Ce travail de thèse concerne l'étude de l'influence des ultrasons sur les transferts de chaleur. Il a été réalisé à partir de la conception d'un échangeur de chaleur dont la structure peut être mise en vibration à sa fréquence de résonance dans la gamme des ondes ultrasonores : 35 kHz. L'influence des ultrasons sur l'augmentation des transferts thermiques a ainsi pu être mise en évidence directement au sein du système. L'étude bibliographique a mis en avant l'originalité de ce travail, qui correspond à une première approche relative à un échangeur fluide-fluide. La conception de l'échangeur, du banc d'essais et du système d'acquisition dédiés a fait l'objet de la première partie de ce travail. Ensuite, la mise au point de méthodes pour l'analyse des performances énergétiques et leur implémentation ont constitué une deuxième partie. Enfin, des configurations opératoires variées (régimes d'écoulement, configurations hydrauliques, matériaux constitutifs, ...) ont pu être étudiées. De plus, le potentiel des ultrasons quant à la réduction de l'encrassement au sein de l'échangeur a aussi été mis en évidence.

CETTE ETUDE S'INTERESSE A L'ETAPE DE GLAÇAGE LORS DE LA CONGELATION D'UN PRODUIT LIQUIDE COMPLEXE, DE TYPE SORBETS OU CREME GLACEE. CETTE ETAPE A LIEU DANS DES ECHANGEURS DE CHALEUR A SURFACE RACLEE (ECSR) OU FREEZERS. AU COURS DE CETTE ETAPE, LA FORMULE INITIALE OU LE MIX EST LE SIEGE DE PLUSIEURS PHENOMENES : LES TRANSFERTS THERMIQUES, LA CRISTALLISATION DE L'EAU EN GLACE ET LE CISAILLEMENT. CETTE ETAPE PREDISPOSE LA QUALITE FINALE DU PRODUIT, NOTAMMENT SA TEXTURE. L'ETUDE ENTREPRISE LORS DE CE TRAVAIL DE THESE A POUR OBJECTIF DE MIEUX COMPRENDRE L'EVOLUTION DU PRODUIT DURANT LE GLAÇAGE ET DE CARACTERISER L'INFLUENCE DES VARIABLES DU PROCEDE ET DE CERTAINS ASPECTS DE FORMULATION SUR LA TEXTURE DU PRODUIT. POUR CELA, ON S'EST INTERESSE PLUS PARTICULIEREMENT A LA TAILLE DES CRISTAUX ET A LA VISCOSITE. NOTRE APPROCHE A COMBINE L'EXPERIMENTATION (A L'ECHELLE DU LABORATOIRE) ET LA MODELISATION (CINETIQUE DE CRISTALLISATION ET SIMULATION NUMERIQUE DES ECOULEMENTS ET DES TRANSFERTS THERMIQUES). L'ETUDE EXPERIMENTALE A ETE REALISEE A L'ECHELLE DU LABORATOIRE (DANS UN SIMULATEUR D'ECSR) DANS DES CONDITIONS THERMIQUES ET MECANIQUES CONTROLEES. ELLE A PERMIS DE SUIVRE L'EVOLUTION STRUCTURALE (GRANULOMETRIE

L'étude du champ dynamique dans une cellule d'échangeur à vortex, en situation isotherme, est menée à la fois sur un plan expérimental et numérique. L'expérimentation, portant sur des fluides newtoniens et non newtoniens, permet d'accéder aux composantes radiale et tangentielle de la vitesse par anémométrie laser. La simulation numérique est effectuée à l'aide d'un schéma aux volumes finis. La turbulence est modélisée par un modèle statistique k-Ε classique. Les résultats numériques et expérimentaux obtenus sont en bon accord et mettent en évidence l'existence d'un écoulement secondaire généré par les instabilités hydrodynamiques liées à la courbure des lignes de courant. Pour des régimes d'entrée laminaires, l'action conjuguée des forces centrifuges et visqueuses donne naissance à une structure de l'écoulement secondaire instationnaire proche de la périphérie de la partie cylindrique de la géométrie, limitant l'intensité de l'écoulement central à vortex. L'effet rhéofluidifiant des solutions de CMC stabilise ces structures et permet d'accélérer l'établissement d'un écoulement à vortex. Pour des conditions d'entrée turbulentes, les mesures et la simulation mettent en évidence l'existence d'un puissant écoulement principal à vortex dont l'intensité tend vers une limite pour des nombres de Reynolds supérieurs à 15000. Cet écoulement principal est couplé à un écoulement secondaire qui s'étend sur la totalité du rayon de l'échangeur et augmente ainsi le taux de mélange du fluide à traiter. L'influence de la variation de l'épaisseur de l'échangeur permet de définir un nouveau paramètre adimensionnel tenant compte de la courbure des lignes de courant et basé sur un nombre de Dean. Le modèle k- utilisé, qui donne des résultats proches de ceux expérimentaux, permet d'obtenir une meilleure compréhension de la dynamique, notamment de l'écoulement secondaire. Une première étude des trajectoires des particules fluides obtenues par simulation montre de fortes variations de celles-ci en fonction de leur position suivant l'épaisseur à l'entrée. La distribution des probabilités des temps de séjours numériques donne une courbe maîtresse pour toutes les conditions d'écoulement.

Ce travail de thèse concerne l'étude de l'influence des ultrasons sur les transferts de chaleur. Il a été réalisé à partir de la conception d'un échangeur de chaleur dont la structure peut être mise en vibration à sa fréquence de résonance dans la gamme des ondes ultrasonores : 35 kHz. L'influence des ultrasons sur l'augmentation des transferts thermiques a ainsi pu être mise en évidence directement au sein du système. L'étude bibliographique a mis en avant l'originalité de ce travail, qui correspond à une première approche relative à un échangeur fluide-fluide. La conception de l'échangeur, du banc d'essais et du système d'acquisition dédiés a fait l'objet de la première partie de ce travail. Ensuite, la mise au point de méthodes pour l'analyse des performances énergétiques et leur implémentation ont constitué une deuxième partie. Enfin, des configurations opératoires variées (régimes d'écoulement, configurations hydrauliques, matériaux constitutifs, …) ont pu être étudiées. De plus, le potentiel des ultrasons quant à la réduction de l'encrassement au sein de l'échangeur a aussi été mis en évidence. / This work deals with the influence of ultrasound on heat transfer. It relies on the conception of a new kind of heat exchanger, whose structure can be set into vibration at its resonance frequency in the ultrasonic range : 35 kHz. The influence of ultrasound on heat transfer enhancement was thus directly observed within the system. The literature survey showed the originality of this work, corresponding to a first approach of a fluid-fluid heat exchanger. The conception of the heat exchanger, of the test rig and acquisition system both especially dedicated was the main object of the first part of this work. Then, the development of methods for the analysis of energetic performances and their implementation constituted the second part. Finally, various operating configurations (flow regimes, hydraulic configurations, constitutive materials, …) have been studied. Besides, the potential of ultrasound concerning fouling reduction inside the structure was also highlighted.

Les normes européennes EURO 5 / EURO 6 de réduction des émissions polluantes des véhicules automobile sont de plus en plus sévères. La boucle de recirculation des gaz d’échappement, dite boucle EGR (Exhaust Gas Recirculation), est une solution de dépollution à la source car elle réduit les quantités émises d’oxydes d’azote et de particules de suie. Ce contexte entraîne une utilisation plus intensive de la boucle EGR, d’où une augmentation de son encrassement. Assurer la fiabilité de cette boucle est un enjeu important pour les constructeurs automobiles. Un montage expérimental dont on contrôle les conditions opératoires a été conçu pour recréer les dépôts observés dans l'échangeur EGR d'un moteur Diesel. Il permet de déterminer les paramètres pilotant la formation et l’évolution du dépôt d'encrassement, via une mesure de sa masse, une analyse de sa composition chimique et un suivi des transferts thermiques (thermocouples, caméra infra rouge) dans l’échangeur au cours du temps. / The EURO 5 and EURO 6 European norms on the vehicle pollutant emission reduction are stricter than the previous. The Exhaust Gas Recirculation system, also called as EGR system, is a solution for the remediation at source, because it reduces the quantity of emitted nitrogen oxides and soot particles. The resulting intensive use of the EGR system increases the fouling in the involved heat exchanger. Ensuring the reliability of the EGR system is an important challenge for car manufacturers. An experimental set-up, with controlled operating conditions, has been built to recreate the deposit observed in the EGR heat-exchanger of Diesel engines. It enables to determine the parameters driving the fouling deposit formation and evolution, via a weight measurement, a chemical composition analysis and a follow-up of the thermal transfer (thermocouples, IR camera) in the heat-exchanger over the time.

Les échangeurs multifluides à plaques brasées (EPB) sont d’une technologie complexe qui permet de très fortes intégrations énergétiques, mais rend leur conception très délicate. Ces travaux ont pour objectif la modélisation et la simulation en 3D des EPB. Ils intègrent la maldistribution des fluides sur la largeur des passages qui peut dégrader fortement les performances thermiques de l’échangeur. La carte 3D des températures obtenue permettra le calcul des contraintes mécaniques. Le parcours d’un fluide est assimilé à un réseau hydraulique défini grâce à la théorie des graphes. Une méthode de maillage a été spécifiquement adaptée pour le couplage thermo-hydraulique. Ce dernier impose une résolution simultanée des équations de bilans matière, thermique et de quantité de mouvement par un système non linéaire de grande dimension et creux, avec mise en place de méthodes numériques adaptées. Enfin, des études de cas industriels sont présentées pour illustrer le simulateur 3D.

Ce mémoire de thèse traite de l’analyse, l’intensification et l’optimisation du transfert thermique convectif dans les échangeurs à plaques et ailettes à pas décalés utilisés notamment dans le domaine automobile comme refroidisseurs d’air de suralimentation. Deux approches complémentaires sont abordées dans cette étude : des simulations numériques visant à l’analyse fine locale des caractéristiques de l’écoulement et des mécanismes de transfert, et une modélisation de type nodale permettant une caractérisation globale des performances thermo-aérauliques. Sur la gamme de Reynolds considérée différentes modélisations de la turbulence sont mises en œuvre et comparées. Ainsi des simulations aux grandes échelles (LES) permettent de qualifier des simulations de type RANS classiquement utilisées jusque-là : de fortes différences tant au niveau structuration de l’écoulement qu’au niveau performances globales sont ainsi mises en évidence selon le régime d’écoulement considéré. La mise au point d’un modèle nodal est ensuite abordée dans le but de mener des optimisations de géométries d’échangeurs non-conventionnels à pas décalés. Les différents scénarii d’optimisation considérés montrent l’intérêt de cette approche autorisant l’évaluation d’un nombre élevé de configurations géométriques. Dans une dernière partie une nouvelle géométrie innovante permettant de générer des tourbillons longitudinaux sur ce type d’ailettes est proposée et étudiée. / This thesis deals with the analysis, intensification and optimization of convective heat transfer in offset strip fins (OSF) heat exchangers used, for example, in the automotive field as water-cooled charge air coolers. Two complementary approaches are carried out in this study: CFD simulations to perform local fine analysis of the flow characteristics and transfer mechanisms, and a nodal type modeling allowing calculation of global aerothermal performance. Over the range of Reynolds numbers considered, different turbulence modeling approaches are implemented and compared: Large Eddy Simulations (LES) and RANS simulations which are usually used. The qualification of the RANS models shows that strong differences, both in the flow structure and at the overall performance evaluation level, may beobserved, depending on the flow regime considered. Then the development of a nodal model is presented. It aims at carrying out rapid optimization of geometries of unconventional OSF heat exchangers. The various optimization scenarios considered show the interest of this approach allowing the evaluation of a large number of geometric configurations. In a last part, an innovative new geometry that generates longitudinal vortices on this type of fins is proposed and studied.

Le bore est nécessaire pour le développement des plantes supérieures (structuration de la paroi végétale). Il pose cependant des problèmes (défoliation, pourriture et chute des fruits mûrs). Pour l’homme, sa toxicité se traduit par des nausées, des diarrhées, des troubles du développement intellectuel, neurologique et physique. La pénurie en eau douce conduit à dessaler l’eau de mer pour augmenter la quantité en eau destinée à la consommation humaine, l’industrie et l’agriculture. Lors de ce procédé, il faut éliminer les ions majeurs mais aussi le bore présent à des concentrations élevées (> 4,5 mg L–1, environ 0,45 mM). Son usage dans l’industrie et son rejet dans l’environnement conduisent à la pollution des eaux souterraines et de surface. Son élimination est donc indispensable, sachant que l’Organisation Mondiale de la Santé recommande une valeur guide de 0,5 mg L–1 dans l’eau potable et une valeur maximale de 0,3 mg L–1 dans l’eau utilisée pour l’irrigation. Cette thèse porte sur l’étude cinétique et thermodynamique des échanges du bore à la surface de différents matériaux en fonction de paramètres physico-chimiques (pH, concentration initiale …) à l’aide d’essais en réacteurs fermés et en colonnes. Deux types de résines commerciales ont été choisies : (i) les résines échangeuses d’anions Ambersep 900-OH et Amberlite IRA 402 Cl avec des fonctions ammonium, (ii) les résines spécifiques Amberlite IRA 743 et Diaion CRB 03 ayant des fonctions méthylglucamine. Les premières essais en réacteurs fermés montrent que les échanges liquide-solide sont rapides avec une élimination du bore > 96 % pour t < 30 min pour Amberlite IRA 743, Diaion CRB 03 et Ambersep 900-OH. Pour t > 2 h, un équilibre est observé pour toutes les résines. Le modèle du pseudosecond ordre permet de décrire la cinétique de sorption pour les 4 résines. A l’équilibre, l’adsorption est maximum d’une part dans une gamme de pH compris entre 6 et 12 pour les 2 résines sélectives Amb IRA 743 et CRB 03, et d’autre part pour un pH de 8 pour la résine Ambersep 900-OH et un pH 10 pour la résine Amberlite IRA 402 Cl. A pH 8 et pour les concentrations en bore < 20 mM, la sorption du bore est représentée par le modèle de type Langmuir pour Amberlite IRA 743, Ambersep 900-OH et Diaion CRB 03. Par contre, la rétention du bore sur Amberlite IRA 402 Cl suit une isotherme de type linéaire. A pH 8 et pour des concentrations en bore < 20 mM, les capacités de sorption sont : 1, 0,7, 0,3 et 0,05 mmol g–1 pour Diaion CRB 03, Amberlite IRA 743, Ambersep 900-OH et Amberlite IRA 402 Cl, respectivement. Les résines Ambersep 900-OH, échangeuse d’anions, et Amberlite IRA 743, sélective, ont été utilisées pour les essais en colonnes en fonction de la concentration en bore et du temps de séjour. Pour la résine spécifique, le temps de séjour dans la colonne affecte fortement le comportement du bore : lorsqu’il diminue, son élution est rapide suivie d’une longue traînée ; lorsqu’il augmente, la courbe de percée correspond à un système à l’équilibre. Pour un temps de séjour élevé, les résultats confirment la non-linéarité observée lors des essais en réacteurs fermés. Pour la résine échangeuse d’anions, la non-linéarité est aussi confirmée. Ces essais permettent de différencier le comportement du bore lors de sa désorption. La régénération est obtenue après des traitements acides et basiques pour la résine spécifique alors qu’un traitement alcalin est suffisant pour la résine anionique. Une étude plus détaillée des mécanismes est en cours et permettra de les intégrer dans un même modèle. La fixation du bore sur des pectines et sa rétention par des membranes d’ultrafiltration (membranes de seuil de coupure différent) a aussi été étudiée. Les pectines ont été caractérisées (composition en sucre et en bore présent initialement) et la viscosité des solutions pectiques mesurée. Des essais de filtration ont permis de déterminer l’efficacité de production et de rétention du bore sur ces matériaux. / Boron is an element, which is necessary as essential nutrient for living organisms, especially for plants where it is involved in cell wall composition. But boron excess can cause some problems on the development of plants (defoliation, decay and fall unripe fruits), of humans and animals such as nausea, diarrhoea, dermatitis, lethargy. Boron toxicity also changes blood composition, caused disorder in neurological, physical, intellectual development. Nowadays, due to the shortage of fresh water sources, seawater desalination has been becoming an alternative fresh water supply. However, the presence of boron in seawater is quite high (4.5 mg L–1, around 4.5 mM). Moreover, the increasing use of boron in industries and its discharge to the environment has led to the contamination of surface and ground waters. As the result, boron removal, in production of drinking water becomes very important. Therefore, the World health organization has recommended a guideline of 0.5 mg L–1 B in drinking water and a maximum limit of 0.3 mg L–1 B in fresh water used for irrigation. The objective of this thesis is to study the mechanisms of boron surface exchange on different materials versus time and at equilibrium depending on some physicochemical parameters such as pH, initial boron concentration, reaction time in order to find a new exchanger for boron removal. Boron removal was carried out by ion exchange process using 2 types of resins: Amberlite IRA 743, Diaion CRB 03 as boron selective resins with methylglucamine functions, and Ambersep 900-OH and Amberlite IRA 402 Cl as anionic exchange resins with ammonium functions. From batch studies, fast exchange between resin surface and liquid phase was observed with boron removal up to at least 96 % within 30 min for Amberlite IRA 743, Diaion CRB 03 and Ambersep 900- OH. The reaction between resin surface and boron solution reached equilibrium after 2 h for all the resins. The pseudo-second order kinetic model was used to well describe the sorption kinetic process of the resins. At equilibrium, the experimental results showed that the maximum adsorption was observed to be achieved at pH 8 for Ambersep 900- OH, pH 10 for Amberlite IRA 402 Cl and independent on pH range from 6 to 12 for the 2 boron selective resins Amberlite IRA 743 and Diaion CRB 03. At pH 8 and for boron concentrations < 20 mM, the Langmuir-type relationship was used to fit the experimental data for Amberlite IRA 743, Ambersep 900- OH and resin Diaion CRB 03. In the range of studied boron concentration, the boron sorption onto Amberlite IRA 402 Cl followed linear-type behaviour. At pH 8 and for boron concentrations < 20 mM, the sorption capacities are: 1, 0,7, 0,3 et 0,05 mmol g–1 for Diaion CRB 03, Amberlite IRA 743, Ambersep 900- OH and Amberlite IRA 402 Cl, respectively. Column experiments were performed with the anionic resin Ambersep 900-OH and the selective one Amberlite IRA 743 by studying both the influence of boron concentration and the residence time. For the selective resin, if the residence time decreases, the boron breakthrough is fast followed by a long tail. For larger residence time, local equilibrium seems to be assumed. Results are thus consistent with batch experimental data. For the anionic resin, the nonlinear behaviour is also confirmed. Moreover, column experiments showed a strong difference during desorption. To regenerate resins, acid and basic treatments are necessary for the selective resin although a basic solution is enough for the anionic resin. A more detailed study of mechanisms is in progress in order to build a exchange model for predicting boron fate. Finally, characterization of pectins was also performed. Its composition (sugar and boron content) and the viscosity of pectin solutions were quantified. Filtration experiments allowed testing the efficiency of such material to remove boron too

La plupart des échangeurs thermiques automobiles sont fabriqués à partir de tôles d’aluminium brasées dont l’épaisseur a été constamment réduite au cours des dernières années à cause de contraintes économiques et environnementales. Dans le même temps, les contraintes subies par les échangeurs thermiques ont également augmenté ce qui a accrue le risque de défaillance par fatigue mécanique, en particulier au niveau des tubes. Dans cette étude, une caractérisation détaillée des mécanismes d’endommagement cyclique à l’œuvre dans les radiateurs de refroidissements automobiles a été effectuée dans le but d’améliorer leur fiabilité. La matière standard utilisée pour la fabrication des échangeurs, utilisée comme référence dans ce travail, consiste en une plaque très fine (plus petit que 0,27mm d’épaisseur) composée de trois alliages d’aluminium co-laminés (4045/3916/4045). Afin d’évaluer l’effet de la structure de ce « sandwich » sur les mécanismes d’endommagement, des matières composées d’une unique couche (3916) ainsi que de 4 couches (4045/3003/3916/4045) ont également été produites. Toutes ces matières, ont été brasées dans le but d’obtenir un état de surface et des propriétés mécaniques représentatives d’un échangeur thermique de série. Des essais de fatigue à amplitude de contrainte constante ont été réalisés à température ambiante, -30°C et 120°C pour i) caractériser l’effet de la structure du sandwich sur la résistance cyclique des différentes matières étudiées et ii) l’effet de la température sur les mécanismes d’endommagement en fatigue. Les phases d’amorçage et de propagation des fissures ont pu être étudiées par la mise en place de techniques de suivi 2D et 3D. Ces techniques, couplées à une caractérisation précise de la microstructure des matières, ont permis de clarifier les mécanismes d’endommagement conduisant à la rupture par fatigue de ces fines plaques et, notamment, de pointer le rôle clé du placage résiduel (issu de la fusion du 4045) sur les mécanismes d’endommagement. / Nowadays, most of the automotive heat exchangers are made of brazed aluminium sheets. Due to economic and environmental issues, the thickness of heat exchanger components have been reduced. Concomitantly, the stress undergone by the heat exchanger increased which raised the risk of fatigue failure, and particularly on tube for radiators. In this work, a detailed characterization of the cyclic damage mechanisms in car heat exchangers has been carried out. The standard material used to make radiator is a very thin (plu petit que 0.27mm) aluminium sheet composed by 3 layers (4045 /3916/ 4045). To assess the effect of the structure of this “sandwich” on the damage mechanisms, materials composed of a single layer (3916) and composed of 4 layers (4045/3003/3916/4045) have also been studied. All materials have been brazed in similar industrial conditions in order to obtain representative metallurgical and surface conditions. Fatigue tests at constant stress amplitude have been performed at room temperature, -30°C and 120°C to i) characterize the sandwich structure effect on the cyclic resistance of the studied materials and ii) to study the effect of temperature on the fatigue damage mechanism.Crack initiation and propagation have been observed by 2D and 3D monitoring techniques. These techniques, in addition to a detailed microstructure characterization of the materials, allowed to clarify the damage mechanisms leading to fracture in fatigue of these thin sheets and, in particular, to point out the key role of the residual clad (left by the 4XXX melting) on the damage mechanisms.

Cette thèse de doctorat a pour objet l'étude d'échangeurs géothermiques hélicoïdaux implantés dans le proche sous-sol. Ces objets font partie de la famille des échangeurs géothermiques compacts, et sont une alternative aux sondes verticales et aux nappes horizontales plus couramment utilisées pour chauffer et rafraîchir des bâtiments (géothermie sèche, très basse enthalpie). L'étude à la fois théorique et expérimentale de ces échangeurs mène à différents modèles, numériques comme analytiques, permettant de prévoir le comportement en température du sous-sol comme du fluide caloporteur. Des résultats de simulation intégrant le couplage aux bâtiments sont présentés, et des outils logiciels ont été créés pour aider au dimensionnement d'installations. De surcroît, un "test de réponse thermique" adapté à ces échangeurs a été développé, afin de permettre d'estimer les propriétés thermiques moyennes du sous-sol et la résistance thermique liée à l'installation de l'échangeur. Enfin, des conseils pratiques sont donnés, dont le but est d'obtenir les températures d'utilisation les mieux adaptées aux pompes à chaleur, et en conséquence d'améliorer les coefficients de performance du système.