Étude d'un système innovant magnétothermique pour le chauffage et la climatisation sans gaz à effet de serre : application à un véhicule électrique.Ce travail de thèse est destiné à l'étude d'un système de climatisation et de chauffage basé sur la réfrigération magnétique. L'étude de ce système basé sur l'effet magnétocalorique (EMC)est structurée en deux parties: la première représente l'état de l'art, c'est-à-dire une analyse bibliographique des principaux systèmes de climatisation existants, des différentes études relatives à la modélisation numérique des systèmes de réfrigération magnétique, et les études ·les plus récentes concernant l'écoulement et le transfert thermique dans les microcanaux constituants la matrice du régénérateur magnétocalorique actif étudié dans cette thèse. Ensuite la deuxième partie comporte l'étude du coefficient de transfert thermique h entre le régénérateur solide et le fluide caloporteur, et la simulation du comportement d'un cycle AMR. Un modèle numérique est développé pour chacune des études. Le premier modèle permet de calculer le coefficient de transfert convectif h et d'évaluer l'influence sur ce même coefficient de la hauteur des canaux Hc et de la vitesse du fluide Vf, en considérant deux types de canaux: canaux à parois lisses et canaux à parois rugueuses. Ainsi l'effet de la rugosité de surface des matériaux sur l'écoulement et le transfert thermique est déterminé, et l'augmentation résultante de h est évaluée. Dans cette même partie une approche de dimensionnement du système de climatisation basé sur un cycle AMR est proposée pour application à la climatisation d'un véhicule électrique. Enfin ce travail est conclu par une synthèse comprenant les contributions de ce travail, ses limites, et les perspectives qui en découlent. / This work is intended for the study of an air conditioning system and heating based on themagnetic refrigeration. The study of this system based on the magnetocaloric effect (MCE) ismade in two parts: the first one represents the state of the art, that is a bibliographical analysis of the main existing air conditioning systems, the various studies relative to the numerical modelling of the magnetic refrigeration systems, and the most recent studies concerning fluid flow and heat transfer in the microchannels which constitute the matrix of the active magnetic regenerator studied in this work. Then the second part contains the study of the heat transfer coefficient h, between the solid regenerator and the coolant, and the simulation of the behaviour of an Active Magnetic Regeneration cycle. A numerical mode! is developed for each of the studies. The first one enables to calculate the convective heat transfer coefficient and to estimate the influence of the charmels height Hc and the fluid velocity Vf on the heat transfer coefficient.Two types of charmels are considered: charmels with smooth walls and charmels with rough walls. So the effect of the surface roughness of the magnetocaloric material on the fluid flow and the heat transfer is determined, and the resulting increase of h is estimated. An approach of sizing the air conditioning system based on a cycle AMR is proposed for an application in theair conditioning of a battery-driven vehicle. Finally this work is concluded by a synthesis including the contributions of this work, its limits, and the perspectives which ensue from it.

Une émulsion à changement de phase (PCME: phase-change material emulsion) est un fluide consistant en une émulsion d'un matériau à changement de phase (PCM, phase change material), comme de la paraffine, dispersé dans un fluide porteur (phase continue), souvent de l'eau ou une solution acqueuse de surfactant. Les PCME peuvent être envisagés comme fluides à haute performance thermique (frigoporteurs ou caloporteurs) en raison de leur potentiel de transport de chaleur latente (cristallisation ou fusion du PCM). Cette thèse présente des résultats expérimentaux concernant le comportement thermo-rheologique des differentes versions de PCME (émulsions de paraffine dans différentes solutions acqueuses de surfactant, avec une concentration massique en paraffine égale à 30 %) sur une plage de température de 0 - 20 °C. Les propriétés thermophysiques des émulsions ont été déterminées. Ensuite, une étude expérimentale du transfert de chaleur par convection forcée laminaire a été effectuée. Le coefficient de transfert de chaleur convectif de l'émulsion pendant le refroidissement a été déterminé dans une configuration expérimentale proche de celle pouvant être rencontrée dans des échangeurs thermiques à plaques. La configuration se compose principalement de deux canaux rectangulaires (80 x 6 mm²) de longueurs égale à 1 m. Des corrélations utiles pour évaluer les coefficients d'échange thermique (locaux ou globaux) ont été établies entre les nombres de Nusselt, de Reynolds et de Prandtl. Un banc d'essais spécifique a également été utilisé pour analyser le comportement rhéologique des PCME. Des essais ont été effectués à l'aide d'un viscosimètre à différentes températures. La stabilité des émulsions a été examinée sous diverses charges thermomécaniques. Les expériences ont révélé un comportement rheofluidisant. L'ensemble de ces résultats montre que les PCME sont des candidats prometteurs pour les applications à la climatisation. / A phase change material emulsion (PCME) is a fluid consisting of an emulsion of a phase change material (PCM), such as paraffin, dispersed in a carrier fluid (contiunuous phase), often water of an aqueous solution of surfactant. PCMEs can be considered as potential high performance thermal fluids (used as secondary refrigerants or as heat transport fluids) owing to their latent heat involved in the fusion of cristalisation of the PCM. This thesis reports experimental results concerning the thermo-rheological behavior of different versions of a PCME (30%wt. paraffin concentration in various acqueous solutions of surfactant) over the temperature range [0 – 20 °C]. The thermophysical properties of the PCMEs were determined. Then, an experimental study of forced convection heat transfer during laminar flow was carried out. The convective heat transfer coefficient of the PCMEs during cooling was determined in an experimental configuration mocking up applications in plate heat exchangers. The configuration mainly consists of two 1 m long rectangular channels (80 x 6 mm2). Correlations were developped for the prediction of the (local and overall) heat transfers coefficients, based on the Nussel, Reynolds and Prandtl numbers. A specific test bench was also used to analyse the rheological behaviour of the PCMEs. Tests were carried out using a viscometer at different temperatures. The stability of the emulsion was examined under various thermo-mechanical loads. Experiments revealed a pseudoplastic behavior for all tested versions of the PCME. All these results show that PCMEs are an attractive candidate for their applications in the field of air conditioning.

L’objectif de ce travail consiste en l'étude expérimentale et la modélisation du comportement thermo-hydraulique d'un fluide frigoporteur diphasique (FFD) particulier : le coulis de paraffine, en écoulement dans un canal rectangulaire simulant un échangeur à plaques. Les coulis de paraffine sont constitués de particules millimétriques de paraffine, stabilisées dans une matrice poreuse el mises en suspension dans de l'eau. Les particules de paraffines sont composées de 75% en masse de Norpar®15 et de 25% de polymère tri-block qui sert à gélifier la paraffine. Les résultats expérimentaux issus de bilans sur les veines d'essai de l'installation développée el mise en place au Centre de Thermique de Lyon (CETHIL), mettent en évidence une intensification importante du coefficient d'échange thermique, due a la présence des particules dans le fluide porteur. Pour un écoulement laminaire du coulis de paraffine dans le canal de refroidissement, une multiplication moyenne par 1 ,25 à 1 ,5 du coefficient d'échange global par rapport au fluide monophasique a été enregistrée pour des fractions massiques en particules de 6 à 12 %. Par régression linéaire des résultats expérimentaux, des corrélations pour le calcul des nombres de Nusselt local et moyen sont proposées. Une approche théorique basée sur le modèle de mélanges (Mixture Mode!) a été élaborée pour étudier le comportement hydraulique et thermique du fluide frigoporteur diphasique FFD pendant son refroidissement en écoulement laminaire dans un canal rectangulaire. L'évolution des valeurs expérimentales et théoriques pour la température moyenne du fluide et le coemcien1 d'échange thermique paroi - fluide montrent qu'ils sont en bon accord. Le modèle peut être considéré comme satisfaisant car les écarts entre résultats théoriques et expérimentaux n'excèdent jamais 14 %. / This work concerns the experimental investigation and modelling of the thermo hydraulic behaviour of a new Iwo-phase secondary refrigerant, the paraffin slurry, flowing through a rectangular channel of a heat plate exchanger type. The paraffin slurries are made of millimetric bullets of paraffin, stabilized in an organic porous polymeric matrix, in suspension in water serving as a carrying fluid. The paraffin particles used contain 75% of paraffin called NORPAR®15 and 25% of a tri-block polymer of styrene with High Molecular Weight (HMW). The experimental results generated by the heat balances on the test sections of the experimental setup built in the Thermal Center of Lyon (CETHIL), highlight an important increase of the heat transfer coefficient, due to the particles presence in the carrying fluid. For a laminar flow of the paraffin slurry in the cold channel, an average multiplication by 1 .25 to 1.5 of the global heat transfer coefficient compared to the single-phase fluid was recorded for particles mass fractions of 6 to 12%. By regression of the experimental results, correlations for the local and average Nusselt number calculation for the laminar flows are proposed. The particularity of the presented correlations is their validity in the case of a pure fluid as we\l as for a two-phase fluid containing so\id particles. A model for the hydraulic and thermal behaviours studies of a Iwo-phase secondary refrigerant fluid during its cooling in laminar flow through a rectangular channel was developed it is based on the mixture model and to king the slip velocity into account. The evolution of the experimental and theoretical values for the fluid average temperature, the heat flow which crosses the walls and the heat transfer coefficient between the wall and fluid shows good agreement and the model is satisfactory since the variations never exceed 14%.

Ce mémoire porte sur la mise au point de plateforme microfluidique couplée à la microscopie Raman confocale, utilisée dans des conditions d’excitation de la diffusion Raman (diffusion Raman exaltée de surface), dans le but d’obtenir une détection de très haute sensibilité d’espèces moléculaires sous écoulement dans des canaux de dimensions micrométriques. Ce travail a pour ambition de démontrer la faisabilité d’un couplage microscopie Raman/microfluidique en vue de la caractérisation in-situ et locale, des espèces et des réactions mises en jeu dans les fluides en écoulement dans les microcanaux. Nous avons utilisé un microcanal de géométrie T, fabriqué par lithographie douce, dans lequel sont injectées, à vitesse constante, des nanoparticules métalliques d’or ou d’argent dans une des deux branches du canal et une solution de pyridine ou de péfloxacine dans l’autre branche. La laminarité et la stationnarité du processus nous ont permis de cartographier la zone de mélange et de mettre en évidence l’exaltation du signal de diffusion Raman de la pyridine et de la péfloxacine, obtenue grâce aux nanoparticules métalliques, dans cette zone d’interdiffusion. L’enregistrement successif de la bande d’absorption des nanoparticules d’argent (bande plasmon) et du signal de diffusion Raman de la péfloxacine, en écoulement dans un microcanal, nous a permis d’établir un lien entre la morphologie des nanostructures métalliques, et plus précisément l’état d’agrégation des nanoparticules d’argent, et l’exaltation du signal Raman de la péfloxacine observé. Nous avons alors modifié la géométrie du canal afin d’y introduire une solution d’électrolyte (NaCl et NaNO3) et de modifier localement la charge de surface des colloïdes d’argent en écoulement. Nous avons ainsi confirmé que la modification de l’état d’agrégation des nanoparticules d’argent, induite par l’ajout contrôlé de solutions d’électrolytes, permet d’amplifier le signal SERS de la péfloxacine et d’optimiser la détection en microfluidique. Enfin, nous avons développé une seconde approche qui consistait à mettre en place une structuration métallisée des parois d’un microcanal. Nous avons ainsi démontré que la fonctionnalisation chimique de surface via un organosilane (APTES) permettait de tapisser le canal avec des nanoparticules d’argent et d’amplifier le signal Raman des espèces en écoulement dans ce même microcanal. / This thesis focuses on the development of a microfluidic platform coupled with confocal Raman microscopy, used in excitation conditions of Raman scattering (Surface enhanced Raman scattering, SERS) in order to gain in the detection sensitivity of molecular species flowing in channels of micrometer dimensions. This work aims to demonstrate the feasibility of coupling Raman microscopy / microfluidics for the in situ and local characterization of species and reactions taking place in the fluid flowing in microchannels. We used a T-shaped microchannel, made by soft lithography, in which gold or silver nanoparticles injected at constant speed, in one of the two branches of the channel and a solution of pyridine or pefloxacin in the other one. The laminar flow and the stationarity of the process allowed us to map the mixing zone and highlight the enhancement of the Raman signal of pyridine and pefloxacin, due to the metallic nanoparticles, in the interdiffusion zone. The recording of the both absorption band of the silver nanoparticles (plasmon band) and the Raman signal of pefloxacin, flowing in microchannel, allowed us to establish a link between the shape of the metallic nanostructure, and more precisely the silver nanoparticle aggregation state, and the enhancement of the Raman signal of pefloxacin observed. We then changed the channel geometry to introduce an electrolyte solution (NaCl and NaNO3) and locally modify the surface charge of the colloids. We have put in evidence that the change of the silver nanoparticle aggregation state, induced by the controlled addition of electrolyte solutions, could amplify the SERS signal of pefloxacin and thus optimizing the detection in microfluidics. At last, we established second a approach that consists in the metallic structuring of microchannel walls. This has shown that the surface chemical functionalization through organosilanes (APTES) allowed the pasting of the channel with silver nanoparticles, thus amplifying the Raman signal of the species flowing within the same microchannel.