L'assainissement non collectif concerne 12 à 15 millions de personnes en France. La filière classique de ce mode d’assainissement se compose généralement d'un prétraitement anaérobie par une fosse septique recevant l’ensemble des eaux usées domestiques suivi d’un système d’infiltration dans le sol ou d’un filtre à sable. Le filtre à sable vertical drainé met à profit le pourvoir épuratoire qui est principalement lié à la présence d’une biomasse sous forme d’un biofilm. Cette dynamique de la croissance de la biomasse ou du biofilm est soumise à l’impact de la nature de matériaux filtrants. L’écoulement insaturé dans ces systèmes conditionne également cette croissance du biofilm. Dans ce contexte, l'objectif du travail de la thèse est d’appréhender les mécanismes mis en jeu et particulièrement l’impact des matériaux dans le fonctionnement des filtres en comparant notamment deux types de matériaux: les sables de rivière et les agrégats concassés. Pour cela, une étude expérimental sur une unité pilote composé des réacteurs de filtration du diamètre de 30cm et différents épaisseurs de garnissage (15, 30 et 70cm) a été construite. Les réacteurs garnis de deux sables roulés et deux agrégats concassés, sont alimentés en effluent septique avec une charge volumique 12cm/jour par 10 bâchés par jour. Suite des matériaux, une étude de la performance épuratoire avec le suivi des composants biochimiques de la biomasse totale et de la matrice extracellulaire du biofilm est réalisée en comparant notamment les deux types de matériaux filtrants. / The onsite wastewater treatment systems concern 12 to 15 million of people in France. The treatment plant is generally composed by a septic tank as pretreatment, followed by soil infiltration field or sand filtration bed. The vertical drained sand filter provides the purification capacity thanks to the presence of a biomass in form of the biofilm. The dynamic of the biomass growth or the biofilm development is under the impact of filter materials’ nature. In this context, the objective of this work is to understand the mechanisms involved and especially the impact of medium in the functioning of the filtration reactor by comparing two types of packing materials: river sands and crushed aggregates. For this purpose, an experimental study is conducted with pilot unity composed by filtration reactors of 30cm of diameter and different packing thicknesses (15, 30 and 70cm). The reactors packed with two river sands and two crushed aggregates are fed with septic effluent with a volumic hydraulic charge of 12cm/day by 10 batches per day. Based on a characterization of materials, a study of purification performance with biochemical components monitoring of the total biomass and the extracellular matrix of the biofilm is realized by comparing two types of filter materials. The purification performance has presented similar efficiencies of particulates and organic matters removals by fine river sand and fine crushed aggregate. The nitrogen pollutants removals are more effective in the fine river sand which presents the finest granulometry with an alternative of aerobic and anoxic phases along the reactor depth and with a biomass more abundant. The distribution and the quality of the total biomass and the extracellular matrix differentiate between the river sand and the crushed aggregates. As the reference material, the fine river sand presented an earlier stabilization of total biomass growth with a less important production of extracellular exudates compared to the crushed aggregates. The origin of impacts brought by the crushed aggregates might be due to the higher fine particles content which created microenvironments poor in substrates or in oxygen and also due to a more heterogeneous mineralogy. The extracellular components of highest percentage in the biofilm of crushed aggregate are polysaccharides type substances.

Předkládaná práce je zaměřena na numerické modelování spalování tuhých paliv na roštu metodami výpočtové dynamiky tekutin (CFD). Jelikož výsledky CFD simulací roštového spalování závisí na kvalitě vstupních dat, která zahrnují i údaje o teplotě, hmotnostním toku a chemickém složení spalin vystupujících z lože, pozornost je věnována především procesům, probíhajícím v loži během spalování na roštu. Velká část práce je věnována vývoji spolehlivého modelu spalování v sypaných ložích, jelikož může napomoci zkvalitnit výsledky simulací i rozšířit znalosti principů spalování tuhých paliv v sypaných ložích. V rámci práce byl vyvinut jednorozměrný nestacionární model spalování v experimentálním reaktoru a implementován do počítačového programu GRATECAL 1.3 včetně grafického uživatelského rozhraní. Zvláštní důraz byl kladen na konzervativnost modelu. Proto byla vyvinuta metoda pro kontrolu hmotnostní a energetické bilance systému a následně aplikována v řadě studií, v rámci nichž byly odhaleny některé chyby týkající se definic zdrojových členů, které byly převzaty z literatury a opraveny. Pomocí modelu byla provedena analýza šíření čela sušení a reakce hoření koksu po výšce lože pšeničné slámy. Na základě výsledků těchto analýz bylo doporučeno zahrnout i modelování změny porozity částic paliva, aby šířka reakční zóny byla predikována korektně v případě, že je uvažována změna porozity celého lože. Rovněž vyvinutá bilanční metoda byla použita k analýze vlivu kritérií konvergence na hmotnostní a energetickou nerovnováhu simulovaného systému. Bylo zjištěno, že škálovaná rezidua rovnic všech veličin by měla poklesnout aspoň na hodnotu $10^{-6}$, aby bylo dosaženo nízké hmotnostní a energetické nerovnováhy a tudíž uspokojivě přesných výsledků ze simulací v loži. Druhá část práce je věnována vývoji a implementaci knihovny uživatelem definovaných funkcí pro komerční CFD nástroj ANSYS FLUENT, které slouží k propojení modelu lože s modelem komory reálné spalovací jednotky, aby byla umožněna dynamická změna okrajových podmínek na vstupu do komory v závislosti na výstupech ze simulací v loži. Vytvořené rozhraní pro propojení těchto dvou modelů je dostatečně obecné pro aplikaci na širokou škálu modelů roštových kotlů. Popsané výsledky přispívají k lepšímu porozumění numerickému modelování spalování na roštu, a to zejména ve fázi sestavování numerického modelu a nastavení parametrů řešiče pro kontrolu konvergence.

This thesis explores the heat transfer characteristics of a packed bed thermal energy storage device through the development of a 3D model in COMSOL Multiphysics. The model is based on a laboratory-scale device consisting of an aluminum box filled with sand, which acts as the thermal storage medium. The medium is heated using two resistance heaters that are embedded into the sand. The heaters are raised to approximately 500°C during the experiment. Three thermocouples placed in the sand record the temperature during charging, thus generating a time-dependent temperature curve at three points. The model simulates this experimental system, and the resulting temperature distribution is compared to the experimental data to assess the model validity. To determine the temperature throughout the storage system at all times, the model solves the heat equation. The density and heat capacity of the sand are measured and added to the model. The model uses the effective medium technique to estimate the thermal conductivity of the sand. A secondary model is developed in Excel to calculate the effective thermal conductivity using twelve different correlations, and the results are compared. The Zehner-Bauer correlation with an added Damköhler radiation term predicted an effective thermal conductivity of 0.218 W/(m·K) at 25°C and 0.451 W/(m·K) at 500°C, with slightly exponential growth due to the influence of thermal radiation. When these values for conductivity are applied to the COMSOL model, there is strong agreement (average percent error < 5%) with the experimental temperature distributions. A parametric study is performed, and shows that increasing grain size and emissivity could increase the thermal conductivity by making use of the exponential growth of thermal radiation. The model serves as a design and learning tool, and a starting point for improving the performance of the thermal energy storage system. / Detta examensarbete undersöker värmeöverföringsegenskaperna hos en termisk energilagringsenhet med packad bädd genom utveckling av en 3D-modell i COMSOL Multiphysics. Modellen är baserad på en enhet i laboratorieskala som består av en aluminiumlåda fylld med sand, som fungerar som det termiska lagringsmediet. Mediet värms upp med hjälp av två motståndsvärmare som är inbäddade i sanden. Värmeelementen höjs till ca 500°C under experimentet. Tre termoelement placerade i sanden registrerar temperaturen under laddningen och genererar på så sätt en tidsberoende temperaturkurva i tre punkter. Modellen simulerar detta experimentella system, och den resulterande temperaturfördelningen jämförs med experimentella data för att bedöma modellens giltighet. För att bestämma temperaturen i hela lagringssystemet vid alla tidpunkter löser modellen värmeekvationen. Sandens densitet och värmekapacitet mäts och läggs till i modellen. Modellen använder den effektiva mediumtekniken för att uppskatta sandens värmeledningsförmåga. En sekundär modell utvecklas i Excel för att beräkna den effektiva värmeledningsförmågan med hjälp av tolv olika korrelationer, och resultaten jämförs. Zehner-Bauer korrelationen med en tillagd Damköhler strålningsterm förutsade en effektiv värmeledningsförmåga på 0,218 W/(m·K) vid 25°C och 0,451 W/(m·K) vid 500°C, med en något exponentiell tillväxt på grund av påverkan från värmestrålning. När dessa värden för konduktivitet tillämpas på COMSOL-modellen finns det en stark överensstämmelse (genomsnittligt procentuellt fel < 5%) med de experimentella temperaturfördelningarna. En parametrisk studie har utförts som visar att ökad kornstorlek ock emissivitet kan öka värmeledningsförmågan genom att utnyttja den exponentiella tillväxten av värmestrålning. Modellen fungerar som ett design- och inlärningsverktyg och som en utgångspunkt för att förbättra prestandan hos det termiska energilagringssystemet.

Les travaux présentés dans ce manuscrit de doctorat s'inscrivent dans la thématique du stockage inter-saisonnier de l'énergie solaire thermique pour l'habitat et le tertiaire (eau chaude sanitaire et chauffage). Le stockage thermochimique en air humide est une des solutions les plus prometteuses, en particulier avec un réacteur à lit fixe. Le bromure de strontium et l'alun de potassium ont été sélectionnés comme réactifs pour leurs caractéristiques énergétiques lors de réactions d'hydratation et de déshydratation. L'étude est constituée d'avancées théoriques, de nombreuses expérimentations et d'un modèle numérique détaillé. Une étude thermodynamique a démontré l'existence d'une droite de charge qui relie les conditions d'entrée et de sortie de l'air humide au passage du réactif. Les équations régissant les réactions chimiques, les transferts massiques et thermiques et la conservation de la quantité de mouvement ont été établies et un modèle numérique monodimensionnel couplant ces phénomènes a été développé. Des essais sur différents échantillons des deux sels et pour divers conditions opératoires ont été effectués dans le but de comprendre les phénomènes physico-chimiques ainsi que pour valider l'étude théorique et le modèle numérique. / This PhD thesis focuses on seasonal solar thermal energy storage for household applications such as production of heat and domestic hot water. Thermochemical storage was chosen for that purpose. The specific solid/gas reactions with water vapor, also called hydration/dehydration reactions, were used with a multi-scale global approach. The level of the reactor was identified as the critical level of that multi-scale approach. As a consequence, the integrated fixed-bed reactor technology in a moist air open loop system was adopted. A theoretical, experimental and numerical methodology was used for the study where strontium bromide and potassium alum salts were chosen as reactive materials. The corresponding reactions are: + 5 (H2O) ↔ (with Δhr=67.4 kJ/molwater and Δsr=175 J/K.molwater) + 9 (H2O) ↔ < KAl(SO4)2.12H2O > (with Δhr=44.2 kJ/molwater and Δsr=109.8 J/K.molwater) The first salt exhibits very good thermochemical properties. On the other hand, the main advantages of potassium alum are its low cost and the fact that it presents no sanitary risk. More than 30 cycles with 3 different samples of potassium alum and more than 25 cycles with 4 samples of strontium bromide under various stationary and dynamic operating conditions were carried out in order to understand the phenomena. The main experimental results were the following ones: • A very good stability and reproducibility of physical and chemical phenomena was observed for both materials. • A thermal reaction front was also observed. • A thermal hysteresis for both salts was found. • Based on that last observation a theoretical equation named charge-discharge line was developed. Experimental results with both salts validate the charge-discharge line theory. • A correlation between reaction kinetics, temperature rise due to the reaction, power of the reaction and the operating conditions was observed. The criterion for that correlation is the affinity of the reaction. A proportional correlation between affinity and reaction kinetics, temperature rise and power of the reaction was observed. • Spontaneous hydration and over-hydration reactions do not produce any particular difficulties or problems. • Pressure drop through the reactor and evolution of salts volume were also measured. Experimental energy density was measured in the range of 350 kWh/m3 for strontium bromide and 240 kWh/m3 for the potassium alum. • In general, strontium bromide is a very good candidate material for seasonal storage, while potassium alum cannot provide satisfying temperature rise and power. The equations governing those phenomena were also established and used to develop a 1D numerical model with partial differential equations coupling chemical phenomena, mass and thermal transfer phenomena and momentum conservation. Verification, validation and confirmation of this model under a very large range of operating conditions were carried out based on the experimental results of strontium bromide. A total of 19 different test cases were studied in order to validate the numerical model. The effect of humidity, temperature, quantity of reactive material and air flow were studied both for stationary and dynamic conditions. The numerical model was able to provide very satisfying results.