La valorisation des rejets thermiques de basse température par conversion en électricité est un moyen efficace pour diminuer la consommation électrique externe et augmenter l'efficacité énergétique des industries. Les technologies actuelles utilisent les cycles de Rankine organiques qui comportent des limitations importantes. Le cycle transcritique utilisant le dioxyde de carbone comme fluide moteur est un candidat potentiellement intéressant pour une récupération plus efficace de l'énergie thermique rejetée par les industries. Peu d'études ont été réalisées jusqu'à maintenant sur ce cycle et les quelques existantes ne considèrent que l'aspect énergétique. Le présent projet propose une étude beaucoup plus complète du cycle transcritique au dioxyde de carbone et le développement d'une méthodologie permettant la comparaison avec d'autres cycles et d'autres fluides pour l'étude de différents rejets thermiques. L'étude proposée est divisée en cinq étapes. Premièrement, l'étude énergétique interne se penche sur la thermodynamique du cycle pour déterminer le rendement thermique et la puissance spécifique. Deuxièmement, l'étude exergétique permet de calculer le rendement de la deuxième loi de la thermodynamique ainsi que les irréversibilités présentes dans les différentes composantes. Troisièmement, l'étude en dimensions finies des échangeurs fournit les profils de température ainsi que le UA (produit de la surface et du coefficient d'échange de chaleur global) de chaque échangeur. Quatrièmement, l'étude des surfaces permet d'obtenir les surfaces des échangeurs. Finalement, une étude économique simple est réalisée de manière à obtenir une approximation du coût d'installation du cycle. Une comparaison des conditions d'optimisation de chaque étape est ensuite réalisée. Les résultats ont montré qu'il est nécessaire de se rendre à l'étude économique pour le choix des paramètres. En effet, ce ne sons: pas les mêmes conditions qui optimisent le rendement énergétique, le rendement exergétique, les UA, les surfaces et les coûts. Un choix erroné peut ainsi être réalisé si certaines de ces études sont omises. De plus, en comparant différents fluides, il est possible que le choix du fluide ne soit pas le même selon l'étude réalisée.La méthodologie développée représente donc un outil très intéressant permettant le choix du fluide ainsi que des paramètres d'optimisation en fonction des propriétés des rejets thermiques.

Dans les moteurs cryotechniques, les ergols sont refroidis pour être stockés sous forme liquide et limiter ainsi la taille des réservoirs. Ils sont ensuite mis sous pression, grâce à une turbopompe, avant d’être injectés dans la chambre de combustion. Pour augmenter les rendements des moteurs, la pression de chambre est augmentée et peut dépasser les pressions critiques des ergols. Le régime de combustion supercritique est alors appelé transcritique lorsque l’oxygène est injecté à une température inférieure à sa température critique avec une densité équivalente à celle d’un liquide. Ce régime possède certaines propriétés des injections diphasiques avec un dard dense mais sans présenter de phénomène d’atomisation ce qui le rapproche des injections gaz-gaz. L’étude de la transition dense-dilué de l’oxygène a été le dénominateur commun de cette thèse. En régime supercritique, l’épaisseur de cette transition diminue avec la pression jusqu’à devenir infiniment fine à la pression critique. Le manque de discrétisation des zones à forts gradients conduit à des instabilités numériques. Cette situation est analogue numériquement au cas d’une interface liquide vapeur subcritique. C’est pourquoi nous avons étendu dans cette thèse des méthodes d’interface diffuse au régime supercritique. La méthode dite de second gradient introduite par van der Waals a permis de simuler des flammes étirées subcritiques et supercritiques. Tandis que l’approche multifluide a été utilisée pour réaliser des simulations aux grandes échelles du banc d'essai MASCOTTE en régime supercritique avec le code CEDRE. / In cryogenic engines, the propellants are refrigerated and stored liquid in order to limit the dimension of the tanks. They are pressurized by turbopumps before their injection in the combustion chamber. To increase the efficiency of the engines, the chamber pressure is increased and can be above the critical pressure of the propellants. This combustion regime is called transcritical. It exhibits some properties of diphasic injection with a high density core jet but does not have a phenomenon of atomization. The study of the oxygen transition from dense to light has been the main objectives of this thesis. In supercritical regime, the width of this transition decreases with the pressure till it reaches the critical pressure where it becomes infinitely thin. The lack of discretization in the zone of strong gradients leads to numerical instabilities. This situation is analog from a numerical point of view to a liquid-vapor interface. Thus, in this thesis we have extented the diffuse interface methods to the supercritical regime. The second gradient method introduced by van der Waals has allowed the simulation of subcritical and supercritical flames. The multifluid approach has been implemented in the solver CEDRE for the computation of a large eddy simulation of the experimental bench MASCOTTE in supercritcal conditions.

Cette étude consiste en l’expérimentation de mélanges de fluides frigorigènes à base de CO2 dans les applications de pompes à chaleur domestiques. L’objectif est l’obtention de performances supérieures à une pompe à chaleur au CO2 double-service (eau chaude sanitaire et chauffage). L’ajout d’autres composés au CO2 déplace le point critique et de façon plus générale modifie les lignes d’équilibre de phases. On peut alors s’attendre à la réduction des pressions de fonctionnement et à une augmentation du rendement énergétique du cycle thermodynamique. Une pompe à chaleur mono-étagée au CO2 est utilisée comme référence, et les conditions de température externes à la boucle thermodynamique sont invariantes. Deux scénarii sont considérés : La production d’eau chaude sanitaire (ECS), où l’eau est chauffée de 10 °C à 65 °C ; la production d’eau de chauffage (CH) où l’au est chauffée de 30 °C à 35 °C. Dans les deux cas, l’eau glycolée en l’entrée de l’évaporateur est régulée à 7 °C. Afin de pouvoir analyser le comportement des cycles thermodynamiques avec mélanges, il est essentiel de connaitre la composition du fluide frigorigène en circulation. Pour ce faire, nous avons mis au point une technique de mesure statistique et non-intrusive de la composition: Des cellules optiques installées sur les tubes de la boucle permettent de recueillir les spectres d’absorption du fluide en circulation, grâce à un spectromètre proche infrarouge à transformée de Fourier. Un étalonnage méticuleux est effectué via l’acquisition de nombreux spectres d’échantillons ayant des compositions connues. Un modèle statistique est alors créé pour lier les concentrations aux données spectrales. Les compositions peuvent ensuite être estimées à partir de nouveau spectres, dont l’acquisition rapide permet l’analyse de la composition du fluide même en fonctionnement dynamique de la pompe à chaleur. Des mélanges de CO2 & propane, et CO2 & R-1234yf ont été testés, montrant des potentiels d’amélioration des performances de la pompe à chaleur pour les applications de chauffage des locaux. / The aim of this work is to experiment CO2 based mixtures as working fluids for heat pump applications in buildings, in order to enhance their performances compared to pure CO2 dual services heat pumps. Since adding other chemicals to CO2 moves the critical point and generally equilibrium lines, it is expected that lower operating pressures as well as higher global efficiencies can be reached. A simple stage pure CO2 cycle is used as reference, with fixed external conditions. Two scenarios are considered: water is heated from 10 °C to 65 °C for Domestic Hot Water (DHW) scenario and from 30 °C to 35 °C for Central Heating (CH) scenario. In both cases, water at the evaporator inlet is set at 7 °C to account for such outdoor temperature conditions. In order to understand the dynamic behaviour of thermodynamic cycles with mixtures, it is essential to measure the fluid circulating composition. To this end, we have developed a non intrusive method. Online optical flow cells allow the recording of infrared spectra by means of a Fourier Transform Infra Red spectrometer. A careful calibration is performed by measuring a statistically significant number of spectra for samples of known composition. Then, a statistical model is constructed to relate spectra to compositions. After calibration, compositions are obtained by recording the spectrum in few seconds, thus allowing for a dynamic analysis. Mixtures of CO2 & propane and CO2 & R-1234yf have been tested and showed great potential on enhancing performances of the heat pump for central heating applications.

Les fluides naturels employés en réfrigération et en conditionnement d’air possèdent de faibles PRG et sont de ce fait une véritable alternative aux HFC. Cependant, leur généralisation se heurte à des limites provenant de leur caractère toxique (NH3), inflammable (hydrocarbures, NH3) ou de leurs caractéristiques thermodynamiques défavorables (CO2). Leur utilisation accrue nécessite la mise en œuvre de composants spécifiques (échangeurs de chaleur intermédiaire, éjecteur) qui sans qui les performances seraient inférieures à celles obtenues avec les HFC (COPCO2 = 55 % du COPHFC-134a pour des températures de sources de 0 °C et 40 °C). L’utilisation d’un éjecteur comme organe de détente est une solution envisagée pour réduire les irréversibilités. Les éjecteurs diphasiques constituent une alternative intéressante pour les dispositifs de détente classiques utilisés depuis plusieurs décennies. Le principal avantage de l’éjecteur est de récupérer une partie de l’énergie cinétique du processus de détente de la haute pression à la basse pression pour augmenter la pression d’aspiration du compresseur. Ceci entraîne une diminution du travail consommé par ce dernier et, par suite, une augmentation du coefficient de performance du système. Néanmoins, une bonne conception d’un éjecteur diphasique nécessite une analyse détaillée en termes de simulations numériques et travaux expérimentaux. Ainsi, l’objectif de ce travail est d’apporter une contribution expérimentale à l’étude des machines frigorifiques au CO2 transcritique équipées d’éjecteur diphasique. Des efforts importants ont été investis dans la conception d’un éjecteur diphasique avec diverses géométries pour évaluer les principales caractéristiques à savoir le facteur d’entraînement et le rapport de compression. Les essais effectués ont permis de mettre en évidence l’influence des différents paramètres géométriques sur les performances de la machine (différents diamètres au col des tuyères primaires, différents diamètres de mélangeurs, longueurs de mélangeurs, distance entre le plan de sortie de la tuyère primaire et l’entrée du mélangeur, l’angle de divergent des tuyères primaires…) ainsi que les paramètres thermodynamiques (température d’évaporation, température à l’entrée de la tuyère primaire). / Natural refrigerants used in refrigeration and air conditioning have low GWP and are therefore a real alternative to HFCs. However, their generalization comes up against limits due to their toxic (NH3), flammable (hydrocarbons, NH3) or their unfavorable thermodynamic characteristics (CO2). Their increased use requires the implementation of specific components (intermediate heat exchangers, ejector) which without performance would be lower than those obtained with HFCs (COPCO2 = 55% of COPHFC-134a for temperatures source of 0 °C and 40 °C). The use of an ejector as an expansion device is a solution considered to reduce irreversibility. Two-phase ejector has been an interesting alternative for conventional expansion devices for several decades. The main advantage of the ejector is to recover some of the kinetic energy of the process of expansion from high pressure to low pressure to increase the suction pressure of the compressor. This results in a reduction of the work consumed by the latter and, consequently, an increase in the coefficient of performance of the system. Nevertheless, a good design of a two-phase ejector requires a detailed analysis in terms of numerical simulations and experimental work. Thus, the objective of this work is to make an experimental contribution to the study of transcritical CO2refrigeration machines equipped with two-phase ejector. Significant efforts have been invested in the design of a two-phase ejector with various geometries to evaluate the main characteristics namely the entrainment ratio and the compression ratio. The tests carried out made it possible to highlight the influence of the various geometrical parameters on the performances of the machine (different diameters of the throat of the primary nozzle, different mixers diameters and lengths, distance between the exit of the primary nozzle and the inlet of the mixer, the divergence angle of the primary nozzles ...) as well as the thermodynamic parameters (evaporation temperature, temperature at the inlet of the primary nozzle).

Cette recherche se focalise sur les problèmes d’instabilités de combustion hautes fréquences dans les moteurs fusées. Ces instabilités sont connues pour avoir des effets néfastes et peuvent, dans certains cas, causer la destruction du système propulsif. Pour éviter l’apparition de ces instabilités, il est important de connaître les mécanismes qui entretiennent ces phénomènes dynamiques et de comprendre le couplage complexe entre l’injection, la combustion et la résonnance acoustique du système. Ce travail comprend trois parties.La première partie traite de la simulation numérique de jets non-réactifs et réactifs soumis à différentes conditions de modulation afin de comprendre les interactions entre les jets, les flammes et leur environnement. Les calculs numériques de jets ronds non-réactifs ainsi que des flammes plus complexes formées par des injecteurs coaxiaux dans des conditions transcritiques ont été effectuées avec des simulations aux grandes échelles (SGE), adaptées aux conditions gaz réels à l’aide du solveur AVBP-RG. Les jets ronds ont été soumis à des fluctuations de vitesse transverse. Il a été trouvé que pour toutes les amplitudes et fréquences de modulation, le jet est déformé et oscille dans la direction transverse. Ce comportement peut être représenté par un modèle. Les flammes coaxiales ont été soumises à une modulation de débit et de pression. La modulation induit des variations du dégagement de chaleur global. Un modèle mathématique reliant les paramètres modulés au dégagement de chaleur est proposé.La seconde partie contient les travaux expérimentaux. Dans ce cadre, un nouveau banc expérimental a été développé pour l’étude de cavités couplées pressurisées (NPCC). Le couplage entre le plénum (ou dôme) et la chambre a été étudié. Un modèle reliant les fluctuations de pression et de vitesse en sortie des injecteurs a été développé et comparés aux données d’essais. Le banc NPCC a aussi été utilisé pour acquérir plus de connaissances sur le niveau d’amortissement. Les coefficients d’amortissement ont été déterminés.La dernière partie de ce document traite du développement d’un modèle ordre réduit qui représente des mécanismes qui entretiennent et amortissent les instabilités de combustion hautes fréquences. Cette description dynamique a été incorporée dans un code de stabilité haute fréquence (STAHF). Ce code a été utilisé pour étudier un moteur à ergols liquides d’une puissance de 87 MW (le banc BKD du DLR en Allemagne) qui présente des instabilités hautes fréquences. Après le recalage de certains paramètres de contrôle, STAHF a été capable de retrouver des résultats obtenus d’essais au DLR. / This research concerns some of the issues raised by high frequency combustion instabilities in rocket engines. These instabilities are known to have detrimental effects leading, in some cases, to the destruction of the propulsion system. To avoid the appearance of such instabilities it is important to gain an understanding of the processes driving such dynamical phenomena. One has to consider the complex coupling between injection, combustion and the acoustic resonances of the system. The present work contributes to this objective by developing three items.The first deals with numerical simulations of non-reactive and reactive jets submitted to different modulation conditions to understand the interaction between jets, flames and their environment. Numerical simulations of non-reactive round jets as well as more complex flames formed by coaxial injectors operating under transcritical conditions were carried out using large eddy simulation (LES) adapted to real gas situations by making use of the AVBP-RG flow solver. Round jets were submitted to transverse velocity fluctuations. It has been found that for all amplitudes and frequencies of modulation, the modulated jet is deformed and oscillates. This behavior can be represented by a model. The coaxial flames were submitted to mass flow rate and pressure modulation. For these cases it has been found that the modulation induces variations of the global heat release rate. A mathematical relationship between the modulated parameters and the heat release rate has been proposed.The second item includes experimental investigations. For this purpose a New Pressurized Coupled Cavities (NPCC) laboratory test rig has been developed. The possible coupling between the plenum and the thrust chamber was studied. A model, linking pressure and velocity fluctuations between the plenum and the thrust chamber, has been developed. The laboratory test rig was also used to gather some knowledge on the levels of damping and the damping coefficients could be determined.The last item of this document deals with the development of a reduced order dynamical model which includes some of the driving and damping mechanisms of high frequency combustion instabilities. This dynamical description was implemented in a high frequency stability code (STAHF). This code was used to examine a 87 MW liquid rocket engine (BKD operated at DLR, Germany) exhibiting high frequency oscillations. After the adjustment of some control parameters, STAHF was able to retrieve some the features observed in experiments carried out at DLR.

La pompe à chaleur industrielle très haute température (PAC THT) à compression mécanique de vapeur, fonctionnant à l'électricité, figure parmi l'une des technologies innovantes les plus efficaces permettant de valoriser les rejets thermiques industriels à basse et moyenne température (<90 °C). Néanmoins, compte tenu des besoins industriels actuels de chaleur, les niveaux de température cible atteignable par les PACs restent trop faibles et freinent fortement son implantation. Les procédés de séchage, dans leur grande majorité, rejettent des buées ou de la vapeur d'eau à moyenne température (50 °C-90 °C) et ont des besoins de chaleur à très haute température (110 °C-150 °C). Le grand écart de température entre la source et le besoin de chaleur ainsi que le niveau de température du besoin, font qu'aujourd'hui envisager l'intégration d'une PAC dans ce type de procédés relève d'un défi énergétique et technologique particulièrement intéressant, dont l'enjeu économique est considérable. Les présents travaux de recherche envisagent à l'aide d'une méthodologie générique d'optimisation de cycles thermodynamiques basée sur la minimisation de la production d'entropie dans les échangeurs de chaleur de déceler les architectures de PACs les plus efficaces d'un point de vue énergétique. L'analyse théorique a permis de déceler la haute efficacité énergétique des architectures transcritiques de PACs dans des conditions de grands glissements de température entre l'entrée et la sortie du besoin de chaleur. Le développement d'un démonstrateur de PAC transcritique très haute température fonctionnant au R32 (PAC T-THT R32) a permis d'une part de démontrer la faisabilité technique d'une PAC, pouvant atteindre la température cible de 120 °C en partant de 60 °C avec une source de chaleur disponible à 50 °C, et d'autres part de démontrer sa haute efficacité énergétique (COP = 4). / The mechanical vapour compression high temperature heat pump for industry using electricity is one of the most effective innovative technologies to recover the industrial waste heat at low and medium temperature (<90°C). However, given the current industrial heat needs, the heat pump target temperature levels remain too low and slow strongly its implantation. Overwhelmingly, the drying processes reject saturated moist air at middle temperature (50°C-90°C) and have heat needs at very high temperature (110°C-150°C). The large temperature difference between the source and the heat need and the level off temperature that is needed, today, makes the heat pump integration in such processes an interesting energy and technological challenge, whose economic stake is considerable. The present works tackle, with a generic methodology of thermodynamic optimisation cycles based on the entropy minimization in the heat exchangers, to identify the most efficiency heat pump architectures from an energy point of view. The theoretical analysis allowed to detect the transcritical heat pump architecture, in conditions of high temperature glides between the inlet and the outlet of the heat need. The development of a transcritical high temperature heat pump demonstrator using the R32 as working fluid allowed to demonstrate the technical feasibility of a heat pump that can reach the target temperature of 120°C from 60°C with an available heat source at 50°C, and to demonstrate its high energy efficiency (COP = 4).