Les transferts de chaleur constituent la base de nombreux processus industriels qui sont présents dans notre vie quotidienne. L’intensification de ces échanges et l’amélioration du rendement sont devenues aujourd’hui une problématique majeure dans le monde industriel, des organismes de réglementation mais aussi de la société dans son ensemble, qui prend conscience de l’épuisement progressif des ressources énergétiques et qui se soucie de l’avenir en matière énergétique. Face à ces enjeux énergétiques et environnementaux, Le défi technologique réside dans le développement de nouveaux processus pour une meilleure gestion de l’énergie. Ce travail de thèse s’inscrit dans ce cadre, et concerne particulièrement les problèmes liés à l’intensification des échanges thermiques dans les échangeurs de chaleur. Les améliorations des échanges thermiques dites ‘passives’ sont une voie déjà largement élaborée et atteignent leurs limites. De nouvelles stratégies d’optimisation doivent donc être étudiées. Une de ces stratégies consiste à améliorer les propriétés thermiques des fluides caloporteurs utilisés dans les systèmes thermiques, notamment dans les échangeurs de chaleur. Des progrès importants en chimie ont permis dès la fin des années 90 de synthétiser des particules de taille nanométrique, qui, dispersées dans un liquide porteur, constituent des nanofluides. Leur synthèse répond au besoin d’améliorer les propriétés thermiques des fluides caloporteurs en y insérant une phase solide de conductivité thermique très élevée. Le fil directeur de ce travail consiste donc à caractériser de manière approfondie le comportement thermique et rhéologique des nanofluides à base de nanotubes de carbone NTC utilisés tout au long de ce travail afin de quantifier les principaux paramètres influençant leurs propriétés thermo-physiques et les phénomènes physiques régissant l’intensification des transferts thermiques induits par ces nanofluides. Une analyse des travaux de recherche antérieurs a été menée dans le but de s’affranchir des différents paramètres qui peuvent influencer le comportement thermique et rhéologique des nanofluides dont on citera les paramètres liés à la composition des nanofluides (fraction volumique des NTC, type de surfactant, rapport d’aspect des NTC), la température, le fluide de base… Suite à cette étude, nous avons mené une étude expérimentale sur les propriétés thermo-physiques des nanofluides testés (conductivité thermique, viscosité dynamique, masse volumique) et sur les performances thermiques dans un échangeur de chaleur. Nous avons présenté également une analyse des résultats de façon à étudier l’influence des paramètres évoqués ci-dessus. Les résultats obtenus sont comparés et discutés vis-à-vis des modèles classiques existants, en proposant des améliorations et des interprétations selon les tendances obtenues. Les résultats prometteurs de cette étude sont très encourageants et montrent que l’utilisation des nanofluides à base de nanotubes de carbone offre clairement une amélioration des performances thermiques par rapport aux fluides de base classiques. Les nanofluides à base de NTC peuvent constituer ainsi un débouché prometteur des transferts thermiques et présentent de bonnes perspectives et développement. / Heat transfer is one of the most important industrial processes in our daily lives. Nowadays, the intensification of the heat transfer and the improving of the energy efficiency have become a major problem in industry, regulatory agencies, and also the society that becomes conscious of the progressive exhaustion of the world’s energy resources and cares about the future of energy. Due to these energy and environmental issues, the technological challenge is to develop new processes for better energy management. This work fits in that context and applies particularly the problems associated to the improvements of heat exchanger’s energy efficiency. The conventional methods for increasing the heat transfer in heat exchangers have already been extensively explored and have reached their objective limits. There is therefore an urgent need for new strategies with improved performances. The novel concept of improving the thermal properties of the working fluids used in thermal system, especially in heat exchangers, has been proposed as a means of meeting these challenges. The innovative concept of nanofluids heat transfer fluids consisting of suspended of nanoparticles with very high thermal conductivities has been proposed for these challenges. The aim of this work is therefore to characterize profoundly the thermal and the rheological behavior of nanofluids containing carbon nanotubes CNTs used throughout of this work. This is in order to quantify the main parameters influencing their thermophysical properties and physical phenomena governing the intensification of heat transfer induced by these nanofluids. An analysis of previous researches has been conducted for the purpose of establishing various parameters that may influence the thermal and rheological behavior of nanofluids, which including the parameters related to the composition of nanofluids (volume fraction of CNTs, type of surfactant, aspect ratio of CNTs), the temperature, the base fluid... Following this study, experiments have been carried out on the thermal physical properties of tested nanofluids (thermal conductivity, dynamic viscosity, density) and thermal performances in a heat exchanger. Analyses of the results have been presented in order to study the influence of the abovementioned parameters. The results obtained are compared and discussed vis-à-vis the existing conventional models, suggesting improvements and interpretations according to the trends obtained. The promising results of this study are very encouraging and show that the use of nanofluids containing carbon nanotubes clearly improved the thermal performances compared to the conventional base fluids. The CNT-based nanofluids can thus be a promising candidate for heat transfer and presents good perspective and development.

Les conditions environnementales jouent un rôle important dans la stabilité des massifs rocheux. De fait, les variations climatiques peuvent affecter la résistance du matériau et également augmenter les contraintes internes dans le massif. Cette thèse étudie les effets des cycles thermiques atmosphériques sur les roches, dans une approche expérimentale puis numérique. Cette recherche est centrée sur le cas de la falaise de La Roque Gageac, un village du sud-ouest de la France, situé au pied d'une falaise qui présente une caverne à mi-hauteur. Cette commune a été affectée par plusieurs éboulements. Les données issues de l'instrumentation du massif montrent que ces instabilités sont liées aux cycles thermiques. Afin d'isoler l'effet des cycles thermiques dans la roche calcaire de La Roque Gageac, un programme expérimental a été mis en place. Des échantillons ont été prélevés sur deux sites de la falaise (blocs éboulés à l'intérieur de la caverne et carottés dans la face de la falaise). Ces échantillons ont été soumis à des cycles thermiques entre 10ºC et 50ºC afin de simuler les conditions enregistrées sur le site. L'endommagement de la roche est évalué en laboratoire par le suivi de mesures de déformations, de vitesses de propagation d'ondes élastiques et par l'évolution de la résistance à la compression uniaxial. Une réduction de la vitesse de propagation des ondes élastiques de compression et de cisaillement ainsi que de la résistance à la compression du matériau sont observées. De la même façon, les échantillons enregistrent une accumulation de déformations. De plus, la réponse des échantillons est influencée par la composition minéralogique de la roche. Celle-ci est liée au lieu de prélèvement, le calcaire de la falaise montrant une importante hétérogénéité. Les résultats du programme expérimental ont permis la détermination des caractéristiques principales du phénomène d'endommagement thermique. Une loi de comportement modélisant l'effet des cycles thermiques sur la roche calcaire de La Roque Gageac d'un point de vue macroscopique a été proposée. À cette fin, une loi de comportement a été développée. Elle considère la roche comme un matériau composite constitué par de deux composantes, chacune dotée de sa propre loi de comportement thermo-mécanique. Le modèle a été ensuite implémenté dans le code Éléments Finis Code_bright et utilisé pour simuler les essais de laboratoire. Les résultats fournissent, d'une part, une validation du modèle par les mesures expérimentales et, d'autre part, des éléments pour une meilleure compréhension du développement des contraintes internes et de l'endommagement des échantillons pendant les cycles thermiques. / The environmental conditions may play a relevant role in the stability of rock slopes. In fact, weathering can contribute to the reduction of strength of the material, while hydro-mechanical loading actions may induce and eventually concentrate internal stresses in the rock massif. This Ph.D. thesis deals with the effect of atmospheric thermal cycles in rocks, from both experimental and numerical point of view. This research is focused on the real case of La Roque Gageac, a small town located in the south-west of France, which experiences rock fall risk. Installed instrumentation evidenced the main role played by thermal variations in rock falls occurrence. With the aim of isolating the effect of thermal cycles in the La Roque Gageac limestone, an experimental study is performed. Samples were obtained from blocks felt and intact cores drilled from the cliff face. These samples were submitted to thermal cycles between 10ºC and 50ºC, in order to mimic natural variations. The damage induced in the samples is evaluated through measurements of strains, elastic wave propagation velocities and uniaxial compressive strength. It is observed that samples experience an accumulation in strains and a reduction in the elastic wave propagation velocity and material strength during the imposition of thermal cycles. The response depends moreover on the mineralogical composition of the rock, which varies from sample to sample, as the cliff presents a large heterogeneity. Based on the results obtained in the experimental program, principal characteristics of thermal damage have been evaluated, proposing a constitutive model capable to reproduce the macroscopic mechanical response of the rock under the applied thermal cycles. With this purpose, a constitutive model has been developed. It considers the rock as a composite material made of two components endowed each with its own thermo-mechanical behavior. The model has been further implemented in the Finite element Code_Bright and used to model laboratory tests. Results provide, on the one hand, a validation of the model by the measurements and, on the other hand, insights into a better understanding of the development of internal stress and damage inside the samples during thermal cycles

Le développement de nombreuses applications nomades, souples, déformables et sur de larges surfaces nécessite la réalisation de circuits mécaniquement flexibles, intégrant des capacités d'intéraction avec l'environnement, de communication et de traitement du signal. Une part importante de ces applications proviennent actuellement de l'industrie de l'électronique organique, mais l'apparition de nouvelles méthodes de fabrication a permis la réalisation de dispositifs à la fois souples mécaniquement et électriquement performants. En outre, les techniques de report sur substrat souple présentent de nombreux avantages (flexibilité mécanique, conservation des propriétés originelles, intégration hétérogène possible). Lors de ces travaux, une procédure d'amincissement puis de transfert sur film souple (métal, verre) des composants CMOS initialement réalisés sur des tranches SOI (silicium sur isolant) a été développée. Cette solution permet la réalisation de transistors MOS flexibles et performants possédant des fréquences caractéristiques fT/fmax de 165/188 GHz. De plus, l'utilisation d'autres matériaux que le plastique permet de modifier les propriétés originelles d'un dispositif en termes de dissipations thermiques ou de distorsions harmoniques par exemple, afin d'en améliorer les performances. La réalisation de composants souples, performants et stables a donc été démontrée. / The ability to realize flexible circuits integrating sensing, signal processing, and communicating capabilities is of central importance for the development of numerous nomadic applications requiring foldable, stretchable and large area electronics. A large number of these applications currently rely on organic electronics, but new fabrication methods permitted to realize flexible mechanically and electrically efficient devices. Besides the transfert on flexible substrates offers many advantages (mechanical flexibility, preservation of original properties, possible heterogeneous integration). In this work, a solution has been developed, based on thinning and transfert onto flexible substrate (metal, glass) of high frequency (HF) CMOS devices initially patterned on conventional silicon-on-insulator (SOI) wafers. This transfer process first enables the fabrication of high performance electronics on metal, with n-MOSFETs featuring characteristic frequencies fT/fmax as high as 165/188 GHz. Secondly, the use of materials other than plastic permit to modify the original properties of a device in terms of thermal dissipation or harmonic distorsions for example, demonstrating flexibility, high performance and stability.

Cette thèse aborde la question de la modélisation des transferts thermiques dans les milieux poreux soumis à de hautes températures. Un modèle macroscopique hors équilibre thermique local entre phases est obtenu par changement d'échelle. Cette procédure tient compte à l'échelle locale du couplage entre rayonnement et autres modes de transfert. Le modèle de rayonnement repose sur l'équation de transfert radiatif généralisée (GRTE) et, à la limite courante d'un milieu macroscopiquement optiquement épais, sur la loi de Fourier radiative. L'originalité de cette procédure réside dans l'application de la méthode de prise de moyenne volumique (VAM) aux équations de bilan local, dans lesquelles les transferts radiatifs sont inclus. Cette homogénéisation couplée soulève trois difficultés : - les différents transferts sont de natures différentes. Le système matériel (site de transferts conductifs et convectifs) coexiste avec le champ des photons qui est homogénéisé par une méthode statistique reposant sur la caractérisation des propriétés radiatives au moyen de fonctions de distribution continûment définies sur le volume du milieu poreux. - les échelles de longueur mises en jeu dans la procédure de changement d'échelle doivent être compatibles entre elles. On établit que la séparation des échelles, requise par la prise de moyenne volumique, est compatible avec l'échelle de longueur caractéristique de l'homogénéisation statistique radiative, seulement limitée par la résolution d'une tomographie du milieu. - le phénomène d'émission dépend de la température de la matière. Cette température spécifique au calcul radiatif est obtenue en appliquant un opérateur de prise de moyenne à la température de la matière sur une échelle locale représentative. En pratique, c'est la résolution de cette prise de moyenne qui définit l'échelle des couplages locaux avec la méthode VAM. Le modèle macroscopique résultant est appliqué à la résolution d'un problème unidimensionnel et stationnaire. Dans ce cas simple, le rôle du couplage avec le rayonnement à l'échelle locale est mis en évidence.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Matériaux-Structure-Mécanique : Toulouse, INPT : 2004. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 192 réf.

Thèse doctorat : Automatique et Informatique appliquée : Nantes : 2008. / Bibliogr. f. 183-192. Index.

Thèse de doctorat : Thermique et énergétique : Ecully, Ecole centrale de Lyon : 2008. / Titre provenant de l'écran-titre. 67 références.

Thèse doctorat : Thermique et énergétique : Ecully, Ecole centrale de Lyon : 2008. / 67 références.

Thèse (Ph.D.)--Université Laval, 2004. / Titre de l'écran-titre (visionné le 29 novembre 2004). Bibliogr.

L'encrassement est défini comme la formation d'un dépôt sur les surfaces d'échange des échangeurs thermiques, créant une résistance supplémentaire aux transferts de chaleur dans ces dispositifs. Ces phénomènes, rencontrés dans de nombreux procédés industriels, nuisent aux récupérations d'énergie. Cette étude porte sur l'amélioration de l'efficacité énergétique des raffineries de pétrole par réduction de l'encrassement dans les échangeurs thermiques de train de préchauffe. Deux voies sont étudiées dans ces travaux: l'identification de paramètres opératoires optimums permettant de limiter la formation d'un dépôt encrassant dans les échangeurs actuellement en place en raffinerie et la recherche de technologies d'échangeurs retardant l'encrassement. Une boucle d'essais innovante, permettant de reproduire les niveaux de température, de pression et de débits rencontrés en fin de train de préchauffe, a été construite. Les fluides, i.e. du pétrole brut et du résidu atmosphérique, coupe lourde du pétrole, sont conservés. Deux technologies d'échangeurs sont étudiées au cours de cette thèse: un échangeur tubes et calandre, actuellement la plus rencontrée en raffinerie, et un échangeur à plaques soudées. La première section d'essais, dimensionnée de manière à reproduire les niveaux d'échanges thermiques et les écoulements des échangeurs industriels, joue un rôle de référence et permet une étude paramétrique de l'encrassement. L'efficacité des échangeurs Compabloc sur la réduction de l'encrassement est étudiée via la seconde section d'essais. Enfin, un travail sur l'optimisation des paramètres de modèles d'encrassement existants a été réalisé en vue d'améliorer la précision de leurs prédictions. / Fouling is considered as one of the major unsolved problem in heat exchangers. It generates additional resistances to heat transfer, a decrease of the thermal effectiveness and an increase of pressure drop in industrial units. Those phenomenon, meet on several industrial process, increase the energy consumption with detrimental environmental and economical consequences. Because of complex chemical composition, crude oil fouling mechanisms are not well understood. Also, poor plant data makes analyses of performance of different exchangers in fouling condition limited. An innovative test loop was designed to study hydrocarbon fouling in industrial operating conditions. Test sections were constructed to be representative of industrial heat exchanger technologies. The first technology tested was a shell and tubes heat exchanger, the most common heat exchanger technology in refinery pre-heat train. Experimental results and process data from test bench showed that the test section fouling behavior is similar to an industrial heat exchanger. The fouling test loop was validated by measuring fouling rates close to both literature and industrial values. After this first step of validation, the efficiency of a cross flow plate heat exchanger on reducing fouling in refinery preheat train was tested. In order to improve heat exchanger sizing, fouling models parameters were optimised.