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].

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.

Ce travail s’inscrit dans le cadre de l’utilisation du dioxyde de carbone comme réfrigérant dans les systèmes de climatisation automobile en remplacement du HFC-134a. L’objectif est d’assurer le bon dimensionnement de l’évaporateur. Cela nécessite une étude du comportement de la vaporisation du CO2 dans les mini-canaux et la caractérisation expérimentale de l’échange de chaleur et de masse côté air assuré par des ailettes à persiennes. La vaporisation du CO2 est dominée par un régime d’ébullition nucléée offrant des coefficients d’échange très élevés et par un assèchement (disparition du film liquide en contact de la paroi) précoce. À partir de données expérimentales issues de la littérature, une méthode prédictive du coefficient d’échange de chaleur en fonction du titre en vapeur a été développée. Cette méthode combine des modèles de transfert de chaleur d’ébullition nucléée, d’évaporation convective et de post-assèchement. Du côté air de l’évaporateur, un travail expérimental a été mené pour étudier l’impact de l’humidité absolue sur la performance thermohydraulique des ailettes à persiennes. Il ressort qu’à partir d’un nombre de Reynolds relativement faible et en mode de déshumidification, l’augmentation de l’humidité absolue de l’air dégrade le coefficient d’échange de chaleur sensible alors que l’efficacité d’ailette reste quasiment inchangée. Enfin, tous ces résultats nous ont permis de développer un modèle de simulation du fonctionnement des évaporateurs à mini-canaux basé sur une discrétisation fine de l’échangeur ; c’est un outil précieux pour le dimensionnement et l’optimisation de tels échangeurs de chaleur. / This work deals with the use of carbon dioxide as refrigerant for automotive air conditioning systems in replacement of HFC-134a. The objective is to provide the right design of evaporators. For that, it is necessary to study the vaporization of CO2 inside minichannels and to characterize the heat and mass transfer on the air-side. CO2 vaporization is characterized by a predominant nucleate boiling, leading to high heat transfer coefficients, and an early dryout (disappearance of liquid film in contact with the wall). From experimental data found in the literature, a predictive method of heat transfer coefficient according to the vapor quality has been developed. This method combines heat transfer models of nucleate boiling, convective evaporation and post-dryout. On the air-side of the evaporator, an experimental work has been performed to study the impact of absolute humidity on the thermal-hydraulic performance of louvered fins. We noted that from a relatively low value of Reynolds number, in dehumidifying conditions, the increase in absolute humidity degrades the sensible heat transfer coefficient, while the fin efficiency remains almost unchanged. Finally, all these results allowed us to develop a numerical model of minichannels evaporator based on a fine discretization of the heat exchanger; it is a valuable tool for the design and optimization of such heat exchangers.

Dans le cadre du projet ANR AGATCO (Advance GAz Turbine for COgeneration) qui a débuté fin 2012, la conception d’un micro-cogénérateur aux granulés de bois permettant de produire 1,5 kW électrique et 10 kW thermique a été entrepris et est présentée dans ce manuscrit. Basé sur la technologie d’une turbine à air chaud à combustion externe, ce micro-cogénérateur utilise la combustion des granulés couplés à un échangeur de chaleur et une micro-turbine. La technologie demande la conception d’un nouveau foyer (brûleur et chambre de combustion) adapté pour la production de fumées à haute température (1200°C). Le défi est grand car le débit de fumées souhaité est important (27g/s) et la puissance de combustible est faible (15kW). Deux solutions sont proposées pour répondre à la problématique, la première utilise de l’air frais à température ambiante et la deuxième utilise le recyclage des fumées chaudes. La haute température des fumées permet d’obtenir une température d’entrée turbine de 1100°C après le transfert de chaleur dans l’échangeur. La caractérisation expérimentale et par simulation numérique de l’échangeur permet de vérifier ses performances. La micro-turbine utilise une technologie nouvelle de canaux hélicoïdaux à la place d’aubes qui lui permettent d’avoir des dimensions faibles pour les performances souhaitées. Les travaux effectués ont permis de mettre en valeur plusieurs résultats : la réalisation de la combustion haute température dans des conditions fortement défavorables, les performances très intéressantes de l’échangeur de chaleur tous en proposant des améliorations pour optimiser les échanges et les améliorations à apporter à la turbine / As part of the AGATCO ANR project (Turbine Advance GAz for cogeneration), which began at the end of 2012, the design of a micro-cogeneration generating 1.5 kW of electricity and 10 kW of heat was started and presented in this manuscript. Based on the technology of an externally fired gas turbine, this micro-CHP uses the combustion of pellets coupled to a heat exchanger and a micro-turbine. This technology requires the design of a new fireplace (burner and combustion chamber) suitable to produce fumes at high temperatures (1200°C). The challenge is significant because the desired smoke flow is important (27 g/s) and the fuel power is low (15 kW). Two solutions are proposed to solve the problem, the first uses fresh air at ambient temperature and the second uses recycled hot fumes. The high temperature of the fumes makes it possible to obtain a turbine inlet temperature of 1100°C after the transfer of heat into the exchanger. Experimental and numerical simulation characterization of the exchanger makes it possible to verify its performances. The micro-turbine uses a new technology using channel instead of blades allowing it to have small dimensions for the desired performance. The work carried out made it possible to highlight several results: the realization of the high temperature combustion in very unfavorable conditions, the very interesting performances of the heat exchanger while proposing improvements to optimize the exchanges and the improvements to be brought to the turbine

Ce travail consiste à développer un logiciel métier basé sur la modélisation thermomécanique linéaire de l'échangeur tout en intégrant les techniques d'homogénéisation. Une méthodologie de modélisation de l'échangeur constitué par un empilement de différentes ondes et tôles brasées, est donc adoptée. Cette méthodologie suppose que le comportement global de chaque couche d'ondes et tôles, est encadré par deux comportements limites déterminés par des approches mécanique périodique (HMP) et cinématique périodique (HCP). Ces deux approches sont mises en œuvre pour l’application numérique tout en étudiant le chargement interne global dû à la température et à la pression. Un outil d'homogénéisation (HomPass) est ensuite développé afin de déterminer automatiquement les comportements équivalents à chaque onde et tôle brasées. Cela contribue au développement de l'outil métier final (SiTEME) dédié à l'étude thermomécanique globale de l'échangeur. / This work consists of developing a software tool based on the linear thermomechanical modeling of the heat exchanger using homogenization techniques. A methodology for modeling the heat exchanger constituted by stacking of different brazed fins and sheets is adopted. This methodology assumes that the global behavior of every layer of fins and sheets is found between two behavior limits determined by periodic mechanical approach (HMP) and periodic kinematical approach (HCP). These techniques are implemented for numerical application while studying global loading due to the temperature and pressure internal loads. A homogenization tool (HomPass) is then developed in order to calculate automatically equivalent behaviors to each layer of brazed fins and sheets. That contributes to the development of the final software tool (SiTEME) dedicated to the global thermomechanical study of the heat exchanger.

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.

Dans le cadre du développement des voitures électriques (VE), la solution de chauffage de l’habitacle par pompe à chaleur (PAC) s’impose graduellement en raison des plus grandes efficacités de ces dernières par rapport aux résistances électriques classiques. Cependant, dans certaines conditions, du givre se forme sur l’évapo-condenseur entraînant une dégradation marquée des performances du système. L’enjeu général de ce travail est donc de développer une PAC pour VE efficace en conditions de givrage afin d’améliorer l'autonomie en hiver. Pour ce faire, un évapo-condenseur résistant au givrage est nécessaire. Afin d’améliorer le design de l’échangeur, un modèle dynamique et pseudo 3D d’échangeur à microcanaux, typique de l’automobile, en conditions de givrage a été développé. Un sous-modèle de croissance de givre à la fois simple et précis a été établi en étudiant les différentes hypothèses de modélisation trouvées dans la littérature. Ensuite, au niveau échangeur de chaleur, la clé réside dans la bonne prédiction des pertes de charge aérauliques. Ainsi, une nouvelle approche a été de considérer les épaisseurs maximales locales de givre et une corrélation intégrant l’impact du givre afin de bien prédire les pertes de charge, la chute du débit d’air, et donc la chute de la puissance thermique de l’échangeur. Le modèle complet d’échangeur de chaleur couplé à un ventilateur a été validé expérimentalement. À partir d’une étude numérique basée sur le modèle, deux concepts innovants ont été établis : l’un avec ailettes ondulées débordantes et l’autre avec passes de réfrigérant croisées. Deux prototypes ont été fabriqués, à partir de l’évapo-condenseur de la Renault Zoé, puis testés. Le meilleur des deux échangeurs, celui à ailettes débordantes, a été monté sur véhicule et comparé à l’échangeur de la Zoé. Le prototype a permis d’allonger d’environ 2.5 fois la période de fonctionnement du système. Finalement, un modèle de PAC avec givrage a été réalisé et intégré dans un modèle complet de VE. Pour un VE avec une autonomie d’environ 140 km sans chauffage, il s’avère que le givrage de la PAC dégrade l’autonomie d’environ 15% pour un trajet à 0°C et 90% d'humidité. Grâce à l’utilisation du prototype à ailettes ondulées débordantes, cette perte d’autonomie est de 3% seulement. / In the electric vehicle (EV) development context, the choice of heat pumps (HP) for cabin heating is becoming more popular due to their high efficiency compared to electric heaters. However, under some operating conditions, frost forms on the HP evapo-condenser causing a dramatic drop in the system performances until the system cannot operate. Hence, this work aims at developing a HP for EV which remains efficient under frosting conditions ultimately, to improve the EV range in the winter. This requires the design of a frost-resistant heat exchanger (HX). First, to improve the HX design, a dynamic and pseudo-3D model under frosting conditions of a typical HX for cars has been developed. A simple and accurate frost growth sub-model has been established by studying the various modeling assumptions found in the literature. Then, at the HX level, the key point has been to predict the air pressure losses, via the consideration of the maximum local frost thicknesses and the development of a correlation considering frost, in order to predict the drop of airflow and therefore the drop of the HX cooling capacity. Then, the model of the HX coupled with the fan has been validated experimentally. Using the model, a numerical study has been conducted and two innovative concepts have been established: one with wavy upstream extending fins and the other with crossed passes of refrigerant. Two prototypes were fabricated, using a reference HX taken from the Renault Zoé, and then tested. The best of the two HX, the one with upstream extending fins, was mounted on a VE and compared to the reference case. The prototype allowed extending the system operation by 2.5 times approximately. Finally, a HP model under frosting conditions was built and integrated into a EV model. It appeared that, for an EV with a range of approximately 140 km without heating, the HP frosting degrades the autonomy by about 15% at 0°C and 90% humidity, which was reduced to 3% via the use of the innovative HX prototype with wavy upstream extending fins.

La congélation partielle du mix dans un échangeur de chaleur à surface raclée (ECSR)est l'étape la plus critique dans la fabrication d'un sorbet, car c'est la seule étape où de nouveaux cristaux de glace se forment; par la suite ces cristaux ne font que grossir. L'objectif principal est de produire un grand nombre de cristaux les plus petits possibles afin d'obtenir une texture onctueuse. Pendant le procédé de congélation, le produit est soumis à des interactions couplées d'écoulement du fluide, de transfert de chaleur, de changement de phase et de cisaillement. Ces interactions sont déterminées par les conditions opératoires du procédé de congélation et affectent l'évolution de la distribution de taille des cristaux de glace, ainsi que la texture finale du produit. Ce travail présente la caractérisation expérimentale et la modélisation du procédé de congélation d'un sorbet. La congélation du sorbet à été effectuée dans un ECSR à l'échelle pilote. L'objectif principal de ce travail est l'étude de l'influence des conditions opératoires du procédé de congélation sur les caractéristiques finales du produit: distribution de taille de cristaux de glace, température du produit, fraction volumique de glace et viscosité apparente. Le comportement de l'écoulement du produit dans l'ECSR a été caractérisé par une étude expérimentale et une modélisation de la distribution du temps de séjour (DTS). Une approche de modélisation de la cristallisation de la glace couplant le modèle de DTS avec des équations de transfert de chaleur et de bilan de population des différentes classes de taille de cristaux a été développée. À partir d'une première estimation des paramètres, le modèle de cristallisation prédit de façon satisfaisante les tendances expérimentales et donne un bon aperçu de l'évolution de la distribution de taille des cristaux de glace au cours du procédé de congélation dans l'ECSR.