L'objet de la présente thèse est une contribution à l'étude du comportement dynamique d'un échangeur de chaleur coxial à contre-courant, utilisant deux fluides liquides sans change ment de phase. Nous nous sommes intéressés aux fonctions de transfert liant les températures de sortie des deux fluides au débit du fluide extérieur. N'ayant trouvé aucune étude qui utilise complètement les équations de base de l'échange de chaleur, nous avons été amenés à développer, à-partir de ces équations, un modèle ma thématique assez simple, qui met en évidence certaines propriétés caractéristiques du système étudié. De ce fait notre étude se distingue des travaux antérieurs traitant du sujet [H] , [I] *. En effet, le but des travaux de nos prédécesseurs a été de fournir des modèles approchés, de caractère semi-empirique, utilisables pour le contrôle. Ces modèles mettent en évidence la dynamique générale de l'échangeur (particulièrement aux basses fréquences), mais masquant complètement le phénomène de résonnance apparaissant à des fréquences un peu plus élevées, et que bon nombre d'expérimentateurs ont remarqué sans l'expliquer. Ces résonnances sont précisément l'objet de notre étude, et leur traduction en un modèle mathématique simple en constitue l'originalité.

À une époque où l'efficacité énergétique est une préoccupation grandissante, la récupération de chaleur est d'importance primordiale. Pour cette raison, les échangeurs de chaleur sont souvent utilisés afin de transférer de la chaleur d'un fluide à haute température vers un fluide à basse température. Lorsque la chaleur n'est pas récupérée, elle doit-être ajoutée (ou enlevée) par une source externe, ce qui induit un certain coût. Malheureusement, la prolifération de ces appareils est limitée en raison de certains aspects technoéconomiques. L'obstacle majeur à surmonter par les échangeurs de chaleur dans maintes applications est la formation d'encrassage, plus particulièrement de givre, sur les surfaces d'échange. Ces formations diminuent l'efficacité de l'échangeur de chaleur ainsi que sa viabilité économique, en réduisant les économies monétaires envisagées et en augmentant les coûts d'entretien et de nettoyage. Ce document propose deux designs novateurs d'échangeurs de chaleur qui sont définis et testés analytiquement et numériquement. Cette analyse permet tout d'abord de comparer leur capacité à échanger la chaleur en absence de conditions d'encrassement à celle d'un échangeur de chaleur bien connu et de dimensions similaires et ensuite d'établir leur résistance à l'encrassement dans toutes ses formes. On a constaté que les deux designs ont des capacités d'échange de chaleur similaires à celle de l'échangeur de chaleur de référence. De plus, les équations analytiques gouvernantes utilisées afin de déterminer l'efficacité sont, pour la plus grande part, identiques pour les trois designs. L'analyse montre aussi que les deux designs sont résistants théoriquement à l'encrassement et démontre même une augmentation (dans la plupart des cas) de la chaleur transférée lorsqu'il y a changement de phase.

La présente étude porte sur l'optimisation de systèmes thermiques servant soit à récupérer de la chaleur ou à produire de la chaleur ou du froid. Essentiellement, le travail portera sur les condenseurs de type tubes et calandre, sur les réseaux d'échangeurs de chaleur ainsi que sur les systèmes de production d'eau froide. L'objectif ultime est de développer une méthode permettant de déterminer le design minimisant les coûts reliés à l'achat et à l'opération de ces systèmes thermiques. Pour atteindre cet objectif, on doit d'abord créer un modèle mathématique permettant de calculer les surfaces d'échanges requises et les puissances de pompage requises pour faire fonctionner un échangeur de chaleur. Basé sur des relations analytiques et empiriques, le modèle doit tenir compte des variables design considérées dans le problème, soit une dizaine de paramètres géométriques et le régime d'opération. Il s'agit d'identifier les valeurs à accorder à chacune de ces variables de design afin de faire le meilleur compromis entre la minimisation des surfaces d'échange de chaleur requises et la quantité d'énergie requise pour faire fonctionner les systèmes. Autrement dit, on cherche à minimiser le coût total, constitué du coût d'achat du matériel et des coûts d'opération. Une fois cette démarche réalisée pour le condenseur à tubes et calandre, on applique une méthode similaire pour optimiser une série d'échangeurs de chaleur dans le cas des réseaux d'échangeurs de chaleur et finalement pour un cycle de réfrigération composé de deux échangeurs, un condenseur et un évaporateur, ainsi qu'un compresseur. Étant donné le nombre important de variables de design considéré pour chacun de ces problèmes, le nombre total de design possible est trop élevé pour calculer le coût de chacun d'entre eux et choisir le meilleur. Cela serait trop coûteux en temps de calcul. C'est pourquoi nous ferons appel à l'utilisation d'algorithmes génétiques. Ces derniers nous permettront d'identifier avec une excellente probabilité le design optimal et ce, dans un laps de temps acceptable en pratique. La méthode est finalement validée grâce à des exemples d'application.

L'encrassement est défini comme la formation d'un dépôt sur les surfaces d'échange des échangeurs thermiques, créant une résistance supplémentaire aux transferts de chaleur dans ces dispositifs. Ces phénomènes, rencontrés dans de nombreux procédés industriels, nuisent aux récupérations d'énergie. Cette étude porte sur l'amélioration de l'efficacité énergétique des raffineries de pétrole par réduction de l'encrassement dans les échangeurs thermiques de train de préchauffe. Deux voies sont étudiées dans ces travaux: l'identification de paramètres opératoires optimums permettant de limiter la formation d'un dépôt encrassant dans les échangeurs actuellement en place en raffinerie et la recherche de technologies d'échangeurs retardant l'encrassement. Une boucle d'essais innovante, permettant de reproduire les niveaux de température, de pression et de débits rencontrés en fin de train de préchauffe, a été construite. Les fluides, i.e. du pétrole brut et du résidu atmosphérique, coupe lourde du pétrole, sont conservés. Deux technologies d'échangeurs sont étudiées au cours de cette thèse: un échangeur tubes et calandre, actuellement la plus rencontrée en raffinerie, et un échangeur à plaques soudées. La première section d'essais, dimensionnée de manière à reproduire les niveaux d'échanges thermiques et les écoulements des échangeurs industriels, joue un rôle de référence et permet une étude paramétrique de l'encrassement. L'efficacité des échangeurs Compabloc sur la réduction de l'encrassement est étudiée via la seconde section d'essais. Enfin, un travail sur l'optimisation des paramètres de modèles d'encrassement existants a été réalisé en vue d'améliorer la précision de leurs prédictions. / Fouling is considered as one of the major unsolved problem in heat exchangers. It generates additional resistances to heat transfer, a decrease of the thermal effectiveness and an increase of pressure drop in industrial units. Those phenomenon, meet on several industrial process, increase the energy consumption with detrimental environmental and economical consequences. Because of complex chemical composition, crude oil fouling mechanisms are not well understood. Also, poor plant data makes analyses of performance of different exchangers in fouling condition limited. An innovative test loop was designed to study hydrocarbon fouling in industrial operating conditions. Test sections were constructed to be representative of industrial heat exchanger technologies. The first technology tested was a shell and tubes heat exchanger, the most common heat exchanger technology in refinery pre-heat train. Experimental results and process data from test bench showed that the test section fouling behavior is similar to an industrial heat exchanger. The fouling test loop was validated by measuring fouling rates close to both literature and industrial values. After this first step of validation, the efficiency of a cross flow plate heat exchanger on reducing fouling in refinery preheat train was tested. In order to improve heat exchanger sizing, fouling models parameters were optimised.

Dans cette thèse, nous analysons l'écoulement et les transferts thermiques convectifs dans des modèles géométriques d'échangeurs de chaleur multi-rangs de tubes à ailettes planes continues. Dans un premier temps, les phénomènes Aérauliques qui s'y développent sont mis en évidence par des mesures PIV et LDA. Une étude locale de la génération, du développement, de l'évolution spatiale etde la dissipation des enroulements tourbillonnaires produits dans l'échangeur est effectuée. Dans un second temps, des simulations numériques U-RANS sont réalisées et validées par comparaison de la structuration de l'écoulement et de la dynamique tourbillonnaire aux mesures expérimentales. Dansun troisième temps, l'influence de ces tourbillons sur le transfert thermique est mise en exergue. Les performances d'échange sont caractérisées selon une analyse de synergie entre le champ de vitesse, les gradients de vitesse et de température ainsi qu'en évaluant les irréversibilités thermoaérauliques produites dans l'écoulement. Dans un quatrième temps, une analyse de l'influence de la forme du tube sur les performances thermoaérauliques locales et globales de l'échangeur est effectuée selon le premier et le second principe de la Thermodynamique. Les transferts thermiques, les pertes visqueuses ainsique les taux de production d'entropie thermique et visqueuse dans le fluide sont évalués. Enfin une méthode d'optimisation géométrique globale basée sur l'analyse factorielle de TAGUCHI est utilisée pour sélectionner les paramètres les plus influents sur les performances thermoaérauliques globales dans l'optique d'une conception optimisée des surfaces d'échange pour une application à la climatisationferroviaire.

De nos jours, les limites du réacteur batch, outil conventionnel de l'industrie de la chimie fine, en termes de transfert thermique et de transfert de matière, conduisent à envisager le passage en continu de réactions dont les problématiques d'exothermie et de rapidité rendent leur industrialisation difficile. Les réacteurs-échangeurs compacts sont un exemple de technologies intensifiées continues alliant les performances d'un échangeur de chaleur couplées à un bon mélange ainsi qu'à un comportement de type piston offert par le design spécifique de leurs canaux. L'objectif de ces travaux est de démontrer la faisabilité de la transposition en continu d'une réaction fondamentale de la chimie des silicones, recensée comme l'une des plus exothermiques, dans un réacteur-échangeur intensifié conçu dans un matériau innovant : le Carbure de Silicium. La démarche a consisté à étudier les différentes phases de la réaction à plusieurs échelles afin de construire un modèle cinétique. L'exploitation de ce modèle a permis de définir les conditions optimales de la réaction permettant de répondre aux contraintes industrielles en termes de conversion, de consommation de catalyseur et de production industrielle. Enfin, une démarche d'optimisation et d'extrapolation du réacteur a été mise en place pour le pilotage industriel de la réaction étudiée. / Nowadays in the field of fine chemistry, limitations of conventional batch reactors in term of heat and mass transfer lead to increase the interest in the transposition of reactions from batch to continuous mode. It is particularly the case of fast and highly exothermic reactions as they raise safety issues in batch reactor. Compact heat-exchanger reactors (HEX reactor) are an example of continuous intensified technologies as they offer the heat transfer performances of heat exchangers coupled with high mixing and plug-flow behaviour, thanks to specific designs of channels. The aim of this work is to demonstrate the feasibility of the transposition of a fast and highly exothermic hydrosilylation reaction, a fundamental method for the industrial synthesis of organosilicon compounds, into a continuous heat-exchanger reactor made of a very innovative material: the silicone carbide. The methodology adopted consists in investigating hydrosilylation kinetics studies at different residence time scales. Then kinetics modelling and optimisation allow defining the features for process industrialization. Industrials objectives in terms of conversion and catalyst reduction are reached with a shorter time. Moreover the outstanding heat transfer performances of the HEX reactor, which entirely absorb the high exothermicity, successfully demonstrate the feasibility of the transposition into continuous

L'intérêt croissant pour l'intensification des procédés a conduit à l'avènement d'un nombre conséquent de nouvelles technologies. Le projet ANR PROCIP qui a financé cette thèse a pour but de développer un logiciel d’aide à la décision pour aider l’utilisateur industriel dans son choix de technologie optimale pour une application donnée. La méthodologie globale de discrimination des technologies vis-à-vis d’un système réactif est basée sur l’utilisation d’une base de données technologique et sur le calcul de critères de choix. Elle nécessite une bonne connaissance du comportement hydrodynamique des appareils et de leurs performances en termes de transfert de chaleur et de matière. Dans cet objectif, les travaux présentés ici portent notamment sur l’étude du comportement hydrodynamique de milli-réacteurs échangeurs industriels. Des méthodologies expérimentales et numériques de caractérisation ont été mises au point. Elles ont permis d’obtenir des corrélations pour l’estimation des pertes de charge, des coefficients de dispersion axiale et des temps de mélange pour plusieurs milli-réacteurs en fonction des conditions opératoires et de la géométrie des appareils. En outre, une nouvelle méthode numérique est proposée pour la détermination des coefficients de dispersion axiale et des temps de mélange. Elle est appliquée pour prédire l’effet de l’extrapolation des caractéristiques géométriques des appareils sur ces propriétés. Dans une dernière partie, l’impact de la dispersion axiale sur le taux de conversion et la sélectivité de différents schémas de synthèses chimiques est discuté. / The interest for process intensification has leaded to the emergence of a wide panel of new technologies. The aim of the ANR PROCIP collaborative project which has funded this work is to develop a new software program including a methodology for process choice focused on intensified technologies. The global methodology of discrimination between the different technologies with respect to a given reactive system is based on the use of an equipment database and on the evaluation of criterion of choice. This methodology implies a good knowledge of the hydrodynamics of the different reactors and their mass and thermal transfer performances. The purpose of the present work is to develop experimental and numerical methodologies for the hydrodynamic characterization of different industrial milli-heat-exchangers reactors. Pressure drop, mixing time and axial dispersion coefficient correlations are given as function of the operating conditions and the geometrical parameters of the reactors. In particular, a new numerical method using CFD computation for the determination of axial dispersion coefficients and mixing times is presented. This method is used to predict the effect of the scale-up of the geometrical characteristics of an intensified reactor on its hydrodynamic performances. Finally, the impact of axial dispersion on the conversion rate and the selectivity for different chemical synthesis schemes is discussed

Les problèmes de pollution chimique de l'eau sont devenus une source de préoccupation importante et un enjeu prioritaire pour les industriels du nucléaire. L'objectif principal de cette thèse est d'étudier certains minéraux échangeurs ioniques utilisables pour une décontamination liquide en strontium (radioisotope toxique pour l'homme). Mais également de relier les propriétés physico-chimiques de ces matériaux avec leurs propriétés de rétention du radioisotope. Ce mémoire présente donc la synthèse de deux matériaux choisis pour leurs propriétés de sorption spécifique et quantitative du strontium : le nonatitanate de sodium et la zéolithe A. Une seconde partie du travail est dédiée à l'étude des capacités d'échange spécifique de ces matériaux vis-à-vis du strontium en présence d'autres éléments comme le sodium et le calcium. Le nonatitanate de sodium et la zéolithe A ont également été testés sur des effluents réels. Les performances d'un monolithe de zéolithe A ont été évaluées pour un procédé de traitement en colonne. Ce matériau semble prometteur pour la décontamination d'effluents car il permet de cumuler les avantages de la poudre de zéolithe A avec ceux d'un transfert de matière sans perte de charge du solide. / The problems of chemical pollution of water have become a major concern and a priority for the nuclear industry.The aim of this work is to study some ion exchangers used for the removal of strontium ions because 90Sr is one of a major pollutant in nuclear liquid wastes. This study allows linking the physical and chemical properties of these materials and their sorption properties. This work presents therefore the synthesis of two materials - sodium nonatitanate and zeolite A - selected for their specific sorption properties of strontium: A second part of this work is dedicated to the study of specific exchange capacities of these materials for the strontium in presence of other elements such as sodium and calcium. Batch experiments were performed and kinetic and ion exchange models have been applied to understand the selectivity of the materials for strontium removal. Sodium nonatitanate and zeolite A are also studied in actual effluents.Monoliths of zeolite A have been also tested in dynamic ion exchange process. This material is promising for the treatment of radioactive effluents in continuous flow because it joins the sorption properties of the zeolite powder with the advantage of a solid with a macroporous network.

Cette étude traite de l'optimisation d'un échangeur de chaleur constitué d'une juxtaposition de différentes couches de matériaux poreux. Grâce à un réseau interne de pores, un fluide refroidissant est libre de circuler à travers l'échangeur par convection naturelle. La problématique consiste à déterminer la distribution optimale de porosité et l'ordonnancement idéal des matériaux de la série de couches qui minimisent la température maximale dans le refroidisseur. Au cours de cette analyse, la chaleur transmise au système émane d'une plaque chaude adjacente au stratifié. Le flux thermique est donc fixe sur cette frontière. Le champ de température et l'écoulement, déterminés selon les caractéristiques physiques et dimensionnelles du stratifié, sont calculés de manière numérique. Les équations de conservation de quantité de mouvement et d'énergie sont résolues par une méthode basée sur les volumes finis. Le processus d'optimisation se rattachant à la distribution de porosité et à l'assignation des matériaux dans le stratifié est réalisé à l'aide d'un algorithme génétique (AG). De plus, une composition optimale du système, correspondant à un minimum global, peut être atteinte sous certaines contraintes, s'exprimant notamment en matière de coût et de masse. Cette approche permet également de dimensionner l'échangeur, car l'AG a la capacité d'éliminer une portion du stratifié afin de répondre aux exigences demandées. / In order to meet modem engineering needs in terms of cooling Systems (e.g., cooling of electronics), porous structures (e.g. metallic foams) are regarded as an interesting alternative to fins due to their large surface of heat transfer per volume. In this paper, we investigate the optimal configuration of a porous medium structure in order to reduce its thermal resistance. The System studied represents a stacking of porous layers, in which a cooling fluid circulates, adjacent to a heat-generating surface. The flow within the staking is driven by natural convection. The objective of this work is to minimize the hot spot temperature of the system. The design variables are the porosities and materials of each layer. The thermal performance is evaluated with a CFD code based on the finite volume approach. The hot spot temperature minimization is pursued under global mass and cost constraints, with a genetic algorithm (GA). The GA determines the optimal porosities and solid material of each layer. Purthermore, the optimal total length of the stacking is indirectly determined by the GA as layers can be added or removed in order to improve the global performance and satisfy the constraints. The results of the present study reveal that an appropriate distribution of porosity and material benefits the minimization of the temperature in a layered porous medium.

Depuis la fin des années 1970, les échangeurs de chaleur ont connu de nouvelles applications liées à la nécessité d'optimiser les dépenses énergétiques. L'encrassement de tels échangeurs est l'une des causes principales de leur perte d'efficacité thermique au cours de leur utilisation. En effet, l'encrassement constitue un problème économique et technologique majeur et fait intervenir des phénomènes physiques complexes. En dépit des efforts déployés depuis ces dernières décennies, les dispositifs de détection et de suivi de l'encrassement existants sont encore loin de renseigner sur le transfert de chaleur et de prendre en compte les phénomènes de dépôt mis en jeu. Ainsi, le parti pris de notre étude a été de concevoir un capteur thermique le plus représentatif possible des conditions d'utilisation réelles afin d'établir un programme d'entretien efficace. A cet effet, deux capteurs localisés originaux, d'une technologie simple, adjoints à un traitement des données adapté, ont été développés. Ne perturbant que très peu les conditions auxquelles ils sont soumis, ils permettent d'obtenir des informations précises quasi instantanées sur les paramètres représentatifs du degré d'encrassement des échangeurs. Bien que les méthodes développées lors de cette étude soient adaptables à d'autres configurations, le choix, incontestablement restrictif, de travailler sur l'encrassement particulaire des échangeurs tubulaires à courants croisés, a été fait. Le premier capteur, doté d'une excitation thermique interne, permet d'estimer non seulement le coefficient d'échange convectif mais aussi l'épaisseur du dépôt à partir d'une méthode d'estimation robuste en régime transitoire. Le second capteur permet d'estimer la répartition spatiale du coefficient d'échange convectif ainsi que celle de l'épaisseur de dépôt. Ces capteurs permettent d'envisager de nouvelles perspectives d'études in situ d'encrassement en milieu industriel. Ils constituent un outil privilégié de maintenance prédictive.