pathologique ". Nous avons adapté à l'AE1 des outils basés sur la chimie des sulfhydriles capable de donner des informations sur le rôle d'acides aminés dans le site de transport de la protéine. Cette stratégie combinée à l'élaboration d'un modèle tridimensionnel de la protéine in silico basé sur le symporteur uracile/proton nous a permis de définir le site de transport de l'AE1. Nos résultats démontrent qu'un site de transport unique dans l'AE1 peut basculer entre 3 conformations différentes : échange chlorure/bicarbonate, fuite de cation et échange anionique ou fuite de cation uniquement. Ce site met en jeu les segments transmembranaires (TM) 3, 5 et 8 ainsi qu'une boucle intracellulaire très conservée située entre les TM 8 et 9. Le site de transport se structure autour des acides aminés L468, F471, L530, I533 et L673 se terminant au niveau du E681. La boucle intracellulaire 690 à 705 agissant comme un filtre à cations.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L'hydrogène n'étant pas une énergie primaire, il faut donc le produire, le transporter et le stocker avant de l'utiliser. Il peut être produit par des procédés chimiques, électrolytiques ou biologiques à partir de ressources renouvelables, ou non. Les énergies fossiles représentent la première ressource d'hydrogène, avec 96% de la production totale mondiale, dont 48% se fait à base de gaz naturel qui contient essentiellement du méthane. Dans cette thèse, nous nous intéressons à la génération de l'hydrogène par le procédé de vaporeformage du méthane qui reste le procédé le plus utilisé pour sa conversion. Les objectifs consistent premièrement à explorer, par des études numériques, les performances thermiques et massiques d'un vapo-reformeur à parois catalytiques, dans lequel une répartition discrète du catalyseur est adoptée, combinée ou non, avec une insertion d'un matériau cellulaire à haute porosité, de type mousse métallique, et deuxièmement à analyser, par une approche expérimentale complétée par une procédure numérique inverse, afin d'estimer le flux de chaleur inconnu reçu par le mélange gazeux. Les configurations géométriques adoptées dans les études numériques sont modélisées par les équations deconservation et complétées par les conditions aux limites. La cinétique de la réaction est régie par un modèle basé sur les lois de puissance, et le système d'équations est résolu par la méthode des volumes finis. Pour l'estimation du flux de chaleur, un dispositif expérimental approchant le système de chauffage du réacteur est conçu afin de mesurer la distribution de la température et un code de calcul inverse basé sur la méthode spécification de fonctions. Les résultats montrent que les performances du procédé de vaporeformage peuvent être améliorées en adoptant une bonne distribution du catalyseur sur les parois du réacteur muni d'une mousse métallique dans sa région catalytique. Les améliorations obtenues en termes de conversion de méthane, par rapport à une configuration classique, sont de l'ordre de 44.6%. De plus, la combinaison des approches expérimentale et numérique a permis de déterminer la quantité de chaleur nette transférée par le système de chauffage du vaporeformeur. / Hydrogen is not a primary energy; we must produce it, transport it and store it before use. It cans be produced by chemical, biological or electrolytic processes from renewable resources or not. Fossil fuels represent the first hydrogen resource, with 96% of total world production, which 48% is made from natural gas containing methane. In this thesis, we focus on the generation of hydrogen by the steam-methane reforming process, which is the most used conversion method. The aims consist first to explore, through numerical studies, the thermal and mass performances of a wall coated steam-methane reformer, wherein a discrete distribution of the catalyst is adopted, combined or not, with an insertion of a highly porous metal foam, and secondly to analyze, by an experimental approach completed by a numerical inverse procedure to estimate the unknown heat flux received by the gas mixture. The geometric configurations adopted in the numerical studies are modeled by the conservation equations and the boundary conditions. The kinetic reaction is governed by a model based on power laws, and the system of equations is solved by the finite volume method. For the estimation of heat flux, an experimental device approachingthe reactor heating system is designed to measure the temperature distribution, and an inverse code based on the function specification method. The results show that the steam methane reforming process performances can be improved by adopting a good distribution of the catalyst on the walls of the reactor fitted on its catalytic region with metal foam. The improvements obtained in terms of methane conversion, compared to a conventional configuration, are of the order of 44.6%. In addition, the combination of experimental and numerical approaches was used to determine the net quantity of heat transferred from the heating system to the steam reformer.

Le déploiement des pompes à chaleur géothermiques sur le territoire national représente un important potentiel de réduction des émissions de gaz à effet de serre. Afin de le favoriser il est nécessaire de comparer précisément les performances annuelles des pompes à chaleur géothermiques aux autres systèmes de chauffage et ce en fonction des caractéristiques du bâtiment, du climat et du sol rencontrés. Dans ce contexte, cette thèse vise à élaborer un modèle précis et fonctionnel de calcul des performances énergétiques annuelles de pompes à chaleur à échangeurs géothermiques horizontaux ou verticaux.<br/>Après un état de l'art des différents modèles d'échangeurs géothermiques horizontaux et verticaux existants, des modèles de sondes verticales utilisables pour des simulations dynamiques sont identifiés et leurs domaines de validité sont précisés. Un modèle d'échangeur horizontal semi-analytique décliné en deux versions adaptées respectivement à des courtes et longues durées de sollicitations thermiques est ensuite développé. Un dispositif expérimental est alors mis au point bénéficiant d'une technique novatrice de mesure répartie de température du sol par fibre optique. Un essai de validation du modèle d'échangeur horizontal est ainsi réalisé et permet de confirmer la pertinence de ce dernier. Enfin une méthode de calcul du coefficient de performance annuel est développée pour une pompe à chaleur à échangeur horizontal ou vertical. L'application de cette méthode à un bâtiment type dans un climat orléanais permet d'éprouver la méthode avec de premiers résultats prometteurs.

L’AE1 (SLC4A1) est un échangeur chlorure/bicarbonate. Cette protéine est la protéine membranaire la plus abondante à la surface des globules rouges des vertébrés. Elle est participe au transport du CO2 et à l’ancrage du cytosquelette à la membrane plasmique. Des mutations ponctuelles dans la partie membranaire de l’AE1, liées à des pathologies humaines, convertissent l’échange électroneutre en voie de conductance pour le sodium et le potassium ou induisent une fuite de cations dans un échangeur d’anions toujours fonctionnel. Les déterminants moléculaires qui induisent les mouvements d’ions au travers de cet échangeur sont encore inconnus. Le travail présenté a eu pour but d’identifier et de cartographier le site de transport de la protéine normale ou « pathologique ». Nous avons adapté à l’AE1 des outils basés sur la chimie des sulfhydriles capable de donner des informations sur le rôle d’acides aminés dans le site de transport de la protéine. Cette stratégie combinée à l’élaboration d’un modèle tridimensionnel de la protéine in silico basé sur le symporteur uracile/proton nous a permis de définir le site de transport de l’AE1. Nos résultats démontrent qu’un site de transport unique dans l’AE1 peut basculer entre 3 conformations différentes : échange chlorure/bicarbonate, fuite de cation et échange anionique ou fuite de cation uniquement. Ce site met en jeu les segments transmembranaires (TM) 3, 5 et 8 ainsi qu’une boucle intracellulaire très conservée située entre les TM 8 et 9. Le site de transport se structure autour des acides aminés L468, F471, L530, I533 et L673 se terminant au niveau du E681. La boucle intracellulaire 690 à 705 agissant comme un filtre à cations. / AE1 (SLC4A1, band 3) is a member of the SLC4 bicarbonate transporter family. This protein is the most abundant membrane protein on the surface of vertebrate red blood cells. The AE1 exchanges chloride and bicarbonate ions in physiological conditions. In red blood cells, it is essential to many tasks including CO2 transport and cytoskeleton anchoring in the plasma membrane. Point mutations in the membrane spanning domain of AE1 convert the electroneutral exchange into a conductance for sodium and potassium cations or induce a cation leak in a still functional anionic exchanger.The molecular determinants that induce the movement of ions through the exchanger are still unknown. This work aims at identifying and mapping the transport site of AE1 protein in normal and pathological conditions. We modified a sulfhydryl-based chemistry to AE1. This provided information on the role of amino acids in the transport site of the protein. This strategy combined with the development of a three-dimensional model of the protein in silico, based on the uracil/proton symporter, allowed us to define the transport site of AE1. Analysis of our results showed that a single transport site in AE1 can switch between three different conformations depending on protein mutation: classical chloride/bicarbonate exchange, cation leak and anion exchange, cation leak only. The transport site involves the transmembrane segments 3, 5 and 8 and a highly conserved intracellular loop between transmembrane segments 8 and 9. The transport site is centered around the amino acids L468, F471, L530, L673, I533 and ends at glutamic acid 681. The intracellular loop 690-705 acts as a cation filter.