Mercury contamination is an environmental issue with high priority due to its high toxicity. In addition to the atmospheric deposition, several lakes and rivers in Sweden are contaminated as a result from wood and pulp-fiber industries which stretches back 200 years. In Luleå, Sweden, a former groundwood industry, Karlshäll, has contributed to mercury pollution in the sediments of Notviken, a small bay connected to Luleå River and the Bothnian Sea, through release of process water. Industrial release of chemicals and wood pulp have resulted in a special type of sediment called fiber banks. The fiber banks contain high levels of organic matter and very little oxygen which contributes to large gas emissions from the fiber banks, gas ebullition. There is no generally accepted method for examining how mercury contaminants are spread through gas ebullition. The aim of this thesis was to review and find methods for that purpose. Through the literature review several types of methods emerged. Some of them were useful for measuring volumes of gas, whereas others were better designed for collecting gas and analysing it for concentration of elements. There are pros and cons with all methods but the one considered most useful in the case of Karlshäll would be Skarp’s method with active and passive sampling. The passive part includes setting up tents over the fiber bank with a known area, and then calculate the volumes of gas which migrate up through the water during a certain amount of time. The active sampling consists of stirring the fiber bank sediment with a stick and then gather the ascending gas bubbles in a Teflon-bag. The Teflon bag is thereafter sent to a chemical environmental laboratory for analysis of the concentration of elements. This method is the only one of the ones reviewed in this thesis which have been tested in Sweden at sites with gas- ebullition facilitated mercury transport. Although, Varadharajan et al’s (2011) sampling device with automation could be applicable if a long-term, high frequency monitoring programme would be used at Karlshäll. In addition, a sampling device with an integrated carbon-absorption-tube collector for trapping gaseous Hg would be beneficial if the samples can’t handle a long-distance transportation. Thus, the samples could be sent to a local laboratory instead. However, this type of device is not yet invented and would need further studies to develop. / Kvicksilverföroreningar är ett stort miljöproblem som räknas till de särskilt farliga ämnena vilka skall fasas ut för att nå miljömålet giftfri miljö. Föroreningarna är mycket giftiga för djur och miljö och det kvicksilver som redan spridits ansamlas och stannar kvar under lång tid i mark, vatten och biota. Utöver den atmosfäriska depositionen så är floder, älvar och sjöar i Sverige förorenade med kvicksilver, ett resultat av en 200-årig industri för tillverkning av pappersmassa och träfiber där kvicksilver varit en del i tillverkningsprocessen.  I Luleå fanns det ett träsliperi kallat Karlshäll mellan åren 1912–1962 som släppte ut orenat processvatten innehållandes kvicksilver tillsammans med rester av träfiber till den närliggande viken, Notviken, som är ett inlopp från Lule älv. Industriella utsläpp av kemikalier och träfiber har resulterat i bildandet av en viss typ av bottensediment, kallad fiberbank. Fiberbankarna innehåller höga nivåer av organiskt material i kombination med lite syre vilket bidrar till stora gasutsläpp från fiberbankarna, gasavgång. Det finns ingen vedertagen metod för att undersöka hur kvicksilverföroreningarna sprids genom gasavgång. Syftet med denna uppsats är att undersöka och hitta metoder som kan undersöka kvicksilverföroreningarnas spridning via gasavgång. Genom en litteraturstudie och intervju med en entreprenör inom miljöteknik framträdde flertalet olika metoder för att kunna kvantifiera eller mäta kvicksilver i gas från fiberbankar. Några av dem var användbara för att mäta volymer av gas. Andra metoder lämpade sig bättre för att samla in gas för analys av koncentrationer av olika ämnen.  Även om alla metoder i viss mån lämpar sig för att undersöka gasavgång från sediment ansågs Jonny Skarps metod som inkluderade både aktiv och passiv provtagning med gasfällor och teflonpåsar vara den mest passande för fiberbankar likt den i Karlshäll. Den passiva metoden innefattar installation av tält över en känd area på sedimentbotten och sen beräkna mängden gas som bubblar upp under en viss tid. Den aktiva insamlingsmetoden bygger på att sediment störs med ett spetsigt föremål, exempelvis ett lod, så att gasbubblor släpper från sedimentet och samlas in med hjälp av en teflon- påse. Teflon-påsen skickas sedan till ett kemiskt laboratorium i Göteborg för analys av innehållet i gasen. Båda dessa provtagningssätt kunde tillsammans mäta mängden kvicksilver ifrån gasen samt volymen av gasen. Denna metod är den enda av de som undersökts i denna uppsats som testats i Sverige på platser med kvicksilver som avgått i gasform från fiberbankar. Dock så är Varadharajan med fleras (2011) automatiserade gas-insamlare ett bra alternativ ifall en hög frekvens av provtagning är nödvändig i kombination med en lång insamlingstid. Denna skulle kunna kombineras med en insamlingsmetod av gasbubblor där det lokala kemilaboratoriet kan analysera innehållet. I detta fall krävs att ett kolfiber-rör är en del av mätinstrumentet. Dock finns det ännu inte något sådant instrument och fler studier behövs för att utveckla ett sådant.

Methane (CH4) and carbon dioxide (CO2) are two greenhouse gases and main drivers of global climate change. Lakes are known to be a source of CH4 and CO2 to the atmosphere. While the importance of these emissions is clear, their magnitudes and regulation are still uncertain due to the scarcity of flux measurement data from lakes. Most previous flux measurements have been carried out on lakes <10 km2 and the extrapolations are not representative of large lakes directly. Recent research has led to a growing recognition of the great importance of lakes as a source of emissions. Still, the relationship between environmental variables, lake properties and seasonal changes and the variability between and within lakes raises several question marks. Larger scale studies of greenhouse gases are needed to determine the spatial and temporal dynamics that exist. In this study, a floating chamber method and manual sampling was used to investigate the spatiotemporal variability and influencing variables of CH4 flux and concentration, as well as dissolved inorganic carbon (DIC) and pCO2aq (partial pressure of CO2 in the water). The sampling was conducted during five weeks in September and October 2020 in three large Swedish lakes. Our results generally showed varying CH4 values between the three lakes, indicating that nutrients affect the amount and emission of CH4. A pattern was found where the CH4 was higher near the shore and at a shallower depth. There was a correlation between CH4 concentration and the environmental variables wind speed and air- and water temperatures. Our DIC values were high in two of the lakes and low in one, all lakes’ DIC differed significantly from each other. The pCO2 did not have any difference within the lakes, and there was no difference between the lakes except in one case. Both DIC and pCO2 correlated with air- and water temperature. This study displays the large spatiotemporal variability within and between large lakes and that representative values for large lakes require more measurements under different conditions to distinguish how greenhouse gases emit and flux between lakes and atmosphere. / Metan (CH4) och koldioxid (CO2) är två växthusgaser och stora drivkrafter för globala klimatförändringar. Sjöar är kända för att vara en källa för CH4 och CO2 till atmosfären. Trots att betydelsen av dessa utsläpp är tydlig är deras storlek och reglering fortfarande osäker på grund av brist på flödesmätdata från sjöar. De flesta tidigare flödesmätningarna har utförts på sjöar <10 km2 och det har påvisats att extrapoleringar inte är direkt representativa för stora sjöar. Ny forskning har lett till ett mer allmänt erkännande av sjöars stora betydelse som källa till utsläpp. Trots detta väcker förhållandet mellan miljövariabler, sjöegenskaper, säsongsförändringar och variationen mellan och inom sjöar flera frågetecken. Storskaliga studier om växthusgaser behövs för att bestämma den rumsliga och tidsmässiga dynamiken som finns. I denna studie användes en kammarmetod och manuell provtagning för att undersöka spatiotemporal variabilitet och miljövariabler som kan påverka CH4 flöde och koncentration, samt upplöst oorganiskt kol (DIC) och pCO2aq (partial trycket av CO2 i vattnet). Provtagningen genomfördes under fem veckor i september och oktober 2020 i tre stora svenska sjöar. Våra resultat visade generellt varierande CH4 värden mellan de tre sjöarna, vilket indikerade att näringsämnen påverkar mängd och utsläpp av CH4. Ett mönster noterades där CH4 var högre nära stranden och på ett grundare djup. Det fanns ett samband mellan CH4 koncentration och miljövariablerna vindhastighet och luft- och vattentemperatur. DIC-värdena var höga i två av sjöarna och låga i en, alla sjöarnas DIC skiljde sig signifikant från varandra. pCO2 hade ingen skillnad inom sjöarna, och det fanns ingen skillnad mellan sjöarna utom i ett fall. Både DIC och pCO2 korrelerade med luft- och vattentemperatur. Studien visar den stora spatiotemporala variationen inom och mellan stora sjöar och att representativa värden för stora sjöar kräver fler mätningar under olika förhållanden för att urskilja hur växthusgaser emitterar och flödar mellan sjöar och atmosfär.

L'OBJECTIF DE CE TRAVAIL DE THESE EST DE METTRE EN EVIDENCE LE ROLE DU TRANSFERT THERMIQUE DANS LA PAROI CHAUFFANTE LORS DE L'EBULLITION D'UN LIQUIDE STAGNANT A LA SATURATION. CET EFFET, HABITUELLEMENT NEGLIGE DANS LES MODELES D'EBULLITION, PEUT EXPLIQUER CERTAINES CARACTERISTIQUES DU CYCLE D'EBULLITION ET DE L'ACTIVITE DES SITES DE NUCLEATION. IL A ETE MONTRE QUE LE CYCLE D'EBULLITION PEUT ETRE DECRIT PAR DEUX PHASES: (1) LORS DE LA CROISSANCE DE LA BULLE, LA TEMPERATURE DE LA PAROI DIMINUE GLOBALEMENT PAR EVAPORATION DE LA MICROCOUCHE A LA BASE DE LA BULLE; (2) LA SURCHAUFFE INITIALE EST RETABLIE PRINCIPALEMENT PAR CONDUCTION RADIALE DE LA CHALEUR DANS LA PAROI. ON PEUT ALORS DONNER UNE EXPLICATION DE L'EVOLUTION DE LA TEMPERATURE DE LA PAROI MIS EN EVIDENCE EXPERIMENTALEMENT A L'AIDE DE CRISTAUX LIQUIDES THERMOCHROMIQUES ET DE L'INFLUENCE DE L'ANGLE DE CONTACT SUR LES ECHANGES THERMIQUES.

Afin d’optimiser la taille et le coût des évaporateurs basse pression utilisés dans les systèmes de climatisation à sorption, une bonne connaissance des phénomènes de vaporisation du fluide frigorigène tels qu’ils pourraient se produire dans ces évaporateurs est nécessaire. Cependant très peu d’études portent sur ce sujet et il y a un sérieux manque de données concernant les phénomènes de vaporisation (ébullition et évaporation) qui pourraient se produire dans des évaporateurs compacts basse pression. Le but de cette étude est donc d’aller plus loin dans la compréhension de ces phénomènes aussi bien d’un point de vue très fondamental que d’un point de vue applicatif. Dans cette optique, deux bancs d’essais ont été réalisés. Le premier banc d’essais permet d’étudier le comportement de l’eau dans une configuration d’ébullition en vase à une pression pouvant atteindre 0.8 kPa. À ces basses pressions, l’influence de la hauteur hydrostatique ne peut être négligée. Cette spécificité du milieu d’ébullition a une influence non négligeable sur la taille et la forme des bulles : cette influence est analysée. Les courbes d’ébullition pour des pressions allant de 0.8 kPa à 100 kPa sont tracées. L’ébullition en vase de l’eau dans un premier temps sans puis avec confinement est également étudiée. Des courbes d’ébullition sont tracées pour différentes pressions de vapeur et différentes hauteur de la colonne d’eau. Puis, six différents espaces de confinement sont testés pour des pressions allant de 1.2 kPa à 5 kPa. Un régime d’ébullition spécifique à la basse pression est observé. L’influence de l’apparition de ce régime sur le transfert de chaleur est montrée. Le deuxième banc expérimental permet d’observer la vaporisation de l’eau dans un canal d’évaporateur à plaques de dimension standard (0.2 m de large x 0.5 m de haut) dans des conditions similaires à celles obtenues dans une climatisation à absorption (pressions de travail variant de 16 kPa à 0.85 kPa, remplissage de la plaque variant de 1/2 à1/10 de la hauteur totale de la plaque). Un plan d’expérience est réalisé pour un espacement entre deux plaques de 2 mm et 4 mm. Trois principaux régimes d’ébullition ont été identifiés ainsi que trois différentes zones de travail: une zone d’ébullition en vase, une zone d’évaporation en film et une zone de vapeur. Il a été mis en évidence que la majorité du transfert de chaleur a lieu dans la zone d’évaporation en film. Le film observé dans cette partie est créé suite à la rupture de la membrane d’une bulle de plusieurs centimètres ayant pris naissance dans la partie d’ébullition en vase. Des puissances frigorifiques allant de 0 à 503 W ont été mesurées. Les conditions pour obtenir la meilleure puissance frigorifique possible sont déterminées. Enfin, dans une première tentative vers un dimensionnement des échangeurs compacts basse pression, des premières réflexions basées sur des nombres adimensionnels ont été proposés. / In order to be able to design properly low pressure evaporators for sorption chillers, knowledge on vaporization of the refrigerant under conditions that might occur in these evaporators is fundamental. However, few studies focus on this subject and there is a lack of knowledge about vaporization (boiling or evaporation) phenomena occurring in compact evaporator at low pressure. The aim of the present thesis is thus to go further into the understanding of these phenomena both from a fundamental point of view and from an applicative point of view. In that goal, two experimental test setups were designed and built. The first experimental setup allows the observation of the water behavior at a pressure down to 0.8 kPa in pool boiling configuration. As the hydrostatic pressure is of the same order of magnitude as the vapor pressure, the boiling environment is highly subcooled. This unusual environment has an influence on the bubble size and on the bubble growth: its influence is analyzed. Boiling curves for pressures ranging from 0.8 kPa to 100 kPa were also plotted. Then, in order to be closer to a plate-type heat exchanger configuration, water pool-boiling in vertical configuration first without and then with confinement was studied. Boiling curves for a pressure ranging from 1.2 kPa to 5 kPa, different heights of the liquid level and for different channel thicknesses were plotted and analyzed. The occurrence of a specific boiling regime is observed. The influence of the onset of this specific regime on the heat transfer is shown. The significance of the Bond number, often used in study of boiling in confined space, is also discussed. The second experimental setup allows the observation of the water vaporization inside a channel of a smooth plate-type heat exchanger (0.2 m width x 0.5 m height) in conditions that might occur in sorption chillers (working pressure ranging from 16 kPa to 0.85 kPa, secondary fluid temperature ranging from 10.9 to 23.1 °C, filling ratio ranging from 1/2 to 1/10 of the whole channel height). The methodology of the design of experiments was followed for a thickness of the channel equal to 2 mm and 4 mm. Three mains flow regimes were observed and three different working areas were identified: a pool boiling area, a film evaporation area and a vapor area. The major part of the cooling capacity achieved is obtained in the film evaporation area. In this part, the creation of a liquid film due to the splashing of droplets is observed. These droplets come from the breaks of the membrane of a previously formed large bubble of several centimeters in the pool boiling area, few centimeters above the free surface. Cooling capacities ranging from 0 to 503 W were measured and conditions to obtain the best cooling capacity were determined. Finally, in order to provide some first guidelines for the design of low pressure evaporators, reflexions based on dimensionless numbers are proposed.

La réduction de charge de fluides frigorigènes dans les systèmes de production de froid est un enjeu important s'inscrivant dans les politiques environnementales sur la contribution de ces fluides à l'effet de serre. Une des voies menant à la réduction de charge est l'augmentation de la compacité des échangeurs de chaleur, conduisant inévitablement à la conception d'évaporateurs plus complexes. Néanmoins, si de nombreuses études ont été publiées sur l'analyse thermo-hydraulique de l'ébullition convective de frigorigènes dans les tubes horizontaux, très peu ont été menées sur des écoulements diphasiques dans des géométries non conventionnelles. Cette thèse vise à étudier les caractéristiques des écoulements diphasiques avec changement de phase des frigorigènes de troisième (HFC) et de quatrième génération tels que le HFO-1234yf dans des singularités (coudes de retour, contractions). Ainsi, un banc d'essais expérimental a été spécifiquement conçu et construit pour mener des expériences sur l'ebullition convective. Ce banc d'essais a permis de visualiser les régimes d'écoulement et de mesurer les chutes de pression dans les singularités. Des visualisations de régimes d'écoulement ont été réalisées pour les frigorigènes HFO-1234yf, R-134a et R-410A dans des tubes droits et dans des singularités. Les résultats ont été confrontés avec diverses méthodes de prédiction de la litérature. Les perturbations sur l'écoulement causées par ces singularités et leurs effets sur le comportement hydrodynamique des fluides frigorigènes ont également été etudiés. Une serie d'éxperience a été menée pour déterminer le longueur de perturbation en amont et en aval des singularités. Finalement, les valeurs expérimentales des chutes de pression ont été confrontées à différentes corrélations de la littérature. Des nouvelles méthodes de prédiction de la chute de pression pour des écoulements diphasiques dans des singularités sont présentées. / The refrigerant charge reduction in HVAC\R systems is an important issue because it falls within environmental policies regarding refrigerants contributions to the greenhouse effect. A way to move toward charge reduction is to increase the compactness of heat exchangers, which means more complex designs of the evaporators. Nevertheless, while a large amount of studies have has been published on the thermal and hydraulic analysis of flow boiling of refrigerants in horizontal tubes, very little attention has been given to flow boiling in geometries different from straight tubes. This PhD thesis aims at studying the flow boiling characteristics of third generation (HFC) and fourth generation fluids such as HFO-1234yf in geometries which modify the fluid dynamics and two-phase flow with respect to horizontal straight tubes. To achieve this goal, an experimental test facility was specifically designed and built to conduct refrigerant evaporation experiments. This test facility allowed to perform flow regimes visualizations and pressure drop measurements in singularities (such as sudden contractions and return bends). First, two-phase flow regimes visualizations have been carried out using HFO-1234yf, R-134a and R-410A either in straight tubes or in singularities. A qualitative analysis of the flow behavior and also several comparisons to flow pattern prediction methods from the literature were conducted. The second objective of this work was to characterize the flow disturbances caused by singularities such as sudden contractions and return bends, and to study their effects on the hydrodynamic performance (e.g. pressure drop) of refrigerants.Lastly, pressure drop databases for third and fourth generation refrigerants are presented.

Les échangeurs de chaleur constitués de microcanaux parallèles sont considérés une bonne solution technologique pour dissiper de grands flux de chaleur dans les composants et les systèmes miniaturisés. D’une manière générale cette réduction de taille permet une diminution des coûts des matériaux et l'utilisation de plus faible quantité de fluides frigorigènes pour les systèmes de refroidissement. Cette étude est divisée en deux parties complémentaires A et B. Elles visent à étudier le comportement thermo-hydraulique dans les échangeurs de chaleur constitués de microcanaux pour une meilleure compréhension des transferts de chaleur et des écoulements diphasiques dans les évaporateurs miniatures. Dans la partie A, nous étudions l'ébullition convective du réfrigérant R134a dans un mini échangeur composé de neuf microcanaux parallèles de section transversale circulaire, placés horizontalement, avec un diamètre interne de 0,77 mm et longueur et 150 mm. Les résultats expérimentaux montrent que la configuration d'écoulement a une forte influence sur le coefficient de transfert de chaleur, et que différents mécanismes de transfert de chaleur ont lieu dans chacune de ces configurations d'écoulement. En revanche la perte de pression est une fonction directe de la vitesse massique, du titre de vapeur et de la pression du système. La partie B, porte sur l’analyse de la distribution de l'écoulement diphasique en l’absence de transferts de chaleur et de changement de phase liquide-vapeur. A partir de ces résultats nous montrons que les effets du titre de gaz sur la répartition du liquide change considérablement selon la position de l'ensemble (tube d'alimentation, distributeur-canaux). / Heat exchangers consisting of parallel micro-channels are considered a good technological solution in response to the increasing demand for compact systems, which require high heat flux dissipation, ensuring a decrease in the material costs and the use of a lower quantity of refrigerants. The aim of this study was to investigate the thermo-hydraulic behavior inside these components provided by microchannels. This study is divided into two experimental studies (A and B) which are complementary. In part A, the convective boiling of the refrigerant R134a is analyzed within nine parallel microchannels of circular cross section, positioned horizontally, with internal diameter and length of 0.77 mm and 150 mm, respectively. The experimental results show that the flow pattern has a strong influence on the heat transfer coefficient, and that different heat transfer mechanisms are associated with each of the flow patterns observed, whereas the frictional pressure drop is a direct function of the mass velocity, vapor quality and pressure of the system. In part B, the two-phase flow distribution, using as the working fluid a mixture of air and water, is analyzed inside a circular header coupled to nine branched parallel microchannels of circular cross-section with internal diameter and length of 0.8 mm and 150 mm, respectively. The results show that the effect of the gas quality on the liquid distribution changes considerably depending on the configuration (feeder tube-header-channels).

Over the past decades, evidence show that the anthropogenetic greenhouse gases (GHG) emissions of carbon dioxide (CO₂) and methane (CH₄) are the main drivers behind global warming and are becoming stronger. Globally, hydropower is among the main sources of renewable energy and the popular notion that hydropower electricity is carbon neutral has been under debate as evidence from measurements in different regions of the globe show significant and highly variable carbon emissions from hydropower reservoirs. But these global estimates are still highly uncertain since they are restricted to a few locations in the south of Europe, North America, and South America, and lack both the temporal and spatial variability in addition to some of the flux pathways (often downstream emission and degassing). This study assesses the CH4 and CO₂ emissions from reservoirs associated to three small hydropower stations in the south of Sweden and aims to understand potential spatial and temporal variability in the temperate region. The study performed flux measurements of CH4 and CO₂, an analysis of CH4 and DIC concentration in the water, and a depth profile of temperature, DO, CH4 and DIC at the hydropower station’s reservoirs. In summation this study finds significant CH4 and DIC concentrations, as well as CH4 and CO₂emissions from the studied reservoirs. The findings of this study underline the notion that hydropower might be a `blind spot` in the Swedish GHG budget report, and if so, the carbon emissions from hydropower electricity need to be re-evaluated.

In-situ vapor extraction is performed by applying a pressure differential across a hydrophobic porous membrane that forms a wall of the channel as a means of reducing the local quality of flow boiling within the channel. As the local quality is reduced, the heat transfer capability can be improve while large pressure drops and flow instability can be mitigated. The present study investigates the potential of vapor extraction, by examining the characteristics and mechanisms of extraction. The physics based models for transition among extraction regimes are developed which can be used as a basis for a regime-based vapor extraction rate model. The effects of vapor extraction on flow boiling in a microscale fractal-like branching network and diverging channels are studied by using a one-dimensional numerical model based on conservation of mass and energy, along with heat transfer and pressure drop correlations. The results show the improvement in reduced pressure drop and enhanced flow stability, and show the potential of heat transfer enhancement. / Graduation date: 2013 / Access restricted to the OSU Community at author's request from March 25, 2013 - March 25, 2014

L’ébullition est un mode de transfert de chaleur intervenant dans de nombreux systèmes thermiques ou énergétiques de par son efficacité. Dans certains, elle se produit à basse pression. La pression statique induite par la colonne de liquide au-dessus de la surface de formation des bulles n’est alors pas négligeable devant la pression de saturation à la surface libre. Dès lors, la pression et le sous-refroidissement induit ne peuvent plus être considérés homogènes autour des bulles, d’où des inhomogénéités des propriétés thermophysiques dans le fluide. Les influences relatives des forces s’exerçant sur une bulle pendant sa croissance sont modifiées par rapport aux pressions plus élevées : une dynamique de bulles différente apparaît. Ces conditions particulières affectent également les transferts thermiques. L’influence de la pression sur l’ébullition en vase a été étudiée expérimentalement dans le régime de bulles isolées en site unique. L’eau a d’abord été testée sur une large gamme de pressions subatmosphériques. Quatre comportements de dynamique de bulles ont été identifiés d’après la visualisation par caméra rapide. Plusieurs paramètres de la dynamique ont été quantifiés grâce à un traitement d’images adapté appliqué aux vidéos. Pour généraliser le concept d’ébullition à « basse pression » et mieux en appréhender les phénomènes fondamentaux, de nouveaux essais ont été réalisés avec un second fluide, le cyclohexane, choisi pour sa similitude thermodynamique avec l’eau bouillant en deçà de la pression atmosphérique. La comparaison des comportements des deux fluides a permis d’identifier certains paramètres responsables des spécificités du phénomène. En outre, de nouvelles fonctionnalités sont apportées au dispositif expérimental pour – notamment – effectuer la mesure rapide du flux transféré sous la bulle pendant sa croissance, synchroniser ces mesures thermiques avec l’acquisition d’images et étudier des surfaces d’ébullition structurées. Les résultats obtenus sont encourageants pour l’analyse des comportements spécifiques de l’ébullition à basse pression et ses applications. / Boiling is an efficient heat transfer mode used in numerous thermal or energy systems. In some systems boiling takes place at low pressure. The static head of the liquid column over the wall where bubbles nucleate is then not negligible against the saturation pressure at the free surface level. The pressure and the induced subcooling degree therefore cannot be considered as homogeneous around growing bubbles, resulting in non-homogeneous thermophysical properties in the fluid. The relative influence of the forces acting on a growing bubble differs from higher pressure conditions, yielding specific bubble dynamics features. Heat transfer is consequently also affected. The effect of the pressure on pool boiling was experimentally investigated during the isolated bubbles regime taking place from a single activated nucleation site. Experiments were first conducted with water for a wide range of subatmospheric pressures. Four distinct bubble dynamics behaviors were identified through high-speed camera visualizations. An adapted image processing of the recordings enabled the measurement of several bubble dynamics characteristics. In order to generalize the concept of pool boiling at "low pressure" and to get a better understanding of the related fundamental phenomena, new experiments were performed with a second fluid, cyclohexane, chosen from original thermodynamic similarity with water boiling at pressures lower than atmospheric. The comparison of fluids’ behaviors made possible the identification of parameters governing the specific phenomena occurring during boiling at low pressure. Besides, the experimental facility was improved to provide new functionalities. The high-speed measurement of the heat flux transferred under the growing bubble, its synchronization with the high-speed videos images and the study of boiling on enhanced surfaces are in particular made possible. Results are encouraging for a better understanding of the specific behaviors of low pressure boiling and for its future implementation in practical applications.

La valorisation de l'énergie thermique contenue dans des gaz chauds pour produire de l'électricité est possible grâce à l'utilisation de cycles thermodynamiques, parmi lesquels le cycle de Rankine mérite d'être considéré. Cependant, l'industrialisation d'un tel système passe par une connaissance approfondie du comportement thermohydraulique du fluide actif. Ceci permettra d'améliorer le design des principaux composants du système, spécialement les échangeurs de chaleur. Dans le cas du cycle organique de Rankine, les conditions thermodynamiques du fluide sont éloignées des conditions usuelles rencontrées dans les domaines de la climatisation ou de la réfrigération. En effet, le fluide est mis en œuvre dans des conditions proches de son point critique. La température des gaz d'échappement varie entre 400°C et 900°C et l'évaporation se produit à une température de saturation supérieure à 100°C. En ce qui concerne les caractéristiques des écoulements diphasiques (chute de pression, coefficient de transferts thermiques, régimes d'écoulement), la quasi-totalité des méthodes de prédiction a été développée pour des températures comprises entre -20°C et 40°C correspondantes aux domaines de la climatisation ou de la réfrigération. C'est pourquoi la fiabilité de ces modèles reste incertaine dans les conditions d'évaporation du cycle de Rankine, car leur utilisation est limitée par la base de données à partir de laquelle ils ont été établis et ne peuvent être extrapolés avec précision. Cette thèse vise à étudier les caractéristiques thermohydrauliques du R-245fa en ébullition convective dans les conditions du cycle de Rankine. Dans un premier temps, un banc expérimental a été conçu et construit afin de réaliser des tests en ébullition convective dans un minicanal de 3.00 mm de diamètre. Ce banc expérimental permet de faire des mesures sur les régimes d'écoulement, les coefficients de transfert de chaleur et les pertes de charge par frottement. Dans un second temps, une méthode de traitement d'image a été développée afin de caractériser différents régimes d'écoulement. Cette méthode couplée à une analyse des transferts thermiques a permis d'identifier quatre principaux régimes d'écoulement. L'influence de la température de saturation sur les régimes d'écoulement et leurs transitions a été soulignée et discutée. Les caractéristiques des bulles ont également été étudiées à l'aide de cette méthode. Dans un troisième temps, une base de données expérimentale sur les coefficients de transfert de chaleur a été créée. L'influence de la température de saturation sur les mécanismes de transfert thermique a été étudiée dans ces conditions originales. Afin de tester la fiabilité des méthodes de prédiction, les résultats expérimentaux ont été confrontés à différentes méthodes. Finalement, les chutes de pressions ont été mesurées et une analyse paramétrique a été menée. Les mesures ont été confrontées aux principales méthodes disponibles dans la littérature. / Because of current environmental issues, some technologies are being developed to reduce the fuel consumption and to reduce the emissions of CO2. Energy recovery by means of Organic Rankine Cycles or Hirn Cycles recovery is one investigated track to answer these issues. At present, some systems based on Organic Rankine Cycle (ORC) are available in industry but advanced studies are needed to allow their application in the road transport industry. A better understanding of the two-phase fluid behaviour is necessary to optimize the design models of the components containing a two-phase refrigerant. For the Organic Rankine Cycle system, the thermodynamic conditions are different to standards relevant to refrigeration or air-conditioning systems. Indeed, the key characteristic of the ORC system is the evaporation saturation temperature. Exhaust gases temperature ranges from 400°C to 900°C and the refrigerant evaporation occurs at temperatures higher than 100°C. Almost all the flow boiling heat transfer models or correlations have been obtained for saturation temperatures ranging from -20°C to 40°C which correspond to standards relevant to refrigeration or air conditioning systems. The empirical models for boiling in such conditions are limited by the experimental data on which they are based, whereas analytical and theoretical approaches are needed to advanced knowledge on the behaviour of thermohydraulic two-phase refrigerant. This PhD thesis aims at studying the flow boiling characteristics of R-245fa in a 3.00 inner diameter channel in the thermodynamic conditions of the ORC system. Therefore, the saturation temperature ranged from 60°C to 120°C. To achieve this goal, an experimental test facility was designed and built to conduct refrigerant evaporation experiments. This test facility allowed to perform flow regime visualizations, pressure drop and heat transfer measurements in minichannel. First, an image processing method for two phase flow pattern characterization was developed. Based on this method and with the help of an adequate analysis of the heat transfer coefficient, the main flow regimes have been identified. The influence of saturation temperature on the flow patterns and their transitions has been highlighted. The second objective was to provide new experimental data concerning flow boiling heat transfer in minichannel. Flow boiling heat transfer coefficients at such high temperature have, so to say, almost never been reported in the open literature so far. The influence of saturation temperature on the heat transfer mechanisms has been discussed. In order to evaluate the capability of the current flow boiling prediction methods to predict the heat transfer coefficient, the comparison between experimental results and theoretical results predicted with the commonly used correlations and models were made. Lastly, pressure drop databases are presented. Experimental values of pressure drops were compared against several methods.