Zugl.: Berlin, Techn. Univ., Diss., 2008

Techn. Universiẗat, Diss., 2002--Berlin.

La présente étude des cycles de réfrigération électeur, i.e. [éjecteur] se fonde sur les principes de la thertnodynamique, i.e. [thermodynamique] classique, de la thermodynamique en dimensions fmies, i.e. [finies] et des transferts de chaleur. Pour étudier l'influence de la pression sur les performances de ces cycles, nous avons fixé la puissance de réfrigération ainsi que les températures des fluides externes à l'entrée des trois échangeurs (générateur de vapeur, condenseur et évaporateur).La performance d'un système de réfrigération varie d'un fluide frigorigène à l'autre; pour le démontrer, une étude comparative entre quatre réfrigérants (R134a, R152a, R290 et R600a) est présentée. Les résultats obtenus montrent que, pour une différence de température donnée entre le réfrigérant et les fluides externes, la quantité de chaleur fournie au générateur de vapeur et la conductance thermique totale des échangeurs diminuent quand la pression du réfrigérant au générateur de vapeur augmente. D'autre part, une différence de température de 3 ÀC est la valeur qui optimise les performances du système à éjecteur pour les quatre fluides. Une analyse des flux exergétiques dans chaque composante du système identifie l'exergie détruite qui doit être prioritairement améliorée pour minimiser les pertes exergétiques du système. Afin de compléter l'étude, une analyse paramétrique du système conventionnel à un seul et à deux compresseurs est représentée avant celle du système qui combine l'électeur, i.e. [l'éjecteur] et le compresseur. Pour finir, nous effectuons une comparaison entre les quatre réfrigérants et les trois systèmes.

Ce mémoire se situe dans l'école de pensée économique hétérodoxe qui étudie la croissance économique sous l'angle des lois de la thermodynamique. Cette approche soutient que l'exergie, soit le travail effectivement accompli au sens physique par l'énergie, est un élément crucial manquant à la théorie de la croissance économique.Ce mémoire fait une analyse économétrique des données historiques américaines afin de vérifier la contribution de l'exergie. Le modèle retenu est une version modifiée de la fonction Cobb-Douglas avec termes à correction d'erreur. Il montre que la croissance de la disponibilité et de la consommation d'exergie effective explique une grande part de la croissance du niveau de vie observée entre 1950 et 2008 et que le rôle joué par le progrès technique est bien moindre que celui qu'on lui attribue habituellement. La disponibilité et l'abordabilité futures des différentes sources d'énergie sont ensuite analysées de façon approfondie. Nous introduisons aussi une méthode systémique pour évaluer les rendements énergétiques des installations de toutes natures. Cette revue amène à la conclusion qu'à moins d'importantes percées techniques aléatoires, l'abordabilité de l'exergie sera grandement réduite au cours des prochaines décennies, ce qui viendra possiblement compromettre la croissance future du niveau de vie.

L’utilisation des coulis d’hydrates comme Fluides Frigoporteurs Diphasiques (FFD) permet de réduire l’impact environnemental des systèmes frigorifiques car ces fluides possèdent une densité énergétique élevée. Leur application pour le stockage d’énergie thermique serait une réponse à une problématique industrielle de distribution de froid (climatisation, procédés de refroidissement). Un montage expérimental constitué d’une boucle de circulation et d’un réacteur de formation a été utilisé afin d’évaluer les caractéristiques thermo-hydrauliques des coulis d’hydrates de CO2 et a permis de déterminer les viscosités et les coefficients d’échange convectif des coulis. A l’aide de ces paramètres, une étude énergétique et exergétique a été réalisée sur le système. Cette étude a permis de développer un modèle numérique capable d’évaluer la distribution de l’énergie dans différents éléments du montage expérimental (réacteur de formation des hydrates et échangeur de chaleur pour la dissociation des hydrates), ainsi que de déterminer les pertes exergétiques engendrées par ces éléments. Un bon accord entre les données expérimentales et le modèle numérique pour le suivi en température du coulis lors de sa formation et dissociation a été montré. L’étude a confirmé que les fluides diphasiques présentent une plus grande efficacité énergétique et moins de pertes exergétiques que les fluides monophasiques. / Hydrates slurries as two-phase secondary refrigerants (FFD) reduces the environmental impact of refrigeration systems because these fluids have a high energy density. Their use for cold storage could be a solution to an industrial cold distribution at various temperature levels (air-conditioning, cooling process or preservation temperature). An experimental device composed of a circulation loop and a formation tank enables to characterize the thermal-hydraulic properties of CO2 hydrates slurries in order to determine the viscosities and the convective heat transfer coefficients of hydrates slurries. With these hydraulic and thermal parameters, an energy study was carried out on the system. Within this study a numerical model was developed to evaluate the energy distribution in different experimental elements (hydrate formation tank and hydrates dissociation heat exchanger) and to determine the exergetic losses created by these components. A good agreement between the experimental data and the numerical model for the temperature evolution of the slurry has been shown. The study has confirmed that multi-phases fluids provide higher energy efficiency and less exergetic losses than one-phase fluids.

Au cours des dernières années, l'utilisation des systèmes de climatisation classiques a connu une augmentation importante qui directement augmente la consommation d'électricité dans différents types de bâtiments.Par conséquent, le développement du système de climatisation solaire appliqué aux bâtiments est la nouvelle technologie qui pourrait remplacer le système conventionnel à compresseur. De cette façon, il est nécessaire de comprendre et d’évaluer cette solution alternative. À cet effet, notre Institut de recherche en énergie solaire et en énergies renouvelables (IRESEN) a financé un projet appelé «Refroidissement solaire au Maroc» basé sur la technologie d'absorption, afin de réaliser des études de faisabilité sur ce type de systèmes afin de les intégrer dans la nouvelle génération du bâtiment.Dans ce but, cette thèse a traité un système de refroidissement solaire en utilisant la machine à absorption comme la technologie de production de froid dans différentes conditions et climats. Tout d'abord, cette thèse commence par une étude bibliographique ou elle analyse et critique plusieurs travaux traitant les systèmes de refroidissement solaire, ainsi que les diffèrent technologie de capteur solaire. Deuxième point de cette thèse focalise sur la machine à absorption où elle présente un modèle mathématique d'une machine à absorption à simple effet, afin de comprendre le comportement dynamique de ce type de machine face à une variation des conditions extérieures telles que (rayonnement solaire, température extérieure, charges climatique internes). En plus, l'analyse du système de refroidissement solaire devrait prendre en compte une approche énergétique et financière qui permette de prévoir toutes les performances énergétiques (fraction solaire, coefficient de performance, efficacité thermique et efficacité exergétique…) et d'optimiser la taille des composants les plus importants, qui sont la surface du capteur solaire et le volume du ballon de stockage. Une évaluation détaillée de ces deux paramètres est examinée dans les six zones climatiques du Maroc, puis généralisée à neuf capitales africaines afin de fournir un outil numérique pour le dimensionnement et l'optimisation du système de refroidissement solaire non seulement au Maroc mais également dans l'ensemble des régions africaines. / In the last few years, the use of conventional air conditioning system has known an important increase, which directly increase the electricity consumption in different type of building.Therefore, the development of solar cooling system applied to buildings is the new technology that could replace the conventional system of air conditioning. That way, there is a need to understand and evaluate this alternative solution. For that purpose, our Institute of Research in Solar energy and renewable energies (SPCM) has finance a project called Solar cooling in Morocco based on the absorption technology, in order to have a feasibility studies on this kind of systems, in the scope of implementing them in the new generation of buildings. Thus, this thesis treats the solar cooling system using an absorption chiller as the technology of cooling under different conditions and climates. Firstly, it presents a mathematical model of a single effect absorption chiller, in order to understand the dynamic behavior of this kind of machine when they are confronted to a variation in the external conditions such as (solar radiation, external temperature, cooling loads).Moreover, the analysis of the solar cooling system should take into account an energetic and a financial approach to predict all the energetic performances (solar fraction, coefficient of performance, thermal efficiency and exergetic efficiency…) and to optimize the size of the most important component which are the solar collector surface and the storage tank volume. A detailed assessment of these two parameters is investigated in the six climatic zones of Morocco and then it is generalized to nine African capitals in order to give a numerical tool to pre-sizing and optimizing the solar cooling system not only in Morocco but also in all Africa.

Le sujet de cette thèse est d'étudier la récupération de chaleur à basse température (70 à 100 [degrés]C) avec une machine à absorption monoétagée utilisant le couple ammoniac/eau pour une nouvelle application, la réfrigération. Afin de mieux comprendre le fonctionnement des machines à absorption commerciale, et pour valider le modèle numérique, des tests en climatisation sont également présentés. Dans un premier temps, une revue de la littérature est effectuée afin d'identifier les différents cycles ainsi que les fluides utilisés dans le domaine des machines à absorption et des transformateurs thermiques. Une revue de la littérature sur les propriétés thermodynamiques et thermophysiques des mélanges ammoniac/eau est présentée. Une comparaison entre deux corrélations représentant les propriétés thermodynamiques des mélanges ammoniac/eau est effectuée dans le but de choisir celle utilisée dans les différents modèles numériques. La résolution des équations donnant les propriétés thermodynamiques des solutions d'ammoniac/eau est effectuée, et a mené à l'amélioration de la convergence par rapport au logiciel REFPROP (NIST (2007)). La modélisation d'une machine à absorption a été développée et validée avec les mesures effectuées sur un banc d'essai. Ce modèle numérique tient compte des spécificités du banc d'essai (désorbeur en thermosiphon, caractéristiques des échangeurs de chaleur, cycle thermodynamique).Le changement de phase d'une vapeur binaire d'ammoniac/eau dans le condenseur, le transfert massique et thermique dans l'absorbeur et l'évaporation d'un fluide binaire dans le désorbeur (thermosiphon) sont des éléments qui rendent ce modèle numérique complexe et innovateur. Une comparaison entre les résultats expérimentaux et théoriques, pour différentes conditions de fonctionnement, est présentée. Des oscillations de la puissance frigorifique et du COP liées à la régulation de la vanne de détente ont été mises en évidence. De plus, une mauvaise gestion du réfrigérant dans la bouteille accumulatrice lorsque la machine à absorption sort des plages de design est la cause d'une évaporation partielle dans l'évaporateur entraînant une diminution des performances de l'équipement. Une des limites à l'utilisation de ces équipements dans l'industrie serait donc les fluctuations de température de la source froide. L'influence de la température des rejets thermiques et de celle des besoins frigorifiques sur le COP est présentée. Les modélisations et les tests expérimentaux mettent en évidence qu'il est possible de récupérer des rejets thermiques de basse température pour des applications de réfrigération. Il faut noter que ce type d'application est intéressant du fait de la gratuité des rejets thermiques. Finalement, une optimisation en temps fini couplée à une analyse exergétique, faisant appel à un modèle simplifié d'une machine à absorption ainsi qu'aux deux premiers principes de la thermodynamique, est effectuée. Cette étude a permis d'obtenir trois optimums de fonctionnement, à savoir, la minimisation des surfaces d'échange, la maximisation du rendement exergétique et la minimisation du coefficient d'irréversibilité interne.

En tant que système producteur de puissance électrique continue, la pile à combustible est souvent considérée de la même manière qu'une batterie. Il s'agit cependant d'un système ouvert qui utilise l'énergie chimique portée par un couple carburant/comburant, pour produire du travail, électrique en l'occurrence. Elle peut ainsi être considérée comme un type particulier de moteur thermique à combustion interne. Partant de cee simple réflexion, nous représentons dans cette thèse la pile à combustible sous la forme d'un moteur thermique équivalent, sur la base d'une identification de la pile idéale, c'est-à-dire réversible d'un point de vue thermodynamique, à un moteur de Carnot. Puis, prolongeant le raisonnement dans le domaine de la thermodynamique en dimensions finies, nous définissons une pile à combustible endoréversible, c'est-à-dire source d'entropie par l'intermédiaire de ses échanges de matière et d'énergie avec son environnement. La traduction en langage exergétique de ces idées permet d'appréhender de manière plus pertinente le fonctionnement du système pile à combustible, formé par la pile elle-même et par ses organes auxiliaires principaux (échangeurs, humidificateur d'air, etc.). L'analyse exergétique en dimensions finies ainsi formalisée est successivement appliquée à la pile seule, à ses échangeurs de chaleur et à son humidificateur d'air. Nous étudions par la même voie le fonctionnement de quelques systèmes pile à combustible intéressants, basés sur des piles fonctionnant à haute ou basse température, éventuellement en cycle combiné avec une machine thermique. Outre une mise en évidence supplémentaire de la pertinence de l'approche exergétique pour la description de systèmes de natures très différentes, nous militons ici pour une diffusion plus large de cette méthodologie, en dehors de son champ traditionnel d'application, par exemple en électrotechnique.

L'énergie utilisable est la partie de l'énergie d'un système qui est virtuellement convertible afin de créer un travail. Elle est aussi connue sous le nom d'exergie (littéralement «travail extractible») en thermodynamique. Une notion d'énergie utilisable a été développée indépendamment dans le domaine de la météorologie, tout d'abord par Margules (1903) et Lorenz (1955), puis par Dutton (1973) et Pearce (1978). Le but de cette thèse est l'étude des propriétés locales de la fonction enthalpie utilisable spécifique qui est une forme particulière de l'exergie. Il apparaît que l'enthalpie utilisable synthétise et précise les travaux de Dutton et de Pearce pour le cas d'une atmosphère en équilibre hydrostatique, c'est aussi un cas particulier de la pseudo-énergie introduite par Shepherd (1993), un autre cas particulier étant l'approche de Lorenz. Un cycle énergétique analogue à ceux de Lorenz et de Pearce est défini pour l'étude d'une couche isobare d'un domaine limité. Une application numérique au cas d'une onde barocline d'échelle sous-synoptique est ensuite présentée, elle démontre l'importance des termes dus aux flux aux frontières du domaine, alors que dans le même temps les chemins barocline et barotrope des conversions d'énergie restent analogues à ceux classiquement envisagés en météorologie. Enfin, on décrit une généralisation au cas d'une atmosphère humide où l'influence énergétique des différentes phases de l'eau est explicitement prise en compte

Im Gegensatz zur konventionellen adiabatischen Destillation erfolgt bei der diabatischen Destillation Wärmeaustausch nicht nur am Kondensator und Verdampfer, sondern auch innerhalb der Kolonne an den einzelnen Siebböden, was die Entropieproduktion (=Exergieverlust) des Destillationsprozesses stark reduziert. In dieser Arbeit werden Modellsysteme zur diabatischen Destillation von idealen binären Gemischen mittels numerischer Optimierung untersucht. Das Ausgangsmodell beschränkt sich auf die Minimierung der Entropieproduktion verursacht durch Wärme- und Massentransport im Inneren der diabatischen Destillationskolonne. Im zweiten Modell wird das diabatische Modell um die Irreversibilität bedingt durch den Wärmeaustausch mit der Umgebung erweitert. Im dritten Modellsystem wird anstelle der bis dahin voneinander unabhängig geregelten Bodentemperaturen eine diabatische Implementierung mit seriellen Wärmetauschern untersucht, die nur mehr vier Kontrollvariablen besitzt und besonders zur praktischen Anwendung geeignet ist. Für alle diabatischen Modelle werden die minimale Entropieproduktion und optimalen Betriebsprofile numerisch ermittelt, und mit konventionellen Destillationskolonnen verglichen. Alle Ergebnisse zeigen eine deutlich Reduktion der Entropieproduktion für den diabatische Fall, besonders bei Kolonnen mit vielen Böden. / Contrary to conventional adiabatic distillation, in diabatic distillation columns heat transfer not only happens at the condenser and reboiler but also at the intermediate trays which strongly reduces the entropy production (= exergy losses). In this work, model systems for the diabatic distillation of ideal binary mixtures are investigated numerically.The first model is restricted to the minimization of the entropy production due to heat and mass transfer inside the diabatic column. In the second approach the model is extended with the irreversibility due to heat transfer with the column's surroundings. Instead of independently controlled tray temperatures as in the latter models, we focus on a specific diabatic implementation with sequential heat exchangers, which has merely four controls and which is particularly suitable for practical application. For all diabatic models the minimum entropy production and resulting optimal operating profiles are determined numerically, and compared to the ones obtained for a conventional column. All results show an enormous reduction of the entropy production for the diabatic case, especially for columns with many trays.