A counter current annular flow experiment was performed to determine flooding conditions for varying degrees of subcooling using steam and water. The findings can be used in reactor safety codes to provide an improved model of flooding during accident analysis. The test section is a stainless steel tube which is approximately a 5/16 scale version of a pressurized water reactor (PWR) surge line. The water flows in an annular film down the inside of the tube and steam flows upward through the annulus. Flooding is the point at which the water film reverses direction and begins to travel upward. Flooding tests were conducted at atmospheric pressure for water flow rates between 3.5 gallons per minute (GPM) and 11 GPM and water inlet temperatures between 35 degrees C and 97 degrees C. The data obtained at high water subcooling indicate a significant departure from accepted flooding correlations developed for air-water systems which is expected because vapor condensation alters the steam inlet flow rate needed to induce flooding. The data more closely follow air-water data at low subcooling. Such data has not been seen in the literature for steam-water flooding experiments in a large diameter vertical tube and will serve as an important benchmark.

<p> An experimental investigation is reported for water boiling at atmospheric pressure on a copper surface. Bubble nucleation at an artificial site was observed for five heat fluxes between 11,000 and 20,000 BTU/Hr Ft^2, and subcooling from 0° to about 30°F. Using Wiebe's correlation for heat flux and superheat layer thickness, four mathematical models were tested. The measured results are found to provide excellent agreement with the Han and Griffith model for bubble nucleation.</p> / Thesis / Master of Engineering (MEngr)

Regarding the great importance of fast cooling in steel industry for the production processes, a deep understanding of heat transfer and fluid dynamics must be held. A steel plate is heated up until a maximum temperature of 700 ⁰ C to be the n cooled down seconds later by a configuration of multi ple impinging water jets. Different flow rates are used simultaneously by different adjacent jets to perform quenching over the sample, so different hardness is obtained in the material over a small area . Temperature drop in time i s measured and monitored by embedded thermocouples and LabVIEW program. To achieve greater understanding of the quenching performance with different flow rates , several parameters are selected to be varied in order to achieve the best working conditions. Jet diameter takes values between 4 and 10 mm, initial temperature of quenching varies from 400 to 700 ⁰ C , subcooling temperature is tested for 65 and 75 K, and jet velocity varies between 1.9 and 3.9 m/s. The result of total number of 9 expe riments shown that v ariation of jet diam eter does not influence substantially on the cooling rate if flow rate is kept constant. High initial quenching temperature (600 - 700 ⁰ C ) led to slightly higher cooling rate in the stagnation region of water jets. The peak value of heat transfer rate in the upwash flow zone was more highlighted for initial quenching temperature 600 ⁰ C and below it. High er values of subcooling and jet velocity produce better cooling rates. The result shown higher jet velocity at one column of water jets changes position of upw ash flow slightly toward the adjacent column of jets with lower jet velocity. In general, the result shown that all the studied parameters did not have negative effect on obtaining various cooling rates over the steel plate.

Parametric performance analyses and comparison of a basic geothermal heat pump, a heat pump cycle with motor cooling/refrigerant preheating, and a heat pump cycle utilizing an economizer with respect to first law is conducted through simulation. Changing compressor, pump, and motor efficiency, along with condenser pressure, evaporator pressure, degree of subcooling at the condenser exit and degree of superheating at the evaporator exit is investigated. Economizer arrangements yield the highest coefficient of performance and resilience to change in COP with variation in evaporator pressure, and degree of superheating and subcooling. The basic vapor compression and motor cooling/refrigerant preheating systems have the lowest COP throughout and greatest resilience to variation in compressor efficiency, motor efficiency and condenser pressure. Motor cooling/refrigerant preheating and economizers have advantages over basic vapor compression cycles. Motor cooling reduces ground loop heat exchanger length with similar COP, and economizers allow for an increase in COP compared to the basic cycle. / UOIT

Heat pumps have been identified as an efficient alternative to traditional boilers for the production of sanitary hot water (SHW). The high water temperature lift (usually from 10ºC to 60ºC) involved in this application has conditioned the type of used solutions. On the one hand, transcritical cycles have been considered as one of the most suitable solutions to overcome the high water temperature lift. Nevertheless, the performance of the transcritical CO2 heat pump is quite dependent on the water inlet temperature, which in many cases is above 10ºC. Furthermore, performance highly depends on the rejection pressure, which needs to be controlled to work at the optimum point in any condition. On the other hand, for the subcritical systems, subcooling seems to be critical for the heat pump performance when working at high temperature lifts, but there is not any published work that optimizes subcooling in the SHW application for these systems. Therefore, the subcritical cycle should require a systematic study on the subcooling that optimizes COP depending on the external conditions, in the same way as it has been done for the rejection pressure in the transcritical cycle. The aim of this thesis is to investigate the role of subcooling in the performance of a Propane water-to-water heat pump for SHW production, in the application of heat recovery from any water source. Two different approaches to overcome the high degree of subcooling were designed and built to test them in the laboratory: 1) Subcooling is made at the condenser: The active refrigerant charge of the system is controlled by a throttling valve. Subcooling is controlled independently at any external condition. 2) Subcooling is made in a separate heat exchanger, the subcooler. Subcooling is not controlled, it depends on the external condition and the heat transfer at the subcooler. The heat pumps were tested at different water temperatures at the evaporator inlet (10ºC to 35ºC) and condenser inlet (10ºC to 55ºC), while the water production temperature was usually fixed to 60¿C. The obtained results have shown that COP depends strongly on subcooling. In the nominal condition (20¿C/15¿C for the inlet/outlet water temperature at the evaporator and 10ºC/60ºC for the inlet/outlet water temperature in the heat sink), the optimum subcooling was about 43 K with a heating COP of 5.61, which is about 31% higher than the same cycle working without subcooling. Furthermore, the system with subcooling has been proved experimentally as being capable of producing water up to 90¿C and has shown a higher COP than some CO2 commercial products (catalog data reference). / Las bombas de calor han sido identificadas como una alternativa eficaz a las calderas tradicionales para la producción de agua caliente sanitaria (ACS). El elevado salto de temperatura del agua que normalmente tiene lugar en esta aplicación (por lo general de 10ºC a 60ºC) ha condicionado el tipo de soluciones que se utilizan. Por un lado, los ciclos transcríticos han sido considerados como una de las mejores soluciones para trabajar con los elevados saltos de temperatura del agua. Sin embargo, el rendimiento de la bomba de calor transcrítica con CO2 es bastante dependiente de la temperatura de entrada del agua, que en muchos casos está por encima de los 10¿C. Además, el rendimiento depende en gran medida de la presión de descarga, la cual necesita ser controlada con el fin de trabajar en el punto óptimo en cualquier condición externa. Por otra parte, para los sistemas subcríticos, el subenfriamiento parece ser crítico para el buen funcionamiento de la bomba de calor cuando se trabaja con elevados saltos de temperatura del agua, pero no hay ningún trabajo publicado en el que optimicen el subenfriamiento para la aplicación de ACS en estos sistemas. Por lo tanto, los sistemas subcríticos requieren de un estudio sistemático para buscar el subcooling óptimo y maximizar el COP en función de las condiciones externas, de la misma forma que se ha hecho para la presión de descarga en los ciclos transcríticos. El objetivo de esta tesis es investigar el papel del subenfriamiento en el rendimiento de una bomba de calor trabajando con Propano para la producción de ACS, en la aplicación de recuperación de calor de cualquier fuente de agua (agua- agua). Dos enfoques diferentes para superar el alto grado de subenfriamiento fueron diseñados y construidos para ponerlos a prueba en el laboratorio: 1) El subenfriamiento se hace en el condensador: La carga activa de refrigerante del sistema se controla con una válvula de estrangulación. De esta manera, el subenfriamiento puede ser controlado de forma independiente a cualquier condición externa. 2) El subenfriamiento se hace en un intercambiador de calor separado, el subenfriadador. El subenfriamiento no se controla, este depende de la condición externa y de la transferencia de calor en el subenfriadador. Las bombas de calor se ensayaron a diferentes temperaturas del agua a la entrada del evaporador (10ºC a 35ºC) y entrada del condensador (10ºC a 55ºC), mientras que la temperatura de producción de agua, normalmente, se fija a 60¿C. Los resultados obtenidos han demostrado que el COP depende mucho del subenfriamiento. En las condiciones nominales (20ºC/15ºC para la temperatura del agua de entrada/salida en el evaporador y 10ºC/60ºC para la temperatura del agua de entrada/salida en el condensador), el subenfriamiento óptimo fue aproximadamente de 43 K con un COP de calentamiento de 5,61, que es alrededor del 31% más alto que el mismo ciclo trabajando sin subenfriamiento. Además, el sistema con subenfriamiento ha probado de forma experimental, que es capaz de producir agua hasta los 90ºC, y ha mostrado un COP más alto que algunos productos comerciales que trabajan con CO2 (datos de referencia del catálogo). / Les bombes de calor han estat identificades com una alternativa eficaç a les calderes tradicionals per a la producció d'aigua calenta sanitària (ACS). L'elevat salt de temperatura de l'aigua que normalment té lloc en aquesta aplicació (en general de 10ºC a 60ºC) ha condicionat el tipus de solucions que s'utilitzen. Per una banda, els cicles transcrítics s'han considerat com una de les millors solucions per tal de treballar amb els elevats salts de temperatura de l'aigua. No obstant això, el rendiment de la bomba de calor transcrítica amb CO2 és bastant dependent de la temperatura d'entrada de l'aigua, que en molts casos està per damunt de 10¿C. A més, el rendiment depèn en gran mesura de la pressió de descarrega, la qual necessita ser controlada per tal de treballar en el punt òptim a qualsevol condició externa. Per altra banda, per als sistemes subcrítics, el sub-refredament sembla ser crític per al funcionament de la bomba de calor quan es treballa amb elevats salts de temperatura de l'aigua, però no hi ha cap treball publicat en el qual optimitzen el sub-refredament per a l'aplicació d'ACS en aquests sistemes. Per tant, els sistemes subcrítics requereixen d'un estudi sistemàtic per tal de buscar el subcooling òptim i maximitzar el COP en funció de les condicions externes, en la mateixa forma que s'ha fet per la pressió de descarrega en els cicles transcrítics. L'objectiu d'aquesta tesi és investigar el paper del sub-refredament en el rendiment d'una bomba de calor treballant amb Propà per a la producció d'ACS, en l'aplicació de recuperació de calor de qualsevol font d'aigua (aigua-aigua). Dos enfocaments diferents per tal de superar l'alt grau de sub-refredament van ser dissenyats i construïts per posar-los a prova en el laboratori: 1) El sub-refredament es fa en el condensador: La càrrega activa de refrigerant del sistema es controla amb una vàlvula d'estrangulació. D'aquesta manera, el sub-refredament pot ser controlat de forma independent en qualsevol condició externa. 2) El sub-refredament es fa en un intercanviador de calor separat, el sub-refredador. El sub-refredament no es controla, este depèn de la condició externa i de la transferència de calor al sub-refredador. Les bombes de calor es van assajar a diferents temperatures de l'aigua a l'entrada de l'evaporador (10ºC a 35ºC) i a l'entrada del condensador (10ºC a 55ºC), mentre que la temperatura de producció d'aigua, normalment, es fixa a 60¿C. Els resultats obtinguts han demostrat que el COP depèn molt del sub-refredament. En les condicions nominals (20ºC/15ºC per a la temperatura de l'aigua d'entrada/eixida a l'evaporador i 10ºC/60ºC per a la temperatura de l'aigua d'entrada/eixida en el condensador), el sub-refredament òptim és aproximadament de 43 K amb un COP d'escalfament de 5,61, que és al voltant del 31% més alt que el mateix cicle treballant sense sub-refredament. A més, el sistema amb sub-refredament ha provat de forma experimental, que és capaç de produir aigua fins als 90ºC, i ha mostrat un COP més alt que alguns productes comercials que treballen amb CO2 (dades de referència del catàleg). / Pitarch I Mocholí, M. (2017). High capacity heat pump development for sanitary hot water production [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/81858 / TESIS

[ES] Un porcentaje significativo de la energía se destina a la producción de Agua Caliente Sanitaria (ACS) en el sector comercial y residencial. Además, la mayor parte de la energía que contiene el agua se desperdicia en el ambiente tras su uso. Las bombas de calor han sido identificadas por su capacidad de producir ACS con una alta eficiencia y son una gran alternativa hacia la descarbonización de las ciudades. Además, son capaces de utilizar como fuente de calor, el calor contenido en el agua que actualmente se desperdicia. Sin embargo, la aplicación del uso de bombas de calor para ACS recuperando el calor de las aguas residuales presenta unas características diferentes a las usuales en bombas de calor. Por tanto, es necesario un análisis del problema más profundo y se require mayor investigación al respecto con el fin de lograr un desarrollo eficiente de la misma: 1. Un diseño de bomba de calor capaz de operar con alta eficiencia ante los grandes saltos de temperatura que tienen lugar en esta aplicación (ACS). 2. Un diseño de bomba de calor capaz de operar con alta eficiencia ante saltos de temperatura del fluido secundario variables (recuperación de calor). 3. La integración de esta bomba de calor en un sistema de ACS completo (estrategias de recuperación de calor, componentes, tamaño y estrategia de control). Normalmente, los ciclos transcríticos han sido considerados como una de las mejores soluciones para la producción de ACS (donde se tienen grandes saltos de temperatura en el agua, 10-60°C). Sin embargo, este tipo de ciclo presenta dos desventajas principales, la necesidad de altas presiones en la instalación y la dependencia de la eficiencia con el salto de temperatura del agua en el condensador. Sin embargo, los ciclos subcríticos han demostrado un gran potencial para saltos de temperatura del agua variables si se aplica un control del subenfriamiento adecuado. El objetivo de esta tesis es investigar la bomba de calor agua-agua más eficiente trabajando con un ciclo de refrigerante subcrítico para la producción de ACS utilizando como fuente de calor el calor disponible en las aguas residuales (a baja-media temperatura) para determinar el sistema más eficiente para este tipo de aplicación. El trabajo se divide en dos partes diferenciadas: ¿ Diseño de la bomba de calor El desarrollo de la bomba de calor es una continuación del trabajo realizado en la tesis de M. Pitarch [1]. En dicha tesis, se investigó el papel del subenfriamiento en una bomba de calor subcrítica para la apliación de ACS. Se desarrolló un prototipo de bomba de calor con el diseño de dos configuraciones distintas en función del modo en el que se realizaba el subenfriamiento. Los resultados permitieron concluir que este tipo de bombas de calor (subcríticas) eran capaces de operar con eficiencias similares a las de las bombas de calor basadas en ciclos transcríticos si se opera con un grado de subenfriamiento óptimo. Sin embargo, en ambas configuraciones se requiere un componente más que en las bombas de calor convencionales. En esta tesis, se ha realizado un estudio y análisis teórico de la bomba de calor. Se ha desarrollado e implementado una estrategia de control para el subenfriamiento y se ha construído el prototipo de bomba de calor propuesto en [1]. De todo este trabajo se ha obtenido el diseño de bomba de calor basada en ciclos subcríticos más interesante para este tipo de aplicaciones. ¿ Diseño e integración de la Bomba de Calor y el sistema de ACS La integración del prototipo seleccionado en un sistema para la producción de ACS con recuperación del calor de las aguas residuales ha sido analizada.El sistema más simple y eficiente necesario para este tipo de aplicaciones (producción de ACS con recuperación de calor de las aguas grises) se compone de un intercambiador de calor (recuperador), una bomba de calor con subenfriamiento optimizado y dos depósitos de almacenamiento. / [CAT] Un percentatge significatiu de l'energia es destina a la producció d'Aigua Calenta Sanitària (ACS) en el sector comercial i residencial. A més, la major part de l'energia que conté l'aigua es malgasta en l'ambient després del seu ús. Les bombes de calor han sigut identificades per la seua capacitat de produir ACS amb una alta eficiència i són una gran alternativa cap a la descarbonització de les ciutats. A més, són capaços d'utilitzar com a font de calor, el calor contingut en l'aigua que actualment es desaprofita. Contribuint així, a aconseguir un sector energètic més respectuós amb el Medi Ambient. No obstant això, l'aplicació de l'ús de bombes de calor per a ACS recuperant el calor de les aigües residuals presenta unes característiques diferents de les usuals en bombes de calor. Per tant, és necessari una anàlisi del problema més profund i es requereix una major investigació al respecte amb la finalitat d'aconseguir una alta eficiència: 1.Un disseny de bomba de calor capaç d'operar amb alta eficiència davant dels grans salts de temperatura presents en aquesta aplicació (ACS). 2.Un disseny de bomba de calor capaç d'operar amb alta eficiència davant de salts de temperatura del fluid secundari variables (recuperació de calor). 3.La integració d'aquesta bomba de calor en un sistema d'ACS complet (estratègies de recuperació de calor, components, grandària i estratègia de control). Normalment, els cicles transcrítics han sigut considerats com una de les millors solucions per a la producció d'ACS (on es tenen grans salts de temperatura en l'aigua, 10-60°C). No obstant això, aquest tipus de cicle presenta dos desavantatges principals, la necessitat d'altes pressions en la instal·lació i la dependència de l'eficiència amb el salt de temperatura de l'aigua en el condensador i evaporador. L'objectiu d'aquesta tesi és investigar la bomba de calor aigua-aigua més eficient treballant amb un cicle de refrigerant subcrític per a la producció d'ACS utilitzant com a font de calor el calor disponible en les aigües residuals (a baixa-mitja temperatura) per a determinar el sistema més eficient en aquest tipus d'aplicació. El treball es dividix en: ¿ Disseny de la bomba de calor El desenvolupament de la bomba de calor és una continuació del treball realitzat en la tesi de M. Pitarch [1]. En aquella tesi, es va investigar el paper del subrefredament en una bomba de calor subcrítica per a l'apliació d'ACS. Es va desenvolupar un prototip de bomba de calor amb el disseny de dues configuracions distintes en funció de la manera en què es realitzava el subrefredament. Els resultats van permetre concloure que aquests tipus de bombes de calor (subcrítiques) eren capaços d'operar amb eficiències semblants a les de les bombes de calor basades en cicles transcrítics si s'opera amb un grau de subrefredament òptim. No obstant això, en ambdues configuracions es requereix un component més que en les bombes de calor convencionals. En la present tesi, es va realitzar un estudi i anàlisi teòric de la bomba de calor. Es va desenvolupar i implementar una estratègia de control per al subrefredament i es va construir el prototip de bomba de calor proposat en [1]. De tot aquest treball s'ha obtingut el disseny de bomba de calor basada en cicles subcrítics més interessant per aquest tipus d'aplicacions. ¿Disseny i integració de la Bomba de Calor i el sistema d'ACS La integració del prototip seleccionat en un sistema per a la producció d'ACS amb recuperació de el calor de el calor de les aigües residuals ha sigut analitzada.El sistema més simple i eficient necessari per a aquest tipus d'aplicacions (producció d'ACS amb recuperació de calor provinent d'aigües grisas) està compost per un bescanviador de calor (recuperador), una bomba subrefredada i dos depòsits d'emmagatzemament. / [EN] A significant percentage of energy is destined to produce Domestic Hot Water (DHW) within the building sector. Furthermore, most of that energy contained in the water is wasted to the ambient after its use. Heat pumps have been clearly identified as an efficient technology for DHW production, and as a main vector towards future de-carbonization of cities. In addition, they could use the heat from the wastewater as a heat source. Thus, contributing in two ways towards a more environmentally friendly energetic sector. However, the use of heat pumps for DHW recovering heat from wastewater faces several challenges that require further analysis and development: 1. A heat pump design capable to operate with high performance when variable secondary temperature lifts at the heat sink take place. 2. A heat pump design capable to operate with high performance when variable secondary temperature lifts at the heat source take place. 3. The integration of the heat pump within a system (heat recovery strategies, components, sizing, operation strategy). Usually, transcritical cycles have been considered the most suitable cycle for DHW production (high temperature lifts of the heat sink, 10-60°C). However, this cycle involves several drawbacks as for instance the requirement of high pressures in the installation or a significant reduction of the performance with the increase of water inlet temperature at the condenser. Instead, subcritical cycles have demonstrated great potential for DHW applications if a proper control of subcooling is performed. The objective of this thesis is to investigate the most efficient water-to-water heat pump working with a subcritical cycle for DHW production using as a heat source wasted heat at medium-low temperature and to determine the most efficient system based on heat pumps for this application. The work is divided in two differentiated parts: ¿ Heat pump concept This development is a continuation from the PhD work of M. Pitarch [1]. In that PhD work, the role of the subcooling in the performance of a subcritical heat pump for DHW applications was investigated. Two different configurations of a heat pump prototype were designed based on the way subcooling was made. The results showed that a subcooling optimized subcritical heat pump was able to provide comparable performance than present HPs employing transcritical cycles. However, both configurations require one more component than usual heat pumps. Thus, a new prototype based only on the typical components (compressor, condenser, expansion valve and evaporator) was proposed as future work. In this thesis, a theoretic analysis of the heat pump was done. A subcooling control methodology was developed and tested. The proposed prototype in [1] has been built and characterized. From all the results, the most convenient heat pump design was obtained. ¿ Integral Heat pump-DHW system The integration of the most convenient heat pump prototype within a system for the DHW production based on heat recovery from wastewater has been analyzed. The research has included the development of a model of the entire system in Trnsys and the optimization of the main components of the system: their sizing and their operation with the objective of reaching the maximum global efficiency of the complete system. Due to the complexity of the problem, the analysis was performed in three main steps: first, a study of the direct heat exchange,second, an study focusing on the condenser side, that is, the consideration of an infinite heat source (large availability of sewage water for instance) and third, the focus was done on the evaporator side. That is, the optimization of the complete system in which a finite heat source is considered (grey waters collected from the building for instance). The simplest and most efficient system required in DHW production and heat recuperation from wastewater has been determined. / Esta tesis se enmarca dentro del proyecto “APROVECHAMIENTO DEL CALOR RESIDUAL A BAJA TEMPERATURA MEDIANTE BOMBAS DE CALOR PARA LA PRODUCCION DE AGUA CALIENTE” a través de una beca FPI del Ministerio de Economía y Competitividad. / Hervás Blasco, E. (2020). Aprovechamiento del calor residual a baja temperatura mediante bombas de calor para la producción de agua caliente [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/137776 / TESIS

Les mécanismes de formation et dissociation d’hydrates de cyclopentane (CP), qui forment á pression ambiante et á des températures entre 0ºC et 7ºC, ont été observés dans/sur/proche des gouttes d’eau immergées dans du CP á des échelles qui vont du micron jusqu’au millimètre. Plusieurs techniques d’observation ont été utilisées, telles que la macrophotographie et la microscopie optique en champ clair, par contraste interférentiel différentiel (CID), par fluorescence et par réflectance confocale. Des substrats hydrophiles et hydrophobes ont été utilisés. Dans une première série d’expériences, un procédé millifluidique simple a été mis au point. Il permet de générer, stocker et surveiller simultanément une centaine de gouttelettes de même volume (de l’ordre de μl), régulièrement espacées. Elles sont séparées par la phase ‘invité’ (CP) dans un tuyau en polymère fluoré (PFA) transparent. Chacune d’elles se comporte comme un réacteur indépendant. Une vision sur l’effet mémoire est obtenue en menant des mesures statistiques sur la nucléation des hydrates quand les gouttes d’eau sont refroidies au-dessous de 7°C. Cette méthode permet aussi de visualiser des événements dans des gouttes individuelles, tels que la naissance et la croissance de l’hydrate (surtout lorsqu’un additive tel qu’un inhibiteur est rajouté dans l’eau), ainsi que la formation d’une émulsion de CP dans l’eau pendant la dissociation de l’hydrate. Dans une deuxième série d’expériences, une seule goutte d’eau est posée ou pendue d’un substrat en verre et immergée dans du CP. Elle est observée par microscopie sous des séquences différentes de refroidissement – échauffement. Il a été observé que la cristallisation d’hydrates dépend fortement du sous-refroidissement. Deux nouveaux phénomènes ont été observés:(i) la propagation d’un « halo » d’hydrate le long de l’interface verre/CP depuis la ligne de contact de la goutte d’eau.(ii) cristallisation de l’hydrate dans une émulsion 2D de CP dans l’eau.Les deux types d’outils développés dans cette thèse ouvrent des nouvelles perspectives pour élucider les mécanismes de formation et dissociation d’hydrates en présence d’additives (promoteurs et inhibiteurs) et en présence d’un substrat minéral. Les applications comprennent les hydrates dans des environnements sédimentaires, séparation de gaz, etc. / The mechanisms of formation and dissociation of cyclopentane (CP) hydrates, which form at ambient pressure and temperatures between 0°C and 7°C, have been observed in/on/near water drops immersed in CP at scales ranging from a few nanometers to the millimeter by a variety of techniques including macrophotography and optical microscopy under various modes: bright field, differential interference contrast (DIC), fluorescence and confocal reflectance. The substrates used are either hydrophobic or hydrophilic. In a first series of experiments, a simple millifluidic method is implemented. It allows to generate, store and monitor at the same time almost a hundred of regularly-spaced water droplets of equal volume (in the µl range) separated by the guest (CP) phase in a transparent fluorinated polymeric (PFA) (hydrophobic) tubing, each droplet behaving as an independent reactor for hydrate crystallization. Insights into the ‘memory effect’ are gained by measuring the statistics of hydrate nucleation events in these reactors when chilling below 7°C the water drops. The method also allows the visualization of single-drop events such as hydrate birth and growth, and the formation of a CP-in-water emulsion upon hydrate melting, especially when an additive such as an inhibitor is added to the water. In a second series of experiments, a single water droplet in CP, either sitting or hanging from a glass substrate, is observed by microscopy under various cooling and heating sequences. Hydrate crystallization (nucleation and growth) is observed to strongly depend on subcooling at the water drop/CP interface. Two novel phenomena are visualized in detail:(i) the propagation, from the contact line of the water drop, of a hydrate halo along the glass/CP interface. (ii) hydrate crystallization in a two-dimensional CP-in-water emulsion.The two types of tools developed in this thesis open new perspectives for elucidating the mechanisms of hydrate formation and dissociation in presence of additives (promoters and inhibitors) and in the presence of a mineral substrate. Applications include hydrates in sedimentary environments, flow assurance, gas separation, etc.

This study aims to investigate variable flow and intermittent flow spray cooling characteristics for efficiency improvement in active two-phase thermal management systems. Variable flow spray cooling scheme requires control of pump input voltage (or speed), while intermittent flow spray cooling scheme requires control of solenoid valve duty cycle and frequency. Several testing scenarios representing dynamic heat load conditions are implemented to characterize the overall performance of variable flow and intermittent flow spray cooling cases in comparison with the reference, steady flow spray cooling case with constant flowrate, continuous spray cooling. Tests are conducted on a small-scale, closed loop spray cooling system featuring a pressure atomized spray nozzle. HFE-7100 dielectric liquid is selected as the working fluid. Two types of test samples are prepared on 10 mm x 10 mm x 2 mm copper substrates with matching size thick film resistors attached onto the opposite side, to generate heat and simulate high heat flux electronic devices. The test samples include: (i) plain, smooth surface, and (ii) microporous surface featuring 100 μm thick copper-based coating prepared by dual stage electroplating technique. Experimental conditions involve HFE-7100 at atmospheric pressure and 30°C and ~10°C subcooling. Steady flow spray cooling tests are conducted at flow rates of 2 - 5 ml/cm².s, by controlling the heat flux in increasing steps, and recording the corresponding steady-state temperatures to obtain cooling curves in the form of surface superheat vs. heat flux. Variable flow and intermittent flow spray cooling tests are done at selected flowrate and subcooling conditions to investigate the effects of dynamic flow conditions on maintaining the target surface temperatures defined based on reference steady flow spray cooling performance.

La thèse est centrée sur la modélisation de la physique du comportement d’un alliage binaire et l’implémentation du meilleur modèle mathématique pour simuler le changement de phase liquide solide en tenant compte de la vitesse de refroidissement, la vitesse de solidification, la ségrégation, la convection naturelle et la surfusion afin d’optimiser la capacité de stockage de chaleur d'un tel matériau. Dans le présent travail, les températures pour lesquelles le changement de phase s'opère sont estimées grâce aux diagrammes des phases et la méthodologie CALPHAD qui retraduisent les différentes phases d'un alliage binaire, y compris la transformation isotherme. Pour cela, la minimisation de l'énergie de Gibbs est résolue dans un code de calcul développé à cette occasion et aboutit à l'identification des phases stables du matériau. Pour un intervalle de température souhaite le code permet d'estimer rapidement la décharge de chaleur pour la composition de l'alliage sélectionné en équilibre ou hors équilibre. Dans la méthode proposée, la vitesse de refroidissement du système permet de calculer la vitesse de solidification. Puis,celle-ci établit la relation entre la cinétique globale et la macrostructure. Basé sur le modèle de non-équilibre local, qui dépend de la variation du coefficient de partition, le degré de surfusion est prédit à partir de la vitesse de refroidissement appliquée. Une étude bibliographique a été réalisée pour amener une comparaison numérique et assurer la capacité de notre méthode à reproduire le changement de phase, en incluant des phénomènes spécifiques tels que la surfusion et la recalescence. / Latent Heat Thermal Energy Storage (LHTES) shows high storage density compared to sensible thermal systems. For high temperature applications, the use of alloys as phase change materials presents many advantages. Principally, varying alloy composition allows controlling the storage\discharge of thermal energy through an expected temperature range (defined by the heat source), and the high thermal conductivity givessuitable heat transfer properties to the system that receives/supplies the energy. However, some systems need a specific temperature range to correctly operate. In such conditions, subcooling (also known as undercooling) and segregation are undesirable phenomena in alloys when they are used as PCM. In thepresent work, we propose a method to predict the latent heat release during phase transformation of a binaryalloy submitted to a controlled cooling rate, including subcooling, segregation and variation of composition.This thesis describes the physical models that apply when heat is released from such a material. We takeinto consideration the cooling rate applied to the PCM, the solidification velocity, convective phenomena,melting temperature and subcooling. In the present work, phase diagrams and the CALPHAD methodologyare used to determine the temperature range for phase change (or constant temperature value for isothermal transformation) by minimizing the Gibbs equilibrium energy. The Gibbs free energy minimization has been implemented in a homemade numerical code. The material can be screened with different compositions for equilibrium or off-equilibrium solidification allowing quick selection of the optimal material for the specific heatsource. In the proposed method, the solidification velocity is obtained from the cooling rate. Then, variationin microstructure is driven by the solidification velocity using the local non-equilibrium diffusion model. Based on the local nonequilibrium model that depends on the partition coefficient variation, the subcooling degree, wich is derived from the applied cooling rate is predicted. A bibliographic study has been carried out and anumerical comparison has been undertaken to ensure the capacity of our code to reproduce the phase change of various materials that include phenomena such as subcooling and recalescence. The results highlight that the cooling rate is one of the most important parameters in the performance of the thermal storage, having a large effect on segregation and subcooling degree. Moreover, we show the influence ofpartition coefficient on the time evolution of solid fraction, considering a constant or a composition-dependent value. We can conclude that the latent heat release can be correctly predicted provided that the method correctly predicts the phase diagram and the variable partition coefficient. This work helps to accelerate the design and development of thermal storage systems and lays the foundation to continue exploring other kinds of materials (e.g. paraffins).