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.

Ce travail concerne l'impact de la présence d'huile sur les performances énergétiques des systèmes frigorifiques. Pour caractériser cet impact, deux propriétés thermodynamiques ont été étudiées : la solubilité et l'enthalpie. Ainsi, une méthode de mesure simple a été présentée, permettant d'étudier le comportement de différents couples frigorigène/huile en phase transitoire ainsi qu'en équilibre stationnaire. Les données expérimentales ont été validées et modélisées. L'utilisation appropriée des courbes de solubilité a démontré le caractère nonazéotropique des couples frigorigène/huile qui se reflète directement sur le calcul d'enthalpie. Pour cette propriété, un modèle thermodynamique a été développé et expérimentalement validé. Son application a conduit à une nouvelle présentation du diagramme de Mollier tenant compte de l'huile. L'utilisation de ce diagramme montre, que parmi tous les éléments du circuit, l'évaporateur est plus pénalisé par la présence d'huile. Ses performances sont d'autant plus abaissées que la fraction massique circulante d'huile est élevée, que la surchauffe est faible et que le fluide frigorigène est plus soluble dans l'huile. Une étude expérimentale d'une pompe à chaleur réversible a confirmé que si les règles de l'art sont respectées et si le taux de circulation d'huile dans la machine est inférieur à 2%, l'impact de l'huile est réduit. Enfin, une modélisation locale d'une machine frigorifique complète, initialement chargé avec un mélange non-azéotropique, a permis d'analyser le profil de température, du coefficient d'échange et de la composition locale du frigorigène le long du circuit.

Les poudres laitières sont obtenues par concentration du produit liquide (membranes, évaporation sous vide) puis séchage du concentré. Contrairement au séchage par atomisation, peu de travaux ont été menés sur la concentration par évaporation sous vide. Pourtant, la maîtrise du schéma global de production des poudres gagnerait en une meilleure compréhension de cette opération réalisée dans des évaporateurs à flot tombant. Le présent travail vise à étudier comment améliorer les performances des évaporateurs ; il s’appuie sur deux facteurs limitants de l’opération : l’encrassement des surfaces d’échange et la viscosité maximale en sortie des évaporateurs. La contribution des différents constituants des produits à l’encrassement a été étudiée grâce à une méthodologie développée sur un évaporateur pilote.Les résultats obtenus ont permis d’identifier les éléments minéraux qui contribuent à l’encrassement lors de la concentration de microfiltrat et d’ultrafiltrat de lait, de lactosérums acides chlorhydrique et lactique. Afin de dépasser l’extrait sec maximal en sortie des évaporateurs à flot tombant, deux évaporateurs rotatifs à couche mince, de conceptions différentes, ont été testés à l’échelle pilote. Les études de faisabilité ont été menées jusqu’à la poudre. Le potentiel des équipements a été évalué suivant les propriétés fonctionnelles des poudres et le coût énergétique d’élimination de l’eau. Dans l’un des cas, le remplacement de la tour de séchage par deux évaporateurs rotatifs en série constitue une rupture technologique pour la production de poudres de perméat et dimi / Dairy powders are produced using a two-step process: concentration of the liquid product (membrane, concentration by vacuum evaporation) and drying of the concentrate. Contrary to spray-drying, vacuum concentration has been poorly investigated. However, a better understanding of this unit operation carried out in falling-film evaporators would lead to an improved control of the global process scheme for the production of powders. This PhD project aims to highlight how to enhance the performances of falling-film evaporators; it focuses on two limiting factors of the vacuum concentration: the fouling of the heating surfaces and the maximal viscosity at the outlet of the falling-film evaporators. The contribution of the different product components to the fouling was investigated using a methodology developed at pilot-scale.Our results showed which mineral elements favored the fouling of falling-film evaporators during the concentration of milk microlfiltrate and ultrafiltrate as well as hydrochloric and lactic acid wheys. Besides, two thin-film rotative evaporators of different designs were tested at pilot-scale in order to exceed the maximum dry matter achieved in falling-film evaporators. The feasibility studies were conducted up to the production of powders. The capabilities of the equipment were evaluated according to the functional properties of powders and the specific energy costs relative to the removal of water. In one case, the combination of two rotative evaporators replacing the spray drier constitutes a technological breakthrough in the production of permeate p

Les boucles diphasiques à pompage capillaire sont des systèmes performants de transfert thermique qui peuvent transporter, de manière passive, de très importantes quantités de chaleur sur de grandes distances : utilisant les phénomènes qui apparaissent lors de la vaporisation d'un liquide dans un corps poreux (la mèche) contenu dans l'évaporateur, ces dispositifs offrent l'avantage de ne pas utiliser d'organe mécanique de puissance pour mettre lefluide frigorigène en mouvement. Vu les performances dont ces systèmes ont fait preuve dans le domaine spatial, leur utilisation dans le domaine gravitaire est aujourd'hui sérieusement étudiée, en particulier dans le domaine ferroviaire. Le travail de cette thèse porte sur la description du comportement thermodynamique instationnaire global d'une boucle diphasique à pompage capillaire, utilisée par Alstom Transport pour refroidir ses composants d'électronique de puissance. La première partie de ce travail consiste en la modélisation du transfert de masse et de chaleur dans la mèche contenu dans l'évaporateur, qui est le composant clé de la boucle. Un modèle mathématique instationnaire 2D a été développé pour décrire l'écoulement diphasique avec changement de phase dans le milieu poreux. Les résultats numériques de ce modèle montrent la formation d'une poche de vapeur au sein de la mèche poreuse. Une étude approfondie est élaborée pour décrire la dynamique de la croissance de cette poche en fonction de plusieurs paramètres (géométrie, sous-refroidissement, température de saturation, porosité). La deuxième partie de ce travail consiste à coupler le modèle de l'évaporateur au reste de la boucle afin d'obtenir un modèle thermodynamique global avec une interface liquide/vapeur mobile dans la mèche poreuse. Ce modèle est validé en régime transitoire par une confrontation de ses résultats aux mesures obtenues lors d'une précédente campagne expérimentale. Le comportement de la boucle au cours de la phase de démarrage est ensuite étudié. Finalement, la réponse transitoire de la boucle globale est analysée, en portant un intérêt particulier au comportement de l'évaporateur soumis à un créneau de puissance appliqué, à la variation de la température de consigne du réservoir de contrôle et à la variation de la température de la source froide en contact avec le condenseur. / Capillary pumped loop is a two phase device that uses the phase change phenomena occurred in the porous wick to transport large heat loads over long distances (several meters) without the need of any mechanical pump. CPLs have been developed and successfully employed for the thermal control of satellites. Thanks to their heat transport capacity, their use is now seriously considered in the gravity field especially for cooling electronic devices of a railroad traction chain. The work of this thesis focuses on the description of the unsteady thermodynamic behavior of a capillary pumped loop used by Alstom Transport to cool its power electronics components. The first part of the thesis consists to study the key component of CPL: the capillary evaporator. A 2D unsteady mathematical model has been developed to describe the heat and mass transfer inside the porous wick of the CPL evaporator. The numerical results of this model show the formation of a vapor pocket inside the porous wick. The influences of evaporator geometry, liquid subcooling, saturation temperature and wick porosity on the dynamic growth of the vapor pocket are discussed in detail. The second part of this work consists of coupling the CPL evaporator model with other CPL components in order to obtain a global capillary pumped poop model with a mobile liquid/vapor interface in the porous wick. The proposed model is validated by comparing numerical simulations with experimental results obtained in a previous works realized at Alstom Transport. The CPL startup is then studied. Finally, the influences of the applied power, reservoir temperature and heat sink temperature on the dynamic response of the overall loop are analyzed, with a particular interest to the evaporator behavior.

Les contextes énergétiques et environnementaux imposeront durablement au secteur industriel la poursuite des efforts en matière d'efficacité énergétique. La récupération de chaleur fatale sur des rejets et effluents industriels à basse température avec des pompes à chaleur industrielles représente un potentiel d'amélioration significatif de l'efficacité énergétique de ce secteur. Un simulateur expérimental de l'intégration d'un système de récupération thermique à pompe à chaleur dans les procédés industriels agroalimentaires a été conçu et construit. Le banc d'essais constitue un générateur de courbes composites et son but est de démontrer le principe du pompage de la chaleur dans l'industrie tout en respectant les lois de la méthode du pincement. Un ensemble de scénarios industriels correspondant à des températures procédés et rejets variées a été testé sur le simulateur. L'analyse des résultats selon les premier et deuxième principes de la thermodynamique montre que l'amélioration de la performance de la pompe à chaleur est un défi pour augmenter son efficacité et sa rentabilité. Un modèle numérique des évaporateurs tubes-calandre en épingle de configuration générique est développé et validé expérimentalement. Une nouvelle méthode ayant un niveau de complexité intermédiaire est élaborée pour modéliser ces évaporateurs : discrétisation en volumes finis utilisant le langage Modelica. Ce niveau de détail est indispensable pour simuler son fonctionnement avec les mélanges de fluides zéotropes. Enfin, un modèle complet de pompe à chaleur industrielles liquide/liquide est développé intégrant le modèle de l'évaporateur. Des simulations numériques dans un scénario industriel typique avec des mélanges de fluides et des configurations originales et modifiées des échangeurs tubes-calandres ont été effectuées. Les résultats montrent qu'il est possible d'améliorer significativement les performances à condition d'utiliser les mélanges zéotropes avec des condenseurs et évaporateurs tubes-calandres à configuration contre- courants.

Les évaporateurs à flot tombant (EFT) sont largement utilisés dans les industries chimiques, de la réfrigération, du raffinage du pétrole, et alimentaires. Dans l'industrie laitière, les EFT sont appliqués pour la concentration de solutions avant l'étape de séchage. Malgré l'importance économique du procédé d'évaporation sous vide dans la fabrication de produits laitiers déshydratés, la connaissance du procédé est essentiellement empirique. Des recherches visant à améliorer l'efficacité du procédé sont donc nécessaires. L'objectif de ce projet de doctorat est de caractériser expérimentalement un EFT lors de la concentration de produits laitiers, par des approches thermo et hydro-dynamiques, afin d'étudier les interactions entre les propriétés des produits et les paramètres opérationnels. Un évaporateur à flot tombant, simple effet, à l’échelle pilote, qui décrit le même processus que celui à l'échelle industrielle, d'un point de vue hydrodynamique, a été instrumenté et utilisé pour établir les bilans massiques et énergétiques. La capacité évaporatoire et le coefficient global de transfert de chaleur ont été calculés à partir des données expérimentales. Une méthodologie pour la détermination expérimentale des fonctions distribution des temps de séjour (DTS) a été développée. En effet, les fonctions de DTS fournissent des informations essentielles sur l'écoulement des produits lors de la concentration dans un EFT. L'augmentation de la concentration, du débit massique et de la distance parcourue par le produit entraîne une augmentation de la dispersion des particules dans le flux. Ces fonctions ont été modélisées par une combinaison de réacteurs en cascade, parfaitement agités. D’après l'interprétation de ce modèle, deux flux, un principal et un secondaire, correspondant à deux couches superposées de produit circulant à travers des tubes d'évaporateur, a été proposé. La méthodologie développée pour le calcul des fonctions de DTS a été appliqué pour la concentration de produits laitiers (lait écrémé, lactosérum doux et acide). Par la suite, l'étude a été étendue à la formation de l'encrassement pendant la concentration par évaporation sous vide. Il a été montré que le temps de séjour moyen était plus sensible pour identifier l'encrassement que le coefficient global de transfert de chaleur et la capacité évaporatoire. Ainsi, cette étude a souligné le rôle crucial de l’importance de la caractérisation des EFT sous vide afin d’en améliorer leurs performances et la qualité des produits qui en sont issu. / Falling film evaporators (FFE) are widely used in the chemical, refrigeration, petroleum refining, desalination and food industries. In the dairy industry FFE is applied for the concentration of solutions prior to the drying step. Despite the economic importance of the vacuum evaporation process in the manufacture of dairy dried products, the knowledge about the process is mostly empirical. Research aiming to improve the efficiency of the process is therefore necessary. The objective of this PhD project was to characterize experimentally a FFE during the concentration of dairy products by means of thermodynamic and hydrodynamic approaches, in order to study the interactions between the products properties and the operating parameters. A pilot-scale, single-stage falling film evaporator that describes the same process as that of an industrial scale from a hydrodynamic point of view was instrumented and used to establish the mass and energy balances. The evaporation rate and the overall heat transfer coefficient were calculated from the experimental data to follow up the process. A methodology for the determination of the experimental residence time distribution (RTD) functions was developed. RTD functions provide global information about the flow of the products during concentration in a FFE. Increasing of the concentration of skim milk, mass flow rate and the distance covered by the product resulted in an increase in the dispersion of the products particles. The experimental RTD functions were modelled by a combination of two perfectly mixed reactor tanks in series. From the interpretation of this model, two different flows, a main and a minor flow, were identified. The RTD methodology developed on skim milk was applied to sweet whey and lactic acid whey and the study was extended to the formation of fouling during a 5-hour concentration. The mean residence time was more sensitive to identify fouling than the overall heat transfer coefficient and the evaporation rate. This study emphasized the crucial role of process characterization to improve the performance of FFE and product quality.

Au moins 30% de l'énergie produite par les moteurs à combustion interne est dissipée sous forme de chaleur dans les gaz d'échappement. L'intérêt des constructeurs pour les systèmes de récupération de chaleur bases sur le cycle thermodynamique de Rankine est justifié par des réductions de consommation espérées entre 5 et 10%. L'ambition de cette thèse est de contribuer à lever les principaux verrous liés à la gestion des procédés Rankine pour des applications ≪ mobiles ≫. Ce manuscrit s'appuie sur trois cas d'étude avec, pour chacun, un procédé pilote destiné à être intégré respectivement sur des véhicules légers à moteur essence, sur des camions poids-lourds et sur des trains à propulsion hybride Diesel électrique. Pour cela, des approches de l'automatique à base de modèle ont été développées. Une nouvelle loi de commande non-linéaire, permettant l'asservissement de la température et de la pression en sortie d'évaporateur, est proposée. Il est montré expérimentalement que le système peut être maintenu dans des conditions permettant la récupération d'énergie sans discontinuer, même sur des cycles routiers très dynamiques. La supervision énergétique du cycle de Rankine à bord d'un véhicule est ensuite abordée. Il s'agit de trouver les consignes pour la commande rapprochée qui permettent de maximiser l'efficacité énergétique d'un véhicule équipé d'un système de récupération d'énergie par cycle de Rankine. Il est montré que le gain énergétique apporté par l'optimisation dynamique temps réel proposée est important, comparé à une stratégie basée sur l'optimisation statique du système habituellement employée dans la littérature / More than 30% of the energy produced by internal combustion engines (ICE) is dissipated as heat through the exhaust gases. The interest of manufacturers in heat recovery systems based on the thermodynamic Rankine cycle is justified by announced reductions in fuel consumption ranging from 5 and 10% depending on the system and the driving cycle. The aim of this thesis is to help remove the main barriers associated with supervising and controlling Rankine processes for ≪ mobile ≫ applications. This dissertation is based on three study cases, each corresponding to a pilot process installed in engine test benches at IFP Energies nouvelles (IFPEN). These are applications to be integrated respectively on board light-duty vehicles with spark-ignition engine, heavy-duty trucks and trains with Diesel-electric propulsion. An original nonlinear (model-based) control law for the temperature and the pressure tracking at the evaporator outlet is proposed. It is shown experimentally that the system can be maintained under conditions allowing continuous energy recovery, even during highly transient road cycles. Then the supervision of Rankine systems is addressed, resulting in the choice of optimal set-points (in term of energy management) for the low-level controller. An optimal control problem is formulated, allowing online implementation via dynamic real-time optimization.The proposed approach is validated on a realistic simulator, showing significant benefits in the amount of energy recovered when compared with the classical (static) approach found in Rankine cycle literature