Ce travail porte sur la caractérisation des différentes propriétés physiques du composé Mn3Sn2 et de ses dérivés. Ce composé présente des propriétés magnétocaloriques remarquables qui font de lui un matériau réfrigérant prometteur pour une utilisation à grande échelle dans des systèmes de réfrigération magnétique à température ambiante. Dans un premier temps, des mesures de chaleur spécifique sous champ ont permis de compléter l'état des connaissances sur les propriétés magnétocaloriques du composé Mn3Sn2. Par la suite, l'étude des propriétés cristallographiques et magnétiques de l'alliage est abordée ; plus particulièrement la résolution de sa structure magnétique grâce à des mesures de diffraction des neutrons, ainsi que l'étude des symétries de la maille à l'aide de la théorie des groupes. Des mesures de spectrométrie Mössbauer viennent confirmer ces résultats et apportent des précisions quant aux mécanismes mis en oeuvre lors des transitions magnétiques. La diffraction des rayons X par rayonnement synchrotron a ensuite permis d'étayer les hypothèses émises tout au long de ce travail. Enfin, l'étude de la structure par diffraction des rayons X sur monocristal conclut la caractérisation des propriétés structurales du binaire. La seconde partie de ce travail est consacrée à la synthèse et à la caractérisation des propriétés cristallographiques des dérivés pseudo-ternaires Mn3-xTxSn2 et Mn3Sn2-yXy (T = métal de transition, X = métalloïde). Une description détaillée du comportement magnétique et magnétocalorique de ces nouvelles familles de composés y est également présentée. De plus, dans le cas des alliages substitués au fer, des mesures de diffraction des neutrons permettent de comprendre et décrire les différentes configurations magnétiques adoptées après chaque transition magnétique / Not available

Nine pages of Addenda and eight pages of Errata in back pocket. / Includes bibliographical references. / vii, 192, [78] : ill. ; 30 cm. / Title page, contents and abstract only. The complete thesis in print form is available from the University Library. / Thesis (Ph.D.)--University of Adelaide, Dept. of Chemical Engineering, 1994

Le refroidissement post récolte des produits horticoles est une opération incontournable destinée à garantir des conditions de conservation optimales et de commercialisation. Cette opération, souvent réalisée par le biais d’un flux d’air est très énergivore, il importe donc de disposer d’outils permettant d’optimiser le dimensionnement et le pilotage de telles installations. Les études réalisées concernent le pré-refroidissement de choux fleurs qui nécessitent une phase de refroidissement de plusieurs heures. Des propriétés macroscopiques nécessaires à la simulation numérique de la conduction thermique au sein du produit ont été déterminées. Et un banc expérimental a été mis en place pour disposer des cinétiques de refroidissement d’un produit placé dans une veine d’air. En s’appuyant sur ces données expérimentales, un premier modèle numérique 3D représentatif des phénomènes thermo-aérauliques et de la conduction thermique a été mis en œuvre. Les équations ont été implémentées à l’aide du logiciel COMSOL Multiphysics. Un second modèle numérique 1D donnant accès aux champs de température et de teneur en eau au sein d’un produit a ensuite été retenu pour simuler le refroidissement de plusieurs produits placés dans une veine d’air. La confrontation de valeurs simulées aux mesures réalisées sur un site industriel a montré la pertinence de l’étude. A partir de ces développements numériques une approche de type commande optimale hors ligne du pilotage de la ventilation a été initiée. Deux critères sont pris en compte : la température finale souhaitée et la consommation d’énergie induite par les pertes thermiques au niveau de l’enveloppe des bâtiments. / The post-harvest cooling of horticultural products is an essential operation to ensure optimal conditions of preservation and of marketing. This operation which is often carried out using air flow is highly energy-consuming. Therefore it is important to dispose some tools that can optimize the design and management of such installations. This work concerns the pre-cooling of cauliflower which requires a cooling phase of several hours. The macroscopic properties that are needed for the numerical simulation of heat conduction within the product were determined. An experimental facility was set up in order to establish the cooling kinetics of a product placed in an air flow. From these experimental data, a first 3D numerical model that takes into account the thermo-aeraulic phenomena and thermal conduction has been implemented. The equations have been implemented under COMSOL Multiphysics software. A second 1D numerical model that calculates the fields of temperature and water content in a product was then developed to simulate the cooling of several products lined up in an air flow. The comparison of simulation results with experimental surveys on an industrial site shows the relevance of the method. These numerical developments were then used to initiate an offline approach of the optimal control of the ventilation. Two criteria are taken into account: the desired final temperature and the energy consumption owing to the thermal losses of the building envelope.

L’objectif de ce travail est de développer un modèle multi-physique et multi-échelle de Régénérateur Magnétique Actif en vue d’optimiser le fonctionnement d’un système de réfrigération magnétique. Le modèle numérique développé lors de cette thèse est un modèle multi-physique et multi-échelle qui prend en compte trois phénomènes distincts (le magnétisme, la fluidique et le transfert de chaleur), chacun à une échelle différente (micro-échelle, mini-échelle et macro-échelle). Une étude expérimentale a été menée afin de déterminer les propriétés thermophysiques des matériaux magnétocaloriques et d’intégrer les résultats de ces mesures dans le modèle numérique. Le modèle a été validé par une comparaison avec des données expérimentales et les résultats obtenus ont montré une bonne corrélation entre les résultats du modèle et les mesures. Enfin, le modèle a été exploité par une analyse de sensibilité des paramètres en vue d’étudier le fonctionnement ainsi que les performances du système. Ce modèle permettra d’identifier une stratégie de conception optimale d’un Régénérateur Magnétique Actif afin de concevoir des systèmes de réfrigération magnétique performants. / The objective of this work is the developing of a multi-physics and multi-scale numerical model of an Active Magnetic Regenerator in order to optimize the operation of a magnetic refrigeration system. The numerical model developed in this thesis is a multi-physics and multi-scale model that takes into account simultaneously three distinct phenomena (magnetism, fluid flow and heat transfer), each on a different scale (micro-scale, mini-scale scale and macro-scale). An experimental study was conducted to determine the thermophysical properties of magnetocaloric materials and integrate the results of these measurements in the numerical model. The model has been validated by comparison with experimental data and the results showed a good correlation between the model results and measurements. Finally, the model was exploited by an analysis of parameter sensitivity allowing studying the operation and performance of the system. This model will identify an optimal design strategy of an Active Magnetic Regenerator in order to design high-performance magnetic refrigeration systems.

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L'application de la brumisation d'eau dans l'air en amont des condenseurs à air permet de réduire la consommation d'énergie des machines frigorifiques. L'intérêt de la brumisation d'eau réside dans l'abaissement de température de l'air obtenu par évaporation du spray. L'optimisation de cette méthode permet d'obtenir une efficacité se rapprochant de celle des systèmes évaporatifs tout en supprimant le risque de développement et de transports de bactéries tel que les légionelles. Le problème est abordé ici de deux manières : la première théorique et numérique (utilisation du code MIRABELLES et développement d'un modèle d'échange thermique air-goutte/condenseur) et la seconde expérimentale (mise en place d'un pilote et d'une pompe à chaleur). A l'aide du code MIRABELLES, on a déterminé les caractéristiques d'un spray évoluant dans un milieu ambiant donné et son impact sur l'abaissement de température de l'air. Les données numériques obtenues ont guidé le choix du matériel et la stratégie de brumisation à appliquer expérimentalement. Les mesures effectuées sur le pilote montrent l'amélioration des échanges thermiques entre l'air et le condenseur grâce à la brumisation et quantifient également l'influence de l'impact des gouttes avec les ailettes du condenseur. L'application de la brumisation sur la pompe à chaleur a mis en avant les gains sur la consommation électrique et l'augmentation de la production frigorifique. La comparaison de l'ensemble des résultats expérimentaux avec les résultats numériques a permis de valider le modèle thermique simulant les échanges entre un air chargé de gouttelette d'eau et un condenseur. / The application of water mist in the air upstream of the air-cooled condensers can reduce the energy consumption of refrigeration. The advantage of water mist is the lowering of air temperature obtained by evaporation of the spray. The optimization of this method provides an efficiency approaching that of evaporative systems while eliminating the risk of development and transport of bacteria such as legionella. The problem is addressed here in two ways: the first theoretical and numerical (using the code MIRABELLES and development of a model heat exchange air-droplet/condenser) and the second experiment (establishment of a pilot and a heat pump). Using the code MIRABELLES, it was determined the characteristics of a spray operating in a given environment and its impact on the lowering of air temperature. The digital data obtained have guided the choice of materials and the experimental using condition of water mist. Measurements on the pilot show the improvement of heat exchange between air and the condenser by means of the mist and quantify the influence of the impact drops/condenser fins. The application of the mist on the heat pump has highlighted the gains in power consumption and the increase in refrigeration. The comparison of all experimental results with the numerical results has validated the thermal model simulating the interaction between a droplet-laden air and water condenser.

L’objectif de cette étude est d’optimiser un cycle frigorifique au CO2 pour une application dans le transport frigorifique. Les performances de l’unité doivent être supérieures à celles d’une machine avec une injection de vapeur et un compresseur bi-étagé déjà commercialisé. Suite à l’étude de plusieurs solutions, un éjecteur couplé à un échangeur interne semble la solution la plus intéressante.Un banc expérimental est créé à partir de l’unité possédant une injection de vapeur. L’éjecteur est muni d’une aiguille pour pouvoir assurer une recherche de la haute pression optimale. L’échangeur interne est équipé d’un by-pass pour modifier la puissance échangée. Un ensemble de points d’essais est testé avec deux températures d’évaporation : 0 °C et -20 °C, et trois températures de source chaude : 30 °C, 38 °C et 50 °C.L’éjecteur avec aiguille est capable de s’adapter à différentes températures extérieures en modifiant la haute pression. L’échangeur interne permet d’augmenter les performances du cycle mais présente une limite, la température au compresseur devient élevée et présente un risque de détérioration de ses performances ou de l’huile.Avec le cycle présentant un éjecteur, une amélioration du coefficient de performance est observée pour les points avec une température d’évaporation de 0 °C mais celle-ci chute drastiquement pour les températures d’évaporation de -20 °C. Une analyse exergétique du cycle confirme les faibles performances de celui-ci pour des températures d’évaporation négatives.À partir des résultats expérimentaux, des modèles numériques sont mis en place. Les échangeurs, vannes de détente sont modélisés de manière conventionnelle. Pour le compresseur, le modèle de Winandy est modifié afin de fonctionner pour un compresseur bi-étagé avec injection de vapeur. L’éjecteur est modélisé à travers un modèle unidimensionnel basé sur des transformations simplifiées décrites à travers des rendements isentropiques. Tous les modèles sont validés mais ceux des échangeurs ont un temps de calcul CPU trop important pour pouvoir être utilisés sur une modélisation dynamique. / The aim of this study is to optimize a CO2 cooling cycle for transport application. The efficiency of the unit needs to be superior that of a cycle with vapor injection and a two stages compressor. The solution proposed is to install an ejector with an internal heat exchanger.A test bench is created from a pre-existing unit. Tests are made for two evaporation temperatures: 0 °C and -20 °C and three external temperatures: 30 °C, 38 °C and 50 °C. The ejector is equipped with a needle to seek the optimal high pressure. The internal exchanger is equipped with a by-pass to modify the thermal power exchanged.The ejector with needle can change the high pressure to seek the optimal conditions. The internal heat exchanger increases the efficiency of the cycle but the rising of temperature at the compressor can degrade its efficiencies or the oil. The new cycle increases the COP for evaporation temperature of 0 °C but the COP is lower than without ejector for evaporation temperature of -20 °C. An exergetic analysis shows that indeed the cycle is less efficient for low evaporation temperature.From the experimental results, numerical models are created to realize a system simulation and to test different scenarii to drive the unit. Exchangers and valves modeled with conventional tools. Wynandy’s model is adapted to be used on a two-stage compressor with vapor injection. The ejector is modeled with a one-dimensional model, based on simplified transformations described with isentropic efficiencies. All models seem to work but the CPU time is too high to use the exchanger models for dynamic simulation.

Actuellement, la plupart des fabricants de pompes à chaleur (PAC) fournissent les valeurs de coefficients de performances (COP) obtenus en laboratoire en conditions contrôlées et standardisées. Une méthode prometteuse, appelée méthode de mesure des performances dans la suite, d’évaluation des performances de PAC in situ, basée sur le bilan énergétique du compresseur, a été présentée par Tran et al. (2013). Cette méthode détermine le débit de fluide frigorigène et est compatible avec différents types de PAC, notamment air-air, et des cycles frigorifiques plus complexes.Tran et al. (2013) ont déterminé que l’incertitude sur l’évaluation de pertes thermiques du compresseur contribue à hauteur de 40% sur l’erreur d’estimation de la puissance thermique. L’objectif de cette thèse est d’établir une méthode simplifiée quant à l’instrumentation pour mesurer les pertes thermiques in situ. Pour cela, deux modèles numériques détaillés sont développés afin d’examiner la distribution de température sur l’enveloppe de deux types de compresseurs, scroll et rotary. Les mesures expérimentales fournies par un fabricant de compresseurs, Mitsubishi Heavy Industries (MHI), sont utilisées pour calibrer et valider les modèles numériques. Ces derniers permettent de définir deux protocoles de mesures différents pour les deux compresseurs. Ensuite, le protocole établi pour le compresseur rotary est intégré dans la méthode de mesures des performances. Les puissances thermiques calculées sont comparées avec des valeurs de référence, obtenues à partir d’un prototype en banc d’essai à EDF Lab Les Renardières. / Currently, most heat pump(HP) manufacturers provide coefficient of performance (COP) values obtained in laboratories under standardized controlled operating conditions. These COP values are not necessarily representative of those obtained on-field. A promising method, referred to as the performance assessment method, that measures heat pump performances in-situ based on compressor energy balance, was presented by Tran et al. (2013). The method determines refrigerant mass flow rate and has the capability of measuring performances of various HP types, such as air-to-air, as well as more complex refrigeration cycles. The method abstains from intrusive measurements, and is, therefore, perfectly suitable for in-situ measurements.As shown in the work of Tran et al. (2013), compressor heat losses account for 40% in the final uncertainty of performance values obtained with the performance assessment method. The objective of this thesis is to establish a rather simplified measurement method, in terms of instrumentation, that is used to determine compressor heat losses in-situ. For this purpose two detailed numerical models for assessing the temperature fields of the scroll and rotary compressor shells were developed. Experimental measurements obtained with the help of compressor manufacturer, Mitsubishi Heavy Industries (MHI), are used to validate and calibrate the numerical models. The developed numerical models allow to define two different measurement protocols for both compressors. Established compressor heat loss protocol for rotary compressor is then integrated in the performance assessment method and the obtained heating capacities are compared with reference measurements in an experimental test bench in EDF Lab Les Renardières.

L'utilisation des meubles frigorifiques de vente fermés a augmenté régulièrement dans les supermarchés en raison des économies d'énergie réalisées par rapport aux meubles ouverts. D’où la nécessité d'élargir les connaissances scientifiques à ce type de meuble. Pour l’instant la plupart des études de la littérature ont porté sur l'amélioration de l'efficacité énergétique après l'installation de portes, tandis que les études sur les mécanismes de transfert de chaleur dans les meubles frigorifiques fermés sont rares. De plus, il convient d’étudier également les circulations d’air car ils influencent les échanges de chaleur entre l’air et les produits, donc leur température. Cette thèse a pour objectif de mieux comprendre les phénomènes d’écoulement d’air et de transfert de chaleur dans les meubles frigorifiques fermés par la mise en œuvre d'approches expérimentales et numériques.Des investigations expérimentales ont été menées sur un meuble frigorifique fermé placé dans une cellule d’essai à température contrôlée. Quatre-vingts thermocouples calibrés répartis dans le meuble ont permis d’observer les évolutions spatio-temporelles des températures de l’air et du produit dans différentes conditions de fonctionnement. Nous avons fait varier la température de l'air ambiant (15, 19, 24 et 29 ° C), le volume occupé par le produit (meuble vide ou plus ou moins chargé de blocs de méthylcellulose) et la fréquence d'ouverture des portes (0 : fermé en permanence, 10, 20, 40, 60 Ouvertures Par Heure - OPH). Des expériences ont également été réalisées dans une configuration ouverte du meuble frigorifique (portes complètement retirées) afin de déterminer les avantages des portes sur les performances thermiques.Les résultats ont montré que lorsque les portes étaient fermées en permanence, les champs de température étaient similaires quels que soient la température ambiante et le pourcentage de volume occupé : la température la plus élevée se situe à l’avant de l'étagère supérieure alors que la température la plus basse est observée à l’arrière de l'étagère inférieure. Cette répartition change lorsque les portes sont périodiquement ou définitivement ouvertes : la position où la température est la plus élevée migre vers l’avant de l'étagère du milieu. Même pour une fréquence très élevée d’ouverture des portes (60 OPH), les températures de l’air et des produits dans le meuble fermé sont restées plus basses d’au moins 1,0 ° C par rapport au meuble sans portes.Des mesures de vitesse d'air par anémométrie à fil chaud au niveau du rideau d’air ont permis d'observer son allure générale tandis que les mesures effectuées dans le conduit arrière ont permis de quantifier la répartition du flux d'air à travers le plaque arrière perforée. L’utilisation d’une technique de vélocimétrie par image de particules (PIV) a permis de caractériser le rideau d’air avec une résolution et une précision spatiale supérieures. Les résultats ont notamment montré l’existence d’une zone de recirculation de l'air dans la partie supérieure du meuble où l’on observe également une infiltration d'air ambiant chaud par les fentes présentes autour des portes. Ceci induit une augmentation de la température du rideau d'air. Des simulations numériques bidimensionnelles d’écoulement (CFD) avec le modèle de turbulence k-ε ont permis de reproduire les principaux phénomènes d'écoulement observés par PIV et de voir leur influence sur la distribution de température dans le meuble.Enfin, un modèle simplifié des transferts de chaleur a été développé par une approche zonale en régime permanent et en régime transitoire ce qui permet respectivement de prévoir les températures moyennes de l’air et du produit et les fluctuations de température en fonction des cycles marche / arrêt du compresseur. Le modèle transitoire a été résolu avec une approche spectrale. L'influence de différents paramètres sur les niveaux de température et l'amortissement des fluctuations peut ainsi être identifiée. / The use of closed refrigerated display cabinets in supermarkets has been increased steadily because of the potential energy savings compared to open ones. This growing trend has contributed to the necessity to expand research in the field of retail refrigeration. Most studies in literature, however, focused on the improvements of energy efficiency after door installation while studies on the mechanism of heat transfer and airflow within closed display cabinets are still limited. In fact, the airflow pattern influences the heat exchange between air and products, thus, product temperature. This PhD thesis aims to gain an insight into the mechanism of airflow and heat transfer in closed refrigerated display cabinets by the implementation of experimental and numerical approaches.Experimental investigations were conducted in a closed refrigerated display cabinet (an integral type with a single band air curtain and two double-glazing doors) located in a controlled-temperature test room. Air/product temperatures and air velocity are the main parameters taken into investigations. Eighty calibrated thermocouples distributed throughout the cabinet made it possible to observe the spatial and temporal evolutions of the air and product temperatures under different operating conditions. These conditions were ambient air temperature (15, 19, 24 and 29 °C), product-occupied volume (unloaded, half-loaded and full-loaded with test packages made of methylcellulose), door-opening frequency (0 - permanently closed, 10, 20, 40, 60 Openings Per Hour - OPH) and opening duration (15s and 30s). An automatic door opening system was developed and allowed to apply the opening regime as prescribed in the standard test (EN ISO 23953-2, 2015). The experiment was also conducted in an open configuration of the cabinet (doors were completely removed) to determine the benefits of the doors on the temperature performance. The results showed that when the doors were permanently closed, the temperature distribution in the cabinet was similar whatever the ambient temperatures and occupied-volume percentages – the highest temperature position at the front-top shelf and the lowest temperature position at the rear-bottom shelf. The temperature distribution changed when the doors were periodically or permanently open – the front of the middle shelf became the highest temperature position while the lowest temperature position remained at the rear-bottom shelf. However, the air and product temperatures in the cabinet with doors remained lower despite a very high door-opening frequency (i.e. 60 OPH, product temperatures at least 1.0 °C lower), compared to the case without doors.Air velocity measurement using a hot-wire anemometer at the front of the cabinet from the discharge to the return air grilles allowed to observe the shape of the air curtain, while the measurement in the rear duct allowed to quantify the air flow distribution over the perforated back panel of different shelves. The use of a Particle Image Velocimetry (PIV) technique allowed the characterization of the air curtain with higher spatial resolution and accuracy. The result showed a zone of air recirculation at the upper part of the cabinet where warm ambient air infiltration through the door gaps was also observed, leading to an increase in the air curtain temperature. A 2D-CFD k-ε turbulence model was developed to reproduce the main flow phenomena observed by PIV so that its influence on the internal temperature distribution can be examined.Finally, a simplified heat transfer model was developed based on a zonal approach in both static and dynamic regimes which permits, respectively, the predictions of time-averaged air and product temperatures and temperature fluctuations according to the on/off cycle of the compressor regulation. The dynamic model was solved with a spectral approach, thus the influence of different parameters on the damping of the temperature fluctuations can be identified.