Le développement de bioprocédés pour la culture des cellules animales est d'une grande importance pour la biotechnologie, dû aux nombreuses applications biomédicales de ces cellules. Dans ce travail, la mise au point d'un système de contrôle ainsi que la conception, la caractérisation et l'utilisation de minibioréacteurs à échelle réduite (30-100 mL), entièrement équipés et automatisés pour la culture cellulaire, sont présentées. Les paramètres des contrôleurs ont de plus été optimisés pour des bioréacteurs de différentes tailles (500 mL et 15 L) avec différents volumes de travail (0,3, 0,5, 5, 10 et 15 L). Les temps de réponse de chaque sonde ainsi que le kLa dans les bioréacteurs ont aussi été évalués. Un système de contrôle en langage LABVIEW National Instruments, incluant une interface-usager numérique a été finalisé. Ce programme est capable de saisir, contrôler et surveiller les paramètres d'opération (pH, DO, pCO2, T) de huit bioréacteurs de façon simultanée et indépendante par le biais des modules de conversion Numériques/Analogues Field Point National Instruments. Finalement, le système a été testé par trois cultures de cellules HEK 293S dans les minibioréacteurs (100 et 300 mL). Les résultats ont été comparés à une culture statique dans un T-Flask de 25 cm2 . On a ainsi démontré que le système développé est robuste, précis et efficace.

Récemment, une récolteuse de plantes arbustives a été développée pour couper, broyer et mettre en balles rondes la biomasse, arbustive à un coût abordable. Afin d'optimiser le processus de broyage, un montage expérimental a été fabriqué. La composante principale était un rotor mesurant 1020 mm de long et 210 mm de diamètre et équipé de huit marteaux de 1,7 kg. Plusieurs paramètres pouvaient être ajustés, notamment la vitesse de rotation (de 1320 à 2390 TPM), la position du capot, celle du contre-couteau, le débit et la vitesse d'alimentation. Les résultats ont montré une demande d'énergie moyenne de broyage de 3,1 kJ/kg MS de saule. Une vitesse de rotation élevée (2390 TPM) a produit plus de particules inférieures à 250 mm (jusqu'à 580/0 de la masse totale) et aussi plus de perte (jusqu'à 17%). Une faible vitesse de rotation et un grand espacement entre les marteaux, le capot et le contre-couteau offraient un conditionnement acceptable pour la mise en balle, tout en réduisant les besoins en énergie et les pertes. / A recently developed cutter-shredder-baler successfully harvested willow over small areas at reasonable cost. To improve and optimize the shredding process, a laboratory-scale flail hammer type shredder was designed and built. The main rotor was 1020 mm in length and 210 mm in diameter. It was equipped with eight hammers of 1.7 kg. The rotary speed (from 1320 to 2390 rpm), the hood position, the counter-knife position, the crop fIow, and the feeding speed could be adjusted. Results indicated that shredding energy averaged 3.1 kJ/kg on a dry matter basis (DM) of processed willow. High rotary speed (2390 rpm) produced the largest quantity of small particles (up to 58% shorter than 250 mm) and also the highest level of loss during processing (up to 17%). A low flail rotary speed and a wide spacing between the flails, the hood and the counter-knife resulted in acceptable stem processing for subsequent baling while reducing energy requirement and DM loss.

En télémédecine aussi bien qu'en téléchirurgie, où les délais de communication entre l'opérateur et le patient sont trop importants pour percevoir le retour d'effort en temps réel, il est crucial de développer des outils intelligents autonomes capables de s'adapter aux changements locaux de géométrie et aux perturbations d'efforts. Dans ce mémoire, il est proposé de développer un nouveau préhenseur capable d'une prise autonome sur des objets de tout acabit. La pierre angulaire de ce nouveau préhenseur miniature est l'utilisation du sous-actionnement pour limiter le nombre d'actionneurs et l'utilisation d'articulations flexibles pour faciliter la miniaturisation du principe. Le bon fonctionnement du mécanisme repose sur une définition appropriée des critères de performance, sur un modèle mathématique juste et sur une optimisation adéquate.

La durée de vie des cuves d’électrolyse d’aluminium peut atteindre jusqu’à 3000 jours. Pendant cette période, les blocs cathodiques subissent divers changements physico-chimiques qui pourraient entraîner une augmentation de la résistivité électrique. L'augmentation peut être due à la migration du carbone de la fonte à la barre d'acier, à l’écart géométrique entre le bloc cathodique et la fonte, la fissuration de la cathode, etc. Ce mémoire se concentre toutefois uniquement sur l'évolution de la résistivité électrique dans les barres collectrices. Pour révéler les principaux phénomènes responsables de l'augmentation de la résistivité électrique, des analyses chimiques, des tests de résistivité électrique et des métallographies ont été faits sur deux barres d’acier prises à partir de cellules Hall-Héroult après autopsies. La perte de tension ainsi que la température ont été mesurées sur 16 échantillons le long de chaque barre d’acier. La résistivité électrique peut atteindre 1,21μΩ-m pour une barre d'acier de 2505 jours. / Life span of aluminium smelting electrolysis cells can reach up to 3000 days. During this period, cathode blocks go under various physical and chemical changes that could result in an increase of electrical resistivity. The increase may be due to carbon migration from the cast iron to the steel bars, gap evolution between the cathode block and the cast iron, cathode cracking, etc. This thesis focuses, however, only the evolution of electrical resistivity of collector steel bars. To reveal the main phenomena responsible for the electrical resistivity increase, chemical analysis, metallographic and electrical resistivity tests were conducted on two steels bars picked up from two Hall-Héroult cells after their autopsies. Cathode voltage loss and temperature were measured using electrically insulated internal probes and thermocouples on 16 samples from each steel bar. Electrical resistivity can reach up to 1.21μΩ-m for a steel bar aged for 2505 days and it depends on temperature and carbon concentration.

L’objectif principal de ce travail est de concevoir un petit brûleur au kérosène pour étudier la propriété ignifuge de matériaux composites sous attaque de flamme. Les normes AC20-135 et ISO 2685 décrivent de quelle manière les tests pour démontrer la capacité ignifuge d’un matériau doivent se dérouler. Ces normes sont utilisées pour dresser les requis pour la conception de ce petit brûleur au kérosène. Des gouttelettes liquides de jet-A sont pulvérisées pour alimenter la flamme en carburant tandis que l’air est amené via une conduite annulaire autour de l’injecteur. La combustion génère une flamme non-confinée. L’injecteur sélectionné est un atomiseur à pression avec ligne de retour de la compagnie Delavan. Un swirler en impression 3D de plastique est placé dans le brûleur près de la sortie d’air pour augmenter le mélange entre les gouttelettes de jet-A et l’air. Une analyse de mécanique des fluides numériques (MFNou CFDen anglais) est présentée pour mieux comprendre l’aérodynamique dans un brûleur et pour concevoir le swirler. Le brûleur est conçu pour permettre de facilement changer le swirler pour tester différents angles d’aubes. Un banc d’essai a été mis en place pour tester l’effet de ces swirlers sur le flux thermique de la flamme. Les effets de la puissance du brûleur, du rapport d’équivalence et de la distance entre le brûleur et la position de la mesure ont été investigués avec des essais expérimentaux. Un swirler de15 aubes avec un angle d’aube de 25°a été choisi. Parmi toutes les distances axiales testées expérimentalement avec le swriler choisi, il est possible d’atteindre le flux thermique requis de 116 kW/m2 avec le plus de configurations de flamme possible lorsque cette distance est de 7.6 cm (3 po.) du brûleur. Il est possible de générer une flamme avec un diamètre inférieur à 6.4 cm (2.5 po.) tout en atteignant le flux thermique requis de 116 kW/m2. Ceci permet d’effectuer des tests sur des petits échantillons et de réduire les coûts des tests de pré-certification. Pour atteindre cette configuration de flamme, il faut ajuster la puissance du brûleur entre 10 kW et 20 kW avec un rapport d’équivalence entre 0.7 et 0.9. / The main objective of this work is to design a small kerosene burner to study the fireproofing capacity of composite material under flame attack. The standards AC20-135 and ISO-2685 described how the fireproofing tests have to be performed and are used to set the requirements for the design of the small kerosene burner. The burner sprays liquid jet-A droplets and air is flowing around the injector in an annular chamber. The combustion generates an unconfined flame. The fuel injector selected is a Delavan spill-return pressure atomizer. There is a custom 3D printed plastic swirler at the air exit near the combustion area to increase the mixing between air and jet-A droplets. A computational fluid dynamic analysis (CFD) is presented to better understand the aerodynamic of the burner and to design the swirler. The design of the burner allows to easily change the swirler to test different vane angles. An experimental test bench is designed to test the effect of these swirlerson the heat flux under multiple combinations of burner power and equivalence ratio at four axial measurement locations. The experimental investigation allows selecting the final configuration and parameters for the burner. The chosen swirler has 15 vanes that are oriented 25° to the burner axis. The best axial location for the measurements is at 7.6 cm (3 in.). It is possible to generate a flame with a diameter smaller than 6.4 cm (2.5 in.) while reaching the required heat flux of 116 kW/m2. This accommodates smaller coupon sizes and reduces cost for pre-certification testing. To achieve this flame configuration, the burner power should be set between 10 kW to 20 kW with an equivalence ratio between 0.7 and 0.9.

Le traitement du minerai s'effectue en deux étapes : la comminution et la séparation des particules. La première comprend le broyage, un procédé très énergivore. Celui-ci consomme près de la moitié de l'énergie des sites miniers. Il a déjà été démontré que remplacer le broyeur primaire conventionnel par le broyeur à rouleaux à haute pression (HPGR) permettait de diminuer la consommation énergétique des usines. Ceci s'explique en raison de son mécanisme de fragmentation. Contrairement aux broyeurs conventionnels qui brisent les particules par impacts et attrition, le HPGR fait appel à la compression, plus efficace énergétiquement. Remplacer les systèmes de contrôle du statu quo par la commande prédictive économique (EMPC) pourrait réduire davantage la consommation énergétique des usines avec HPGR, car celle-ci considère le coût énergétique dans sa fonction objectif. Jusqu'à maintenant, ce scénario n'a pas été étudié. Cette recherche comble cette lacune. La mener à terme a nécessité de programmer des simulateurs de HPGR et de flottation. Le corpus contient déjà plusieurs modèles de HPGR, mais la majorité de ceux-ci présume que les fragments de minerai ne glissent pas dans l'espacement entre les rouleaux, une hypothèse qui n'avait pas été vérifiée. Les objectifs de la recherche sont donc : 1. de vérifier l'hypothèse d'absence de glissement du minerai dans l'espacement des rouleaux du HPGR ; 2. de développer un simulateur de HPGR permettant d'étudier le contrôle de procédé à l'échelle de l'usine ; 3. de modéliser mathématiquement la performance de flottation aux caractéristiques du produit de broyage et 4. de quantifier l'impact économique et énergétique de la commande prédictive économique à l'échelle globale à partir d'une étude de cas par simulation. Ces travaux invalident plusieurs modèles de HPGR en démontrant, à l'aide d'un bilan de matière, que le glissement se produit pour un jeu de données. Concevoir un observateur a permis de quantifier la vitesse de glissement. Celui-ci est basé sur des bilans de force, de matière et d'énergie. Il fait appel au critère de friction de Coulomb et à d'autres relations empiriques. Cette thèse présente ensuite le développement d'un modèle de HPGR ne faisant aucune hypothèse restrictive sur le glissement. Ce modèle suppose un écoulement piston divisé en plusieurs zones le long des rouleaux. Il comprend quatre sous-modèles : 1. espacement entre les rouleaux - fonction empirique de la force spécifique ; 2. débit massique du produit - équation de continuité améliorée d'un facteur de correction ; 3. puissance soutirée - fonction de l'angle d'application de la force de broyage et 4. distribution granulométrique du produit - approche populationnelle cumulative résolue dans le domaine énergétique. Son calibrage pour 18 jeux de données a permis d'évaluer sa validité. Le manuscrit continue avec la proposition d'un modèle empirique de la constante cinétique de flottation en fonction de la taille et de la composition des particules. En reliant le simulateur de broyage aux performances de flottation, il permet la réalisation de l'étude de contrôle de procédé à l'échelle de l'usine. Celle-ci s'accomplit en comparant l'efficacité énergétique et la performance économique des réponses de plusieurs systèmes de contrôle à une séquence donnée de perturbations. Les résultats principaux sont énumérés ci-après. 1. Comparativement à une stratégie de contrôle de procédés qui maintient le débit de minerai frais alimenté constant, un système qui manipule cette variable consomme moins d'énergie spécifique et produit une performance économique supérieure malgré une détérioration du rendement métal. 2. Une stratégie basée sur des contrôleurs de type proportionnel-intégral (PI) décentralisés permet d'obtenir la même performance économique que la EMPC, car l'optimum économique se situe au point de rencontre de contraintes d'opération du système. 3. La EMPC peut accroitre l'efficacité énergétique si son critère contient une composante pénalisant la puissance soutirée explicitement, mais au prix d'une diminution de la performance économique. En somme, la recherche montre qu'une stratégie de commande multivariable judicieuse mène à des performances économiques et énergétiques supérieures comparativement à une stratégie de commande de base pour une usine avec HPGR. Des performances équivalentes peuvent toutefois être obtenues autant avec une EMPC qu'avec une stratégie décentralisée faisant appel à des régulateurs PI. / Mineral processing comprises two steps : comminution and separation of the particles. The first one includes grinding, an energy-inefficient process consuming about half the energy of mine sites. It was previously demonstrated that replacing conventional grinding technologies by high-pressure grinding rolls (HPGR) reduces the specific energy consumption of mineral processing plants. The different breakage mechanisms explain these results. In contrast to conventional grinding mills that break particles by impact and attrition, the HPGR fragments them by compression, which exhibits higher energy efficiency. Replacing current process control systems with economic model predictive control (EMPC) could further reduce the energy consumption of HPGR grinding circuits since it considers the energy cost within its objective function. This solution remains unexplored as of now. This work aims at filling this gap. Doing so requires programming HPGR and flotation simulators. The literature already contains several HPGR models. Most of them, however, assume the ore does not slip against the surface of the rolls even though this assumption has yet to be validated. This research therefore aims: 1. to verify whether the ore fragments may slip or not in the HPGR working gap; 2. to develop an HPGR simulator enabling the study of plant-wide process control; 3. to model mathematically the flotation response to the grinding product characteristics, and 4. to quantify the performance of plant-wide EMPC in a simulated case study using specific energy consumption and the product net value as metrics. The results invalidate several HPGR models by showing, through a mass balance, that the ore fragments slip in the HPGR working gap for a data set. Developing an observer allowed quantifying the speed at which they do. It makes use of force, mass, and energy balances, the Coulomb friction criterion, and other empirical models. This thesis then presents a novel HPGR model that makes no restricting hypothesis regarding slip. It considers several parallel plug flow reactors along the length of the rolls. It comprises four sub-models: 1. working gap - empirical function of the specific force; 2. product mass flow rate - continuity equation improved with a correction factor; 3. power draw - function of the grinding force application angle, and 4. product particle size distribution - cumulative population balance model solved in the energy domain. Calibrating the model on 18 data sets allowed evaluating its validity. The manuscript follows with the proposal of an empirical model for the flotation kinetic constant as a function of the particle size and composition. It therefore links the flotation process performance to the grinding circuit, in turn allowing the plant-wide process control study to take place. To do so, the simulator introduces a given disturbance sequence to different control strategies. It makes use of energy efficiency and product hourly net value as comparison metrics. The main results are listed thereafter. 1. In contrast to a control system maintaining constant feed rate, a system that manipulates this variable consumes less specific energy and generates more profits even though the metal recovery decreases. 2. A control strategy based on decentralized proportional-integral (PI) controllers allows generating the same economic output as the EMPC because the system's constraints define the economic optimum. 3. EMPC can reduce the grinding circuit specific energy consumption by including a penalty for HPGR power draw in the objective function, albeit at the cost of a lower economic performance. Overall, the research shows that a well-designed multivariable control system results in higher economic performance and energy efficiency in comparison to a basic regulatory control system for a plant comprising HPGR grinding. This being said, both EMPC and PI-based decentralized regulatory control produce equivalent performances. / Thèse ou mémoire avec insertion d'articles.

Dans le présent travail, un modèle de « hub énergétique » a été utilisé pour concevoir des réseaux combinés de chauffage et de refroidissement afin de bénéficier des synergies potentielles. Les réseaux de chauffage et de refroidissement font partie intégrante de divers bâtiments, campus ou villes. Le concept de réseau thermique intelligent et de « hub énergétique » plaide en faveur de l'intégration thermique pour bénéficier des synergies potentielles et faciliter l'utilisation des sources d'énergie renouvelables. Dans ce système intégré, les pompes à chaleur peuvent être utilisées pour récupérer la chaleur de la boucle de refroidissement et la fournir à la boucle de chauffage. La récupération de la chaleur résiduelle peut aider à réduire les coûts d'exploitation et les émissions de gaz à effet de serre. Les charges de chauffage et de refroidissement du réseau peuvent être satisfaites par des chaudières au gaz naturel, des radiateurs électriques, des refroidisseurs et des pompes à chaleur. La conception du système et son fonctionnement ont été optimisés en termes de coût et d'émissions de gaz à effet de serre sous différentes combinaisons de charges de chauffage et de refroidissement. Les configurations de hub optimisées pour les scénarios avec et sans récupération de chaleur perdue ont été comparées, montrant que les pompes à chaleur étaient bénéfiques dans tous les scénarios. La capacité optimale des pompes à chaleur pour minimiser le coût total s'est avérée être d'environ 80% de la valeur maximale possible à partir d'une analyse thermodynamique des charges. La minimisation simultanée des coûts et des émissions a révélé une transition relativement nette du chauffage au gaz au chauffage électrique, car l'accent est davantage mis sur les émissions que sur les coûts, mais dans tous les cas, la récupération de la chaleur perdue avec des pompes à chaleur a été largement utilisée pour satisfaire les charges de chauffage et de refroidissement. Ensuite, en gardant le même cadre conçu ci-dessus, une méthode a été développée pour indiquer comment les unités de stockage d'énergie thermique (SET) peuvent contribuer à réduire le coût total d'un réseau thermique. Nous avons développé une méthode montrant comment les unités SET, couplées à des pompes à chaleur, peuvent contribuer à réduire le coût total d'un réseau thermique. Un modèle d'optimisation est introduit, basé sur un modèle de hub énergétique comprenant des chaudières au gaz naturel, des radiateurs électriques et des refroidisseurs. Pour différents profils de charge, les réseaux thermiques intégrant des pompes à chaleur seules, SET seules ou une combinaison des deux sont comparés à un hub de référence sans intégration thermique. Il a été constaté que l'inclusion à la fois du SET et des pompes à chaleur génère plus de bénéfices que lorsqu'elles sont utilisées séparément, étendant l'utilisation synergique des pompes à chaleur pour satisfaire à la fois les charges de chauffage et de refroidissement. De plus, l'intérêt du SET lorsque les composants du système(refroidisseur ou chaudière) sont sous-dimensionnés est évalué. Il a été observé que dans ces cas, le SET contribue à satisfaire les demandes thermiques. Cependant, en raison de la configuration du système, il existe une limite de sous-dimensionnement du refroidisseur que les unités SET peuvent compenser. Ensuite, l'influence du fonctionnement à charge partielle des dispositifs du hub énergétique a été étudiée pour le même hub énergétique. Dans la pratique, l'efficacité à charge partielle des équipements tels que les refroidisseurs, les chaudières et les pompes à chaleur doit être prise en compte dans la conception et le contrôle des réseaux de chauffage et de refroidissement car elle peut fortement affecter leurs performances globales. Cependant, les modèles d'optimisation tels que les hubs énergétiques considèrent généralement des efficacités constantes en raison du défi de mettre en œuvre l'efficacité à charge partielle dans de tels modèles. Par conséquent, l'impact des courbes d'efficacité à charge partielle sur les résultats d'optimisation des hubs énergétiques n'est souvent pas clair, en particulier lorsque plusieurs appareils sont inclus. Dans ce travail, le coût total sur la vie d'un système de réseaux combinés de chauffage et de refroidissement a été optimisé sur la base d'un hub énergétique dans lequel des dispositifs d'efficacité à charge partielle (chaudières à gaz naturel, radiateurs électriques, refroidisseurs électriques et pompes à chaleur) ont été modélisés. Le modèle a été linéarisé et étudié sous différentes combinaisons de charges thermiques. Une méthode itérative a été développée pour optimiser la conception et l'exploitation du pôle énergétique dans ce contexte. Pour déterminer l'impact des efficacités à charge partielle, chaque appareil a été examiné individuellement tandis que l'efficacité des autres appareils est restée constante. L'erreur résultant de l'hypothèse d'un rendement constant a ensuite été calculée sur la base d'un hub de référence avec des rendements constants. Les résultats ont indiqué une erreur maximale sur le coût total de 1,85 %, 0,6 % et 0,16 % en supposant un rendement constant pour les chaudières, les refroidisseurs et les pompes à chaleur respectivement. Les charges pour lesquelles ces erreurs maximales se produisent ont ensuite été choisies pour optimiser le hub avec tous les appareils modélisés avec une courbe d'efficacité à charge partielle. Les erreurs ont augmenté à 1,9 %, 0,71 % et 1.49 %, respectivement. Enfin, le potentiel de récupération de chaleur perdue (WHR) d'un atelier de fabrication a été évalué. Dans un premier temps, les sources de chaleur résiduelle ont été identifiées et évaluées, ce qui a conduit à la préparation d'une carte de chaleur résiduelle pour l'entreprise. Par la suite, trois principales méthodes de récupération de la chaleur ont été choisies et analysées pour l'usine. Pour les étés, la possibilité de remplacer les refroidisseurs actuels de bureaux par un refroidisseur à absorption simple effet de 52 kW a été étudiée, ce qui coûterait 8,000 CAD de plus que les refroidisseurs actuels sur 20 ans. Pour les hivers, le flux de chaleur résiduelle conditionné peut être utilisé à des fins de chauffage local au lieu d'utiliser les systèmes de chauffage électrique actuellement utilisés, ce qui permettrait d'économiser environ 110,000 CAD sur 20 ans. Pour le reste de l'année, la consommation interne d'eau chaude de l'entreprise peut être fournie en utilisant un chauffe-eau hybride (WHR+ électricité), ce qui permettrait d'économiser environ 2,000 CAD sur la même période. / In the present work, an "energy hub" template was employed to design combined heating and cooling networks to benefit from potential synergies. Heating and cooling networks are integral components of various buildings, campuses, or cities. The concept of smart thermal grid and "energy hub" argue in favor of thermal integration to benefit from potential synergies and facilitate the use of renewable energy sources. In this integrated system, heat pumps can be used to recover heat from the cooling loop and supply it to the heating loop. Waste heat recovery can help reducing operation costs and greenhouse gas emissions. Heating and cooling loads of the network can be satisfied by natural gas boilers, electric heaters, chillers, and heat pumps. The design of the system and its operation were optimized with respect to cost and greenhouse gas emissions under different combinations of heating and cooling loads. The optimized hub configurations for scenarios with and without waste heat recovery were compared, showing that heat pumps were beneficial in all scenarios. The optimal capacity of heat pumps to minimize total cost was found to be ~80% of the maximal possible value from a thermodynamic analysis of the loads. The simultaneous minimization of cost and emissions revealed a relatively sharp transition from gas to electric heating as more emphasis is put on emissions than cost, but in all cases, waste heat recovery with heat pumps was heavily used to satisfy the heating and cooling loads. Next, keeping the same framework designed above, a method was developed to indicate how thermal energy storage (TES) units can contribute to reduce the total cost of a thermal grid. We developed a method showing how TES units, coupled with heat pumps, can contribute to reducing the total cost of a thermal grid. An optimization model is introduced, based on an energy hub model including natural gas boilers, electric heaters, and chillers. For different load profiles, thermal grids integrating heat pumps alone, TES alone, or a combination of both are compared to a reference hub with no thermal integration. It was found that the inclusion of both TES and heat pumps together results in more profits than when they are used separately, extending the synergic use of the heat pumps to satisfy both heating and cooling loads. Furthermore, the benefit of TES when components of the system (chiller or boiler) are under-sized is assessed. It was observed that in these cases, TES contributes to satisfying the thermal demands. However, due to the configuration of the system, there is a limit of chiller under-sizing that TES units can compensate. Then, the influence of part-load operation of energy hub devices was studied for the same energy hub. In practice, part-load efficiency of equipment such as chillers, boilers, and heat pumps need to be taken into account in the design and control of heating and cooling networks as it can strongly affect their overall performance. However, optimization models such as energy hubs usually consider constant efficiencies due to the challenge of implementing part-load efficiency in such models. Therefore, the impact of part-load efficiency curves on energy hub optimization results is often unclear, in particular when multiple devices are included. In this work, the lifetime cost of a combined heating and cooling networks system was optimized based on an energy hub in which part-load efficiency devices (natural gas boilers, electric heaters, electric chillers, and heat pumps) were modeled. The model was linearized and studied under different combinations of thermal loads. An iterative method was developed to optimize the design and operation of the energy hub in this context. To determine the impact of part-load efficiencies, each device was individually examined while the efficiency of other devices remained constant. The error resulting from assuming a constant efficiency was then calculated based on a reference hub with constant efficiencies. The results indicated a maximum error on the total cost of 1.85%, 0.6%, and 0.16% by assuming constant-efficiency for the boilers, chillers, and heat pumps respectively. The loads for which these maximum errors occur were then chosen to optimize the hub with all devices modeled with a part-load efficiency curve. The errors increased to 1.9%, 0.71%, and 1.49%, respectively. Finally, the waste heat recovery (WHR) potential of a manufacturing workshop was assessed. First, the sources of waste heat were identified and evaluated, leading to preparation of a waste heat map for the company. Subsequently, three main WHR methods were chosen and analyzed for the plant. In the summer, the possibility of replacing the current office chillers with a 52 kW single-effect absorption chiller was investigated, which would cost 8,000 CAD more than the present chillers over 20 years. For winters, t waste heat can be used for local heating purposes instead of using the electric heating systems currently used, which would save approximately 110,000 CAD over 20 years. For the rest of the year, the internal hot water consumption for the company can be supplied by using a hybrid (WHR + electricity) water heater, which would save around 2,000 CAD over the same period.

Pour combler l'écart entre l'augmentation de la demande énergétique et l'épuisement de la production d'hydrocarbures onshore, l'exploitation des hydrocarbures offshore est de plus en plus envisagée, en particulier les gisements de gaz / pétrole dans les eaux plus profondes. En attendant, un grand nombre d'unités de traitement déployées pour la production d'hydrocarbures doivent respecter les contraintes environnementales conçues pour la protection maritime. Les systèmes tels que les réacteurs et les épurateurs à lit fixe embarqués deviennent inévitablement l'une des options les plus prometteuses pour atteindre ces deux objectifs. De nombreux efforts dans la littérature pour dévoiler l'hydrodynamique de l'écoulement multiphasé dans les lits garnis révèlent que des défis persistent soit dans leur conception / mise à l'échelle, soit dans leurs opérations. De plus, exposer ces réacteurs à des conditions marines difficiles telles que la convolution de la dynamique des navires et de l'hydrodynamique à l'intérieur des réacteurs à lit fixe conduit à des situations encore plus compliquées pour maintenir des performances de fonctionnement acceptables dans les conditions flottantes. Un grand nombre de preuves issues de la littérature a jusqu'à présent mis en évidence l'échec des colonnes garnies avec des garnissages aléatoires, des garnissages structurés ou des mousses à alvéoles ouvertes, pour empêcher la maldistribution des liquides dans les lits fixes destinés à fonctionner à bord de navires ou de platesformes flottantes. Les efforts de recherche doivent donc se poursuivre dans le but de trouver des composants internes robustes et capables de résilience contre la maldistribution des liquides dans les réacteurs / unités de séparation gaz-liquide. Ce projet de doctorat s’est proposé des recherches visant dans un premier temps de tester des internes disponibles commercialement pouvant préserver des performances similaires à celles des unités terrestres classiques. Au meilleur de notre connaissance, la sensibilité et la susceptibilité des réacteurs monolithes à une mauvaise distribution soumis à des conditions offshore n'ont pas encore été étudiées. Plutôt que de se concentrer uniquement sur une étude des lits monolithiques, le chapitre 1 opte pour une campagne expérimentale plus large comprenant un garnissage aléatoire et un garnissage en mousse à cellules ouvertes pour des comparaisons systématiques de la distribution des liquides en conditions flottantes. La distribution liquide des colonnes embarquées garnies de divers garnissages et pour une large plage de débit gaz / liquide est systématiquement comparée à l'aide d'un capteur à treillis métallique (WMS) et d'un émulateur hexapode à six degrés de liberté. La vraisemblance de conditions météorologiques extracôtières rudes pourrait menacer la sureté de l'exploitation des lits fixes, en particulier dans des situations extrêmes telles que des cyclones, des épisodes d'icebergs, etc. Pour assurer la sécurité du personnel et des installations, l’opération des colonnes garnies à bord doit être immédiatement interrompue pour éviter des problèmes de sécurité critiques sous de telles circonstances. Par conséquent, la base de connaissances sur la dynamique de drainage des liquides dans les lits flottants est iv essentielle pour assurer une vidange rapide du liquide. Néanmoins, l'étude de la dynamique du drainage liquide des lits fixes en conditions flottantes est à tout le moins rare. Par conséquent, le chapitre 2 se propose de comparer expérimentalement le drainage du liquide dans des colonnes garnies dans les conditions marines à celui observé dans une colonne statique verticale à l’instar des applications terrestres. En dehors de cela, l'influence des mouvements du navire (par exemple, cavalement, embardée, pilonnement, roulis, tangage, et lacet) à différentes amplitudes et périodes d'oscillation sur la dynamique de drainage des liquides est étudiée pour approfondir nos connaissances. Parallèlement à l'étude expérimentale, un modèle numérique Euler-Euler transitoire et en trois dimensions est utilisé en complément pour tenter de prédire la dynamique du drainage des liquides dans les lits flottants. D'autres facteurs susceptibles d'affecter la dynamique de drainage sont analysés par la simulation numérique. Ainsi, le chapitre 3 met en évidence l'influence globale des propriétés des liquides, de la structure du lit et des types de mouvement associé à la sollicitation marine. Par ailleurs, la campagne expérimentale en fournissant des données mesurables a permis de valider le modèle dans les conditions de roulis et de tangage testées au laboratoire. / To fill the gap between increasing energy demand and depletion of onshore hydrocarbon production, offshore hydrocarbon exploitation is increasingly contemplated especially the gas/oil fields in the deeper water. Meantime, large amount of deployed processing units for hydrocarbon productions must comply with the environmental codes designated for maritime protection. Systems such as embarked packed-bed reactors and scrubbers inevitably become one of the most promising options to achieve both purposes. Numerous efforts in literature to unveil the hydrodynamics of multiphase flow in packed beds reveal that challenges persist either in their design/scale-up or during the operations. Moreover, exposing these reactors to harsh marine conditions such as the convolution of ship dynamics and hydrodynamics inside packed-bed reactors leads to even more complex situations to maintain the proper operation performance of packed-bed reactors under floating conditions. A lot of evidence from literature has pointed out the failure of random and structured packings and open-cell foams, to prevent liquid maldistribution in packed beds destined to operate on-board sailing ships and floating platforms. Research efforts must therefore continue in the quest for robust internals capable of resilience against liquid maldistribution in gas-liquid reactors/separation units. The proposed Ph.D. research aims at firstly following a sound path to adapt commercially existing internals being capable of preserving performance similar to landbased packed beds. To the best of literature exploring, the sensitivity and susceptibility of monolith reactors to maldistribution subjected to offshore conditions have yet to be investigated. Rather than focusing on a study of monolith beds alone, Chapter 1 opts for a broader experimental campaign including a random packing and an open-cell foam packing for the sake of systematic comparisons of the liquid distribution under floating conditions. Liquid distribution of embarked columns packed with various internals under wide gas/liquid flow range is systematically compared with the assistance of wire mesh sensor (WMS) and six-degree-of-freedom emulator hexapod. Severe offshore weather conditions threaten the operation safety of floating packed beds especially encountering extreme situations such as cyclone, iceberg episodes and so forth. To ensure the safety of staff and facilities, the onboard packed columns must be immediately shutdown to avoid critical safety concerns under such circumstances. Therefore, knowledgebase of liquid draining dynamics in floating packed beds is the essence to ensure timely discharge of liquid. Nevertheless, the study regarding liquid drainage dynamics of packed beds under floating conditions is scarce to say the least. Then, Chapter 2 compares liquid draining of packed columns embarking on floating platforms with static land-based one experimentally. Other than that, the influence of ship motions (e.g., roll, roll & pitch, heave etc.) with different oscillation amplitudes and periods on liquid draining dynamics is investigated to deepen the insights. vi In parallel with the experimental study, a 3D transient Euler-Euler CFD model is employed as a supplementary analysis to further deepen the understanding of liquid drainage dynamics in floating packed beds. More factors possibly affecting the draining dynamics are exploited by numerical simulation. Consequently, Chapter 3 highlights the comprehensive influence of liquid properties, bed structure and moving types instead of focusing on impact of movements alone. Meanwhile, with sufficient body of experimental campaign, the validity and accuracy of model are strongly endorsed.

La construction de bâtiments dans les régions nordiques isolées est confrontée à des défis importants tels qu'une logistique de transport complexe en raison d'un accès limité au site de construction, des conditions climatiques sévères, le manque de travailleurs qualifiés, ainsi qu'un approvisionnement en énergie et en matériaux coûteux et limité. Les différentes communautés du nord du Canada sont souvent qualifiées « d'isolées », justement en raison de leur éloignement géographique. Par exemple, la plupart ne sont pas reliées au réseau électrique principal ni au réseau routier du reste du pays. Le manque criant d'unités de logement disponibles a entraîné le surpeuplement des logements en place et a récemment poussé les gouvernements à augmenter le financement pour aider ces communautés à construire et à rénover davantage d'unités [1]. Parallèlement, l'utilisation de la main-d'œuvre locale est fortement encouragée, car le secteur de la construction est une source importante d'emplois et d'autonomisation [2]. Bien que la construction modulaire (ou préfabrication) puisse être considérée comme une solution facilitant la viabilité de la construction de bâtiments dans ces communautés isolées, la préfabrication de composants peut avoir des répercussions négatives sur les emplois locaux. Par conséquent, les solutions de préfabrication peuvent être écartées à certains moments. Ce projet vise donc à acquérir une meilleure compréhension des éléments à considérer dans la conception de systèmes de chauffage préfabriqués et durables dans le contexte de ces régions. En particulier, le territoire du Nunavik au nord de la province de Québec (Canada) a été choisi en tant que région type pour cette étude. Dans le même ordre d'idées, et considérant la pertinence de ce type de logement, la thèse se concentre spécifiquement sur les bâtiments sociaux. Le terme « social » fait référence au fait que les gouvernements subventionnent la construction et l'exploitation de ces bâtiments et que ceux-ci sont dédiés aux familles à faibles revenus. Dans un premier temps, le projet a proposé un cadre conceptuel pour identifier les facteurs affectant la création de valeur au sein de la chaîne d'approvisionnement de la construction de logements sociaux dans cette région. La recherche s'est appuyée sur une revue de la littérature et sur les informations recueillies lors d'entrevues semi-dirigés avec les principales parties prenantes pour identifier les caractéristiques souhaitées de l'amélioration ou des solutions (par exemple, la préfabrication) en ce qui concerne la création de valeur. Une analyse des forces, faiblesses, opportunités et menaces (FFOM), une carte d'influence et de dépendance et un diagramme de boucle causale ont été élaborés pour représenter la chaîne d'approvisionnement. La création d'emplois locaux et le nombre de bâtiments à construire ont été identifiés comme les principaux facteurs pouvant représenter la performance de la création de valeur. Par ailleurs, les ressources énergétiques, le temps de construction, le type et la quantité de main-d'œuvre, les contraintes d'expédition, le nombre de pièces de rechange et l'élimination des déchets ont été identifiés comme les principaux facteurs limitant l'éventail des solutions de construction à mettre en œuvre. Dans un deuxième temps, le projet a proposé un cadre computationnel pour identifier la modularité optimale des tuyauteries à assembler dans les bâtiments résidentiels situés au Nunavik. Initialement, les algorithmes ont été testés en utilisant une étude de cas avec 40 composants du réseau de distribution du glycol. Pour ce cas, l'algorithme cherchait simultanément à minimiser le coût d'installation du système et à maximiser la création d'emplois locaux en considérant deux sites possibles de préfabrication et des contraintes de poids, de dimensions et de collision. Des modèles de logique floue et l'algorithme NSGA-II (Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-II) ont été utilisés pour évaluer les configurations et identifier les solutions non dominées. Par la suite, afin de prendre en compte une autre facette importante du développement durable, un troisième objectif relatif à la minimisation des émissions de CO₂ liées au transport des modules par bateau a été ajouté aux algorithmes. En particulier, pour l'étude de cas analysée, le cadre computationnel a trouvé des solutions réduisant les coûts d'installation jusqu'à 81,9%, générant jusqu'à 23,4 heures d'emplois locaux, mais augmentant les émissions de CO₂ jusqu'à 36,7%. Finalement, le projet a adapté le cadre de calcul pour modulariser l'ensemble du réseau de distribution du fluide caloporteur. Au total, 627 composants ont été pris en compte. Quelques heuristiques supplémentaires ont été incluses pour réduire l'espace de recherche, afin de prendre en compte les contraintes particulières du système et les résultats précédemment trouvés dans l'étude de cas avec 40 composants. Le cadre computationnel développé prend donc en compte la minimisation des coûts d'installation, la maximisation de l'emploi local ainsi que l'impact de la modularisation sur les émissions de gaz à effet de serre (CO₂). L'éventail des solutions trouvées permet de générer entre 225 heures et 536,8 heures d'emplois locaux liés à la plomberie et à la menuiserie par logement à construire, tout en réduisant le coût d'installation actuel de 79 % et 58 %, respectivement. Cependant, les émissions de CO₂ peuvent être multipliées par plus de 2,8. / Building construction in isolated northern regions faces important challenges such as a complex transportation logistics due to a limited access to the construction site, severe climatic conditions, a lack of skilled workers, as well as expensive and limited energy and material supply. The different communities of the northern part of Canada are often qualified as isolated due to their remoteness. For example, most are not connected to the main power grid nor to the road network of the rest of the country. The stringent lack of available housing units has resulted in dwelling overcrowding and has recently pushed governments to increase funding to help these communities to build and refurbish more units [1]. At the same time, the use of local labor is highly promoted as the construction industry is an important source of employment and empowerment [2]. Therefore, while modular construction (or prefabrication) can be seen as a solution that facilitates the sustainability of building construction in these remote communities, the prefabrication of components can generate negative impacts on local jobs. As a result, prefabrication solutions can be discarded at certain times. Hence, this project aims to gain a better understanding of the elements to consider in the development of sustainable prefabricated heating systems in the context of these regions. In particular, the Nunavik territory in the northern part of the province of Quebec (Canada) was chosen as a typical region for this study. In the same vein, and considering the relevance of this type of housing, the thesis focuses specifically on social buildings. The term "social" refers to the fact that governments subsidize the construction and operation of these buildings which are intended for low-income families. As a first step, the project proposed a conceptual framework to identify the factors affecting value creation within the supply chain of social housing construction in that region. The research used a literature review and information collected from semi-structured interviews with key stakeholders to identify the desired features of improvement or solutions (e.g., prefabrication) with respect to value creation. A strengths, weaknesses, opportunities, and threats analysis (SWOT), an influence/dependence map, and a causal loop diagram were developed to represent the supply chain. Local job creation and the number of buildings to build were identified as the key factors that can better represent the performance of the value creation. On the other hand, energy resources, the construction time, the type and amount of labour force, shipping constraints, the number of replacement parts, and waste disposal were identified as the main factors constraining the range of construction solutions to implement. Secondly, this project proposed a computational framework to identify the optimal modularity of piping to be assembled in residential buildings located in Nunavik. Initially, the algorithms were tested using a case study with 40 components of the glycol distribution network. For this case, the algorithm simultaneously minimizes the system installation cost and maximizes the local job creation by considering two possible prefabrication sites and constraints on weight, size, and collision. Fuzzy logic models and the Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-II (NSGA-II) were used to evaluate configurations and identify non-dominated solutions. Subsequently, in order to consider another important facet of sustainable development, a third objective based on the minimization of CO₂ emissions related to the transportation of the modules by ships was added to the algorithms. In particular, for the case studied, the computational framework found solutions that reduce installation costs by up to 81.9%, generate up to 23.4 hours of local employment, but increase CO₂ emissions by up to 36.7%. Finally, the project adopted the computational framework to modularize the whole heat transfer fluid distribution network. In total, 627 components were considered. Some additional heuristics were included to reduce the search space, in order to consider particular constraints of the system and results previously found in the case study with 40 components. The computational framework developed contemplates, therefore, minimizing installation costs, maximizing local employment as well as the impact of modularization on greenhouse gas (CO₂) emissions. The range of solutions found generates between 225 hours and 536.8 hours of local employment related to plumbing and carpentry per unit to be built while reducing the current installation cost by 79% and 58%, respectively. However, CO₂ emissions can be increased by more than 2.8 times.

L'exploration planétaire utilise des robots à roues depuis plusieurs années maintenant. Cependant, même si elles ont du succès, ces missions spatiales sont limitées à des terrains relativement plats et sédimentaires. Les zones explorées sont très intéressantes, mais elles le sont moins au point de vue de la recherche de traces potentielles de vie lorsqu'elles sont comparées à certains endroits plus risqués. Il est entendu que les agences spatiales ne peuvent prendre le risque d'envoyer des véhicules au coût important dans ces zones à la géologie peu commune. C'est pourquoi l'exploration spatiale évoluera peut-être vers l'utilisation de petits robots à faible coût assez agiles pour explorer ces terrains riches en informations géologiques. La recherche de vie sur Mars pour expliquer notre existence fait rêver. Les contraintes de cette mission sont cependant nombreuses puisque la planète n'est pas très hospitalière. Après avoir examiné plusieurs options, le Laboratoire de robotique de l'Université Laval a développé un petit robot marcheur inspiré des insectes. Ce mémoire décrit les étapes de design que la plateforme tout-terrain a franchies, soient l'analyse, la conception, la fabrication et l'expérimentation. Le système a traversé ce processus rigoureux avec succès, mais a toujours besoin d'améliorations. C'est là tout l'intérêt du projet, envoyer un robot parfaitement fonctionnel et autonome sur Mars pour parcourir aisément cette planète qui a tant de secrets à découvrir.