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.

L'intégration d'un accumulateur de chaleur dans les systèmes de refroidissement d'un véhicule permet d'optimiser la gestion thermique du groupe motopropulseur et ainsi de réduire la consommation et les émissions polluantes du véhicule. L'intérêt d'un tel accumulateur réside dans sa capacité à stocker / déstocker de l'énergie dans des matériaux à changement de phase (PCM) avec des puissances échangées en adéquation avec les besoins de l'automobile. La problématique scientifique concerne l'intensification, dans un volume restreint, des transferts thermiques dans le matériau de stockage. Le recours à des échangeurs compacts et l'optimisation de la géométrie des ailettes du côté du PCM permettent d'une part de maximiser la puissance échangée grâce à l'augmentation de la surface d'échange avec le PCM et d'autre part d'optimiser la capacité énergétique en améliorant le taux de remplissage en PCM. Le problème est abordé ici de deux façons : théorique, par le développement d'un modèle numérique d'optimisation, puis expérimentale, par la mise au point d'un banc d'essai et de prototypes. Le modèle numérique, validé à partir d'essais, a servi à optimiser la conception de l'accumulateur de chaleur. Enfin, l'intégration de ce composant dans un module de refroidissement pour améliorer la montée en température du groupe motopropulseur a montré des gains significatifs sur le temps de fonctionnement à froid du moteur, réduisant ainsi les émissions polluantes. / Integration of heat accumulator within engine cooling systems allows to optimize powertrain thermal management and to reduce vehicles consumption and pollutant emissions. Interest of such accumulators lies in their capacity to store and release energy within phase change materials (PCM) with powers in accordance with the automotive needs. Scientific problem concerns heat transfer enhancement, for a limited volume, in a phase change material. The use of compact heat exchangers filled with PCM and the optimization of fin design allow to maximize heat transfer thanks to extended heat transfer area with PCM. On the other hand, energy storage capacity is optimized by increasing PCM volume ratio. The problem is approached by two ways: theoretically, by the development of a numerical model of optimization, and experimentally, by the development of a test bench and several prototypes. The numerical model of heat accumulator, validated with test results, was used to run a parametric study to optimize the conception of the heat accumulator, in particular the fin design. Finally, integration of this new component within the cooling system in order to improve the warm-up of the powertrain has shown significant gains on the functioning time of engine during cold start, leading to reduced pollutant emissions.

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. / This thesis consists in a study of geothermal helical heat exchangers buried in the close underground. These objects belong to the compact exchangers kind and may be used instead of borehole heat exchanger or geothermal horizontal exchangers to cope with the needs in heating and cooling buildings with a heat pump. A theoretical and experimental study of these exchangers leads to numerical and analytical models which can be used to estimate the temperatures in the underground and in the exchanger over years. Results of simulations including a building are given, and softwares were developed to help with the sizing of installations. Moreover, a specific "thermal response test" for helical heat exchangers was developed, in order to estimate the mean thermal properties of the underground and the thermal resistance between the heat transfer fluid and the underground. At least, practical advices are given, which goal is to get more valuable temperatures at the heat pump and as a consequence better coefficients of performance of the geothermal system.

Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre du programme R&D du CEA en support au système de conversion d’énergie à gaz du prototype industriel de Réacteur à Neutrons Rapides refroidi au Sodium (RNR-Na). Cette technologie représente une alternative aux cycles Rankine conventionnels à eau/vapeur, ayant pour avantage principal l’élimination du scenario accidentel de réaction sodium-eau. Cependant, la faible capacité de transfert de chaleur du gaz nécessite une technologie d’échangeurs compacts à plaques avec un nombre élevé de canaux à alimenter. Coté sodium, une section minimale de passage est nécessaire pour éviter le risque de bouchage par impureté. Cela induit de très faibles pertes de pression dans le faisceau qui, couplées à une condition de vitesse élevée à l’entrée, génèrent un risque réel de mauvaise distribution du débit. Les performances d’échange thermique et la tenue mécanique du composant sont alors dégradées. L’objectif principal de ce travail de thèse a été de résoudre ce problème de mauvaise distribution, en s’appuyant sur une conception innovante (BREVET FR16 57543), sur une stratégie de calcul numérique et l’établissement d’une base de données expérimentale pour la validation des travaux théoriques. Le nouveau système de distribution sodium se compose d’un collecteur d'entrée dont le design permet de guider la trajectoire du jet et d’un système de bifurcation de canaux qui augmente les pertes de pression dans le faisceau. De plus, des communications latérales entre les canaux sodium aident à homogénéiser davantage le flux. Deux installations expérimentales ont été conçues pour caractériser l'écoulement dans les canaux de bifurcation et dans le collecteur d'entrée. La conception des maquettes a permis de quantifier leur effet sur la distribution du flux entre les canaux. La base de données aérodynamiques PIV acquises a permis de valider les modèles numériques et de prouver l’efficacité du système de distribution proposé. Après avoir validé les modèles de turbulence CFD et la stratégie d'étude de la distribution dans le module SGHE, une optimisation de chaque composant du système de distribution de sodium a été réalisée. Le travail de cette thèse s’achève par la description de la conception optimale retenue pour la phase actuelle du projet ASTRID. / This PhD work was motivated by the CEA R&D program to provide solid technological basis for the use of Brayton power conversion system in Sodium-cooled Fast nuclear Reactors (SFRs). Multi-channel compact heat exchangers are necessary for the present application because of the low heat transfer capacity of the gas foreseen. In ASTRID project, a minimum size of Na channels section is required to avoid the plugging risk. However, this induces very low pressure losses in the bundle. Considering an additional inlet flow condition, a real risk of bad flow distribution remains. As a result, the thermal performance and thermal loading of the heat exchanger degrades due to it. The main goal of this work was to overcome the flow maldistribution problem by means of an innovative design of sodium distribution system (PATENT FR1657543), the development of a numerical strategy and the construction of an experimental database to validate all theoretical studies. The innovative sodium distribution system consists on an inlet header which tries to guide the evolution of the impinging jet flow while a system of bifurcating pre-distribution channels increases pressure drops in the bundle. Lateral communications between pre-distribution channels are introduced to further homogenize the flow. Two experimental facilities have been conceived to study the flow behavior in bifurcating channels and in the inlet header, respectively. At the same time, their effect on the flow distribution between channels is evaluated. The acquired PIV aerodynamic database allows to validate the numerical models and to prove the design basis for the proposed distribution system. Once having validated the CFD turbulence models and the strategy to study the flow maldistribution in the SGHE module, a decisive and trustworthy optimization of each component of the sodium distribution system has been performed. Finally, an optimal configuration has been proposed for the actual phase of ASTRID project.