Les machines à absorption LiBr/H2O, appliquées aux systèmes de rafraîchissement par compression chimique présentent des avantages et des inconvénients à l'heure de leur intégration dans des bâtiments de basse consommation. Grandes tailles et coûts de mise en œuvre élevés les rendent peu attractives. Le développement de modules évapo-absorbeur et desorb-condenseur compacts et multifonctionnels, utilisant des échangeurs à film ruisselants couplés peuvent être une solution pour réduire les coûts de mise en œuvre, et augmenter la compacité et le rendement global du processus d'absorption. L'étude se centre autour de l'absorption de la vapeur d'eau à basse pression au sein d'un film de bromure de lithium qui ruisselle sur des échangeurs à plaques verticales. Les objectifs de la thèse sont le développement d'un modèle théorique simple décrivant le transfert de chaleur et de masse et sa validation à l'aide d'expériences de référence. Le modèle analytique est construit à l'aide des méthodes intégrales mettant en ouvre un écoulement laminaire établit à l'entrée de l'absorbeur et des conditions de saturation à l'interface Nous avons résolu le problème couplé de transfert de masse et de chaleur en prenant en compte couches limites thermiques et diffusives. Une représentation adimensionnelle des transferts à l'aide des nombres de Nusselt et de Sherwood en fonction du nombre de Graetz permet de décrire de manière générale les différentes zones thermiques et diffusives. Les variations de la température et la concentration à l'interface sont prises en compte, en considérant la linéarité des équations de transfert et, en appliquant la théorie des perturbations. Un banc d'essais a été spécifiquement développé pour l'étude de l'absorption de vapeur sur des films ruisselants de bromure de lithium à basse Reynolds (Re < 500). Il permet de fixer l'état de la solution LiBr à l'entrée (température, concentration et débit) ainsi que les conditions aux limites (pression de vapeur, condition adiabatique ou de température imposée à la paroi verticale). Différentes géométries de plaque sont comparées aux résultats du model en vu de quantifier l'impact des effets de bord et des instabilités.

L’objectif de cette thèse est l’optimisation énergétique d’un système de micro-cogénération et micro-tri-génération à pile à combustible. Dans un premier temps, une modélisation mathématique de tous les composants du système de cogénération à pile à combustible a été menée. L'influence de plusieurs paramètres tels que la pression et la densité de courant sur les performances de système micro-cogénération est examinée. La pertinence énergétique et environnementale du système proposé pour le contexte français est étudiée. Ensuite, une étude numérique d’un système de tri-génération composé d’une pile à combustible et d’une machine à absorption simple effet H2O/ Li-Br a été menée. L’unité de micro-tri génération est couplée à une maison unifamiliale et la performance énergétique du système est évaluée. Enfin, afin d’évaluer le potentiel de coupler le système de micro-tri-génération avec les énergies renouvelables, un système de production d’hydrogène avec les panneaux photovoltaïques «PV-H2» a été étudié. Une modélisation des différents composants du système «PV-H2» a été réalisée. Les résultats de simulation du couplage du système PV-H2 avec une maison individuelle de l’éco-quartier de la Glacerie sont présentés. / The objective of this thesis is the energy optimization of the micro-cogeneration and micro-tri-generation fuel cell system. First, a mathematical modeling of all the components of the fuel cell cogeneration system was conducted. The influence of several parameters such as pressure and current density on micro-CHP system performance is examined. The energy and environmental relevance of the system for the French context is studied. Then, a numerical study of a tri-generation system consisting of a fuel cell and a single-acting H2O / Li-Br absorption machine was conducted. The micro-tri-generation unit is coupled to a single-family house and the energy performance of the system is evaluated. Finally, in order to evaluate the potential of coupling the tri-generation system with renewable energies, a hydrogen production system with photovoltaic panels «PV-H2» has been studied. A modeling of the various components of the "PV-H2" system has been carried out. The simulation results of the coupling of the «PV-H2» system with an individual house in the eco-district of La Glacerie are presented.

Les machines à absorption LiBr/H2O, appliquées aux systèmes de rafraîchissement par compression chimique présentent des avantages et des inconvénients à l'heure de leur intégration dans des bâtiments de basse consommation. Grandes tailles et coûts de mise en œuvre élevés les rendent peu attractives. Le développement de modules évapo-absorbeur et desorb-condenseur compacts et multifonctionnels, utilisant des échangeurs à film ruisselants couplés peuvent être une solution pour réduire les coûts de mise en œuvre, et augmenter la compacité et le rendement global du processus d'absorption. L'étude se centre autour de l'absorption de la vapeur d'eau à basse pression au sein d'un film de bromure de lithium qui ruisselle sur des échangeurs à plaques verticales. Les objectifs de la thèse sont le développement d'un modèle théorique simple décrivant le transfert de chaleur et de masse et sa validation à l'aide d'expériences de référence. Le modèle analytique est construit à l'aide des méthodes intégrales mettant en ouvre un écoulement laminaire établit à l'entrée de l'absorbeur et des conditions de saturation à l'interface Nous avons résolu le problème couplé de transfert de masse et de chaleur en prenant en compte couches limites thermiques et diffusives. Une représentation adimensionnelle des transferts à l'aide des nombres de Nusselt et de Sherwood en fonction du nombre de Graetz permet de décrire de manière générale les différentes zones thermiques et diffusives. Les variations de la température et la concentration à l'interface sont prises en compte, en considérant la linéarité des équations de transfert et, en appliquant la théorie des perturbations. Un banc d'essais a été spécifiquement développé pour l'étude de l'absorption de vapeur sur des films ruisselants de bromure de lithium à basse Reynolds (Re < 500). Il permet de fixer l'état de la solution LiBr à l'entrée (température, concentration et débit) ainsi que les conditions aux limites (pression de vapeur, condition adiabatique ou de température imposée à la paroi verticale). Différentes géométries de plaque sont comparées aux résultats du model en vu de quantifier l'impact des effets de bord et des instabilités. / Low pressure absorption machines, used in chemical compression refrigeration systems present several advantages and drawbacks in sustainable buildings integration. Large sizes and high implementation cost makes them unprofitable. Compact absorption machines with multifunctional absorption and desorption units using coupled falling film exchangers can be one solution to reduce implementation costs, increasing compactness and global machine performance. The present study is focused in the absorption process applied to vertical falling film exchangers and its improvement. The thesis objectives are: construction of a simple theoretical model; describing heat and mass transfer over a Lithium bromide falling film and model validation after data processing from a test bench build for this purpose. The analytic model is based on integral methods taking into account established flow conditions at the top of the plate, parabolic velocity profiles and saturation conditions at the interface. We solved the coupled heat and mass transfer problem considering thermal and diffusive boundary layers. Non dimensional representation of Nusselt (Sherwood) number as a function of the modified Graetz number, enables a general description of different transfer zones. Concentration and temperature evolution at the interface are studied considering the linearity of heat and mass transfer equations and applying perturbations theory. The test bench was created to study vapor absorption in a lithium bromide falling film at low Reynolds Numbers (Re < 500). Absorber inlet parameters (temperature, concentration and mass flow rate) and also boundary conditions (vapor pressure, adiabatic or isothermal condition at the vertical wall) can be varied. Different plate geometries were studied and compared with model results, to evaluate boundary conditions and instabilities. This study presents a simplified model for adiabatic and isothermal falling films absorbers with a local description of the absorption process. Influences of flow conditions and initial operation parameters were simulated, studied and compared with equivalent models and experimental data from literature;

Cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet SCRIB (“dispositif Solaire de Climatisation Réversible Intégré au Bâti”) porté par la société Helioclim. Ce projet est financé par l’état français dans le cadre des « Investissements d’avenir » pilotés par l’ADEME (Agence de l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie). Le but de ce projet est de développer une solution de climatisation solaire réversible capable de répondre à l’ensemble des besoins thermiques des bâtiments industriels et tertiaires (climatisation, chauffage, production de froid industriel, eau chaude sanitaire). Le système est constitué d’une machine à absorption réversible, alimentée par un système de capteurs solaires innovants. Le cycle de la machine à absorption est en configuration GAX (Generator-Absorber heat eXchange – échange de chaleur entre le générateur et l’absorbeur).Ce travail de thèse s’est intéressé au développement d’un outil logiciel aidant à la conception et au contrôle d’une telle machine. Un modèle de connaissance prenant en compte les paramètres de fonctionnement et de dimensionnement a été ainsi mis en œuvre. L’originalité de ce travail repose sur les points suivants :- L’outil logiciel propose plusieurs modules qui permettent de simuler différentes configurations de machine à absorption (mono ou multi-étagée).- Les propriétés thermodynamiques des mélanges ont été modélisées à l’aide de modèles basés sur l’utilisation d’une équation d’état ou d’un modèle d’enthalpie libre d’excès. Ainsi, le couple fluide pourra être facilement changé.- Un modèle de « Flash Positif » permet de prédire l’état de chaque courant (liquide sous-refroidi, liquide-vapeur ou vapeur surchauffée) sans poser d’hypothèses a priori. Chaque courant est considéré multiconstituant.- Les bilans matière et d’énergie sont écrits pour les différents appareils (évaporateur, absorbeur, détenteur,…).- Le générateur est modélisé par un empilement d’étages théoriques. Les équations MESH (Mass balance, Equilibrium, Summation, Heat balance) ont été écrites pour chaque étage.- Les inerties thermiques et de matière sont prises en compte.Les résultats de simulation obtenus à l’aide de cet outil logiciel ont été comparés avec succès à une étude publiée qui concernait un cycle GAX fonctionnant avec le couple ammoniac/eau. A l’aide de cet outil, le régime permanent et le comportement dynamique du système soumis à une perturbation peuvent être simulés, ce qui peut constituer une aide importante dans le développement de la politique de contrôle du système. / This PhD thesis was carried on in the framework of the SCRIB project (“dispositif Solaire de Climatisation Réversible Intégré au Bâti”) led by the Helioclim company. This project is funded by the French government (“Investissements d’Avenir” operated by the French Agency for Energy and Environment, ADEME). The goal of this project is to develop a reversible solar cooling system which can respond to a set of thermal requirements in industrial and tertiary building sector (cooling system, heating system, industrial cooling system and domestic hot water). Thus an ammonia/water absorption chiller prototype, powered by innovative thermal solar concentrators, has been built. This absorption chiller has a GAX (Generator-Absorber heat eXchange) configuration.This PhD work focused on the development of a support tool for the conception and the control of such device. A software tool has been developed implementing knowledge-based model, which took into account the operating and design parameters of the absorption chiller. The key originalities of the proposed work are as follows:- The software has been designed in a modular way allowing the simulation of various absorption chiller configurations (single or multi-stage).- The thermodynamic properties of the mixture have been modeled by equation of state or excess Gibb’s energy model. The working fluids can then be changed easily.- A “Positive Flash” model allows the description of all the possible states (sub-cooled, super-heated, biphasic…) of the various streams which are all considered as multicomponent mixtures, without a priori assumptions.- The various devices (evaporator, absorber, valves, etc.) are modeled from balance equations (mass, energy). - The generator is modeled using the concept of theoretical plates. MESH equations (Mass balance, Equilibrium, Summation, Heat balance) have been written for each stage.- Both thermal and material inertia are considered.Simulation results obtained with this software have been successfully compared to an earlier published experimental study for a GAX configuration absorption chiller which used ammonia/water as working fluids. Thanks to this tool, the steady state and the transient behavior of the system submitted to a perturbation can be simulated, which can be helpful for the development of the control policy of the absorption chiller.

Cette thèse présente les résultats de recherche, de modélisation et de simulation d'un système de rafraîchissement solaire au Maroc dans le cadre du projet PRSM (Procédés de Rafraîchissement Solaire au Maroc) financé par l'IRESEN (Institut de Recherche en Energie Solaire et Energies Nouvelles). L'objectif est d'étudier les facteurs concernant l'optimisation d'une machine à absorption solaire (LiBr-H2O) sous les conditions marocaines. De plus, un certain nombre de critères de conception, qui peuvent être utilisés par les concepteurs de systèmes de climatisation et de chauffage solaires, ont été établis en tenant compte de considérations énergétiques et économiques. En conséquence, cette thèse couvre quatre aspects. Le premier aspect présente un aperçu de recherche bibliographique sur les technologies solaires, en mettant l'accent sur les systèmes du froid solaire, les processus pertinents existants, l'état du marché, les développements récents des technologies les plus prometteuses et les principaux indicateurs de performance qui figurent dans la littérature. De plus, l'aspect expérimental de l'installation de climatisation solaire adopté dans le projet PRSM a été décrit pour identifier les caractéristiques techniques importantes de l'installation et les difficultés rencontrées lors de la réalisation du prototype. La deuxième dimension concerne la faisabilité technique d'un système de climatisation solaire en se basant sur des indicateurs énergétiques et économiques et prenant en compte les effets combinés des climats, des catégories de bâtiments et des besoins en climatisation dans les conditions marocaines. Le troisième aspect présente le stockage latent de l'énergie thermique utilisant les matériaux à changement de phase (MCPs). Il porte sur l'étude des méthodes numériques utilisées dans la modélisation des phénomènes de changement de phase et se concentre également sur l'ajout des MCPs dans le système de climatisation solaire intégré à l'intérieur du ballon solaire connecté au générateur de la machine à absorption pour évaluer l'amélioration possible du rendement du système. Le quatrième volet de cette thèse présente l'analyse technico-économique et de sensibilité appliquée au développement d'un procédé solaire combiné d'eau chaude sanitaire, chauffage et climatisation au Maroc. L'analyse globale via une généralisation des résultats au niveau national a été réalisée en complément d'une analyse de sensibilité liée à l'investissement dans ces systèmes afin d'évaluer le potentiel de remplacement des technologies traditionnelles par les systèmes solaires et les gains éventuels liés à leur implantation au Maroc. / This thesis reports the results of research into the modeling and simulation of a solar air-conditioning system for Morocco in the framework of the project SCPM (Solar Cooling Process in Morocco) funded by IRESEN (Research Institute for Solar Energy and New Energies). The aim is to investigate the factors concerning the optimization of a LiBr-H2O solar absorption chiller under Moroccan conditions. Further, a number of design criteria, which can be used by designers of solar cooling and heating systems, have been established using energy and economic considerations. Accordingly, this thesis covers four aspects. The first overviews the literature survey on solar technologies with a focus on solar cooling systems which reports the relevant processes, summarizes the market status, presents the recent developments of the most promising technologies and describes the main performance indicators figuring in the literature. Moreover, the experimental aspect of the solar air-conditioning installation adopted in the SCPM project was described to identify the important technical characteristics of the installation and the difficulties encountered during the realization of the prototype. The second dimension concerns the technical feasibility of solar air-conditioning system using energy and economic indicators taking into account the combined effects of climates, building categories and cooling demands under Moroccan conditions. The third aspect presents the latent thermal energy storage using Phase Change Materials (PCMs). It concerns the investigation of numerical methods used in the modeling of phase change phenomena and also focuses on PCMs addition in the solar cooling process integrated inside solar storage tank connected to the generator of the absorption chiller to evaluate the possible enhancement in the system efficiency. The fourth aspect of this thesis outlines the technico-economic and sensitivity analysis applied to the development of a combined processes of solar DHW, heating and air-conditioning in Morocco. The overall analysis via a generalization of the results to the national level was carried out in addition to a sensitivity analysis related to the investment in these systems in order to assess the potential of replacing traditional technologies with the solar systems and the possible earnings related to their implementation in Morocco.