Les outils et méthodologie utilisés actuellement par les ingénieurs ne permettent pas d’évaluer efficacement l’intérêt de ces concepts innovants. Typiquement, le conventionnel partage poussée/traînée devient excessivement ambigu pour l’étude de systèmes propulsifs avec ingestion de couches limites. Par ailleurs, le management thermique devient un enjeux crucial pour les performances globales de l’appareil. Le travail a donc consisté à développer une méthodologie capable de prendre en compte ces différents aspects. Dans un premier temps, une formulation théorique basée sur la notion d’exergie a été développée. Une analyse du fluide contenu dans un volume de contrôle autour de l’appareil basée sur la quantité de mouvement et sur le premier et le second principes de thermodynamique a permis d’aboutir à une équation bilan qui met en relation l’exergie délivrée par convection (système propulsif) ou par conduction (transfert de chaleur), l’équilibre mécanique de l’avion et les principaux phénomènes fluides à l’origine de la destruction d’exergie. Cette formulation théorique a ensuite été implémentée numériquement dans un code Fortran afin de pouvoir post-traiter des solutions haute-fidélité CFD-RANS. La précision et la robustesse de ce code a été évaluée dans un second temps pour des configurations non propulsées qui ont l’avantage de faire intervenir des méthodes éprouvées pour la détermination de la traînée subi par ces solides. Enfin, la formulation et le code on été utilisés pour la détermination des performances de configurations qui échangent de l’énergie (mécanique ou thermique) avec le fluide environnant. / The tools and methodologies currently used for the design of commercial aircraft have been initiated decades ago and are based on simplifying assumptions that become excessively ambiguous for highly-integrated propulsion devices for which traditional drag/thrust bookkeepings become inapplicable. Likewise, the growing complexity of civil aircraft requires a more global performance assessment which could take into account thermal management. As a consequence, a new exergy-based formulation is derived for the assessment of the aerothermopropulsive performance of civil aircraft. The output of the derivation process is an exergy balance between the exergy supplied by a propulsion system or by heat transfer, the mechanical equilibrium of the aircraft, and the exergy outflow and destruction within the control volume. The theoretical formulation is subsequently numerically implemented in a Fortran code named ffx for the post-processing of CFD-RANS flow solutions. Unpowered airframe configurations are examined with grid refinement studies and a turbulence model sensitivity analysis. The code is thereby validated against well-tried methods of drag prediction or wind-tunnel testings when available. Finally, the investigation of powered configurations demonstrates the ability of the approach for the performance assessment of configurations with aerothermopropulsive interactions.

Les applications de réfrigération sont aujourd’hui majoritairement réalisées par des machines à compression alimentées en électricité. Animées à partir d’une source chaude, l’utilisation de machines à absorption permet d’utiliser très peu d’électricité comparée à une machine à compression et d’utiliser des réfrigérants écologiques. Le faible coefficient de performance et le coût élevé de ces machines est compensé par l’utilisation de rejets thermiques industriels destinés à être rejeté dans l’environnement et donc considérés comme gratuits. Le but de cette étude est de modéliser une machine à absorption hybride, utilisant le couple de fluide eau et ammoniac, en y ajoutant un compresseur ou booster dans la zone haute pression du circuit et d’évaluer ses performances. Cette modification crée une pression intermédiaire au désorbeur permettant de diminuer la température des rejets thermiques exploitables. Une température de rejets réutilisable de 50°C, contre 80°C actuellement, ouvrirait alors la voie à de nouvelles sources communes d’énergie. Le logiciel ASPEN Plus de simulation des procédés a été choisi afin de modéliser en régime permanent le système. Le modèle est en partie validé par l’étude expérimentale d’une machine à absorption commerciale de 10kW pour des applications de climatisation. Cette machine est située au Laboratoire des Technologies de l’Énergie d’Hydro-Québec. Ensuite, une étude de design permet de montrer, à puissance de réfrigération constante, les impacts bénéfiques de la technologie hybride sur le rendement exergétique, mais également sur la taille globale des échangeurs nécessaires. La technologie hybride est alors analysée économiquement face à une machine à absorption chauffée au gaz pour montrer sa rentabilité.

Ce travail s'inscrit dans l'effort d'optimiser l'utilisation des ressources énergétiques en valorisant des rejets thermiques industriels à basse température tels que ceux trouvés dans les alumineries québécoises. Deux systèmes de valorisation de chaleur sont détaillés et analysés. Le premier système est constitué de deux échangeurs de chaleur, l'un situé à la source de chaleur et l'autre à la charge, et d'une boucle intermédiaire dans laquelle circule un fluide caloporteur chargé de transférer la chaleur d'un site à l'autre. Le deuxième système est constitué d'un cycle de Rankine organique (ORC), qui produit de l'électricité, et d'une pompe à chaleur (PAC), qui consomme de l'électricité et produit de la chaleur. La question fondamentale à laquelle ce travail essaie de répondre est: Quel est le meilleur système ? Quatre critères ont été utilisés pour répondre à cette question: 1) le rendement énergétique, 2) le rendement exergétique, 3) l'attrait économique et 4) l'impact sur l'environnement. Concernant le rendement énergétique, le système 1 est plus attrayant avec un rendement de 70% contre 21% pour le système 2. Concernant le rendement exergétique, le système 1 est également plus attrayant avec 30% contre 9% pour le système 2. Le système 1 semble légèrement plus intéressant que le système 2 pour l'attrait économique avec un coût d'investissement plus faible se traduisant pour un taux de rendement interne (TRI) sur 15 ans de 10.9% contre 7.5%. L'analyse économique est toutefois sensible aux hypothèses émises, qui peuvent varier grandement d'un site à l'autre. L'analyse du cycle de vie démontre de manière non équivoque que le système 1 est plus dommageable pour l'environnement, notamment en raison de la quantité de béton nécessaire à sa construction. Ce travail contient deux articles de conférence et un article de journal (soumis, mais non accepté à la date de dépôt de ce mémoire). L'analyse à l'aide de nombres sans dimension du système 1 permet d'identifier les variables non-dimensionnelles qui ont le plus d'influence sur les indices de performance de ce système. La méthode des moindres carrés est utilisée pour développer des corrélations entre chacun des indicateurs de performance et les variables non-dimensionnelles, et l'application de ces corrélations pour la conception d'un tel système est démontrée par un exemple qui utilise un algorithme génétique qui détermine les conditions maximisant l'efficacité exergétique.

Les émissions de Gaz à Effet de Serre, la raréfaction prochaine des énergies fossiles et l'augmentation de leurs prix ont conduit la France à mettre en place, entre autres mesures, le plan des Certificats d'Economie d'Energie. Ce plan oblige les fournisseurs d'énergie, notamment EDF, à préparer des actions d'économies d'énergie chez leurs clients. Pour les petites et moyennes industries, les coûts d'analyses énergétiques poussées peuvent être hors de leurs moyens. Le but est donc de développer une méthodologie limitant le temps d'analyse ainsi que le type et la quantité des données nécessaires. Les méthodologies existantes ont été revues en détail, et des leçons essentielles ont été tirées sur leurs avantages et inconvénients. Une méthodologie a été développée, appelée Analyse Energétique et Exergétique des Procédés de transformation (AEEP). Cette méthode comprend trois étapes, dont la première, appelée Analyse Procédé (AP), est fondamentale et constitue un travail amont effectué une fois par type de produit. Cette étape consiste en la détermination de l'Energie Minimale Requise pour la transformation de la matière première en produit final, pour en tirer le Meilleur Procédé de Transformation. L'AP a été appliquée à plusieurs opérations industrielles unitaires, montrant ainsi la généricité et la systématicité de la méthode. Ensuite, une application directe de la méthodologie AEEP est effectuée sur une unité de fabrication de fromages. Les résultats ont montré que cette méthode est applicable à tous les niveaux d'audit (à faible et haut coûts). Elle permet aussi l'identification de solutions d'améliorations de la performance énergétique du système de production, non identifiables par les méthodes classiques.

L'énergie thermique des mers (ETM) offre une alternative intéressante pour la réduction de l'utilisation des énergies fossiles. En utilisant le gradient de température présent entre l'eau de surface et l'eau en profondeur, il est possible de produire de l'électricité grâce à un cycle thermodynamique. Les expérimentations sont peu nombreuses à l'heure actuelle, en raison d'un coût relativement élevé. Une approche fondamentale est donc développée avec la création de modèles numériques en régime permanent et dynamique. Le modèle en régime statique a été développé à partir d'une description mathématique simplifiée des composants du cycle. Ce modèle permet une évaluation globale des performances du système, incluant le prélèvement et le rejet de l'eau de mer ainsi que le cycle thermodynamique. À partir de la modélisation statique, un modèle dynamique a été établi en appliquant la méthode des systèmes équivalents de Gibbs. Cet outil permet de décrire les phases de démarrage et d'arrêt, d'étudier la modulation de la puissance électrique délivrée au réseau et d'optimiser le cycle. Les résultats de simulations des différents modèles sont confrontés à la littérature et à des données expérimentales, afin d'avoir des éléments de validation. L'un des intérêts du modèle en régime dynamique est la possibilité d'effectuer une analyse de type " premier et second principe " du système. Une optimisation du fonctionnement du cycle est réalisée à partir de cette analyse. Des pistes d'améliorations sont proposées. L'optimisation est réalisée grâce au couplage du modèle dynamique avec l'outil Genopt. Les outils numériques développés permettront d'élaborer des stratégies de contrôle des installations.

Dans un contexte de réduction des émissions de gaz à effet de serre (GES) et de forte volatilité du prix des énergies, les investissements en efficacité énergétique des sites industriels résultent souvent d'un processus de décision complexe. L'industriel doit pouvoir disposer d'outils lui permettant d'élaborer les solutions d'efficacité énergétique envisageables sur son site. Outre la recherche des sources d'énergie alternatives, que sont les énergies renouvelables, qui n'atteindront leur maturité technologique que sur le long terme, une solution à court terme consiste plutôt à favoriser une utilisation plus rationnelle de l'énergie. Pour relever ce défi, l'analyse exergétique apparaît comme un outil très efficace, car elle permet d'identifier précisément les sources d'inefficacité d'un procédé donné et de proposer des solutions technologiques visant à y remédier. Malheureusement, contrairement au concept d'enthalpie traditionnellement utilisé pour réaliser des bilans énergétiques sur un procédé, ce concept demeure assez difficile à appréhender et n'est que très rarement implémenté dans les simulateurs de procédés. Les travaux présentés dans ce document visent d'abordà rendre l'analyse exergétique plus accessible en l'intégrant dans un simulateur de procédés, puis à démontrer la pertinence d'une telle analyse pour l'amélioration de l'efficacité des procédés et des utilités associées. Dans un premier temps, une formulation générique et indépendante du choix du modèle thermodynamique pour l'évaluation de l'exergie des flux de matière est introduite. Une méthode de calcul des différentes contributions de l'exergie (contributions thermique, mécanique et chimique) est développée et un nouveau concept visant à évaluer les potentiels de récupérations thermique et mécanique maximales est introduit. Par la suite, la notion de bilan exergétique sur un système donné (opération unitaire ou procédé complet) est introduite. Pour l'évaluation des exergies des flux de travail et de chaleur, deux cas de figure sont étudiés : le cas de l'amélioration de procédés existants (« retrofitting ») et le cas de la conception de nouveaux procédés (« design»). Dans le cas de l'amélioration de procédés existants et afin d'aider au diagnostic énergétique de ces systèmes, des tableaux synthétiques proposant des solutions technologiques visant à réduire les irréversibilités ou les pertes exergétiques externes du procédé sont proposés. Par ailleurs, après une analyse comparative des différentes formulations d'efficacité exergétiques existant dans la littérature, la notion d'efficacité intrinsèque est retenue comme le critère le plus adapté pour une optimisation de l'efficacité exergétique d'un procédé complexe. Enfin, une nouvelle méthodologie structurée dédiée à l'analyse exergétique et permettant de pallier les lacunes des méthodologies existantes est présentée. L'ensemble de ces concepts est implémenté dans un premier prototype logiciel écrit en langage VBScript et intégré au simulateur de procédés ProSimPlus. Enfin, l'efficacité de la procédure est démontrée à travers une étude de cas portant sur la production de gaz naturel. / Energy issue is becoming increasingly crucial for industrial sector that consumes large quantities of utilities. Although the scientific world should continue to look for alternate sources of energy, a short-term solution would rather rely on a more rational use of energy. To face this challenge, exergy analysis appears a very efficient tool as it would enable to increase efficiency and reduce environmental impact of industrial processes. Unfortunately, contrary to enthalpy, this concept is rather difficult to handle and exergy analysis is rarely implemented in process simulators. In this context, the major objective of the study presented in this dissertation is to make exergy analysis more understandable by coupling it with the use of a process simulator and also to demonstrate the value of this approach for analysis of energy efficiency of processes and utilities. This dissertation presents a generic formulation for exergy of material streams that does not depend on the thermodynamic model, so that it could be easily implemented in a process simulator. The different contributions of exergy (thermal, mechanical and chemical) have been developed and new concept such as the maximal thermal and mechanical recovery potential has been introduced in order to pave the way for exergy analysis. The formulations of exergy balances on a real process are presented. For that purpose, the formulation of exergy for heat and work flux is developed. The formulation of exergy balances has been introduced for both design and retrofit situations and then a set of hints for the interpretation of this exergy balance has been given. Synthetic tables providing solutions to reduce irreversibilities and external losses have been introduced. Moreover, different kinds of exergy efficiency have been defined to provide a new criterion for the optimization of the process. A new structured methodology for exergy analysis is developed to overcome the limitations of existing methodologies. To make exergy analysis easier for any engineer, a first prototype has been developed to implement the calculation of exergy for the material streams in a process flowsheet modeled in ProSimPlus. Thanks to this prototype, exergy of each material stream appears in a synthesis table next to the traditional thermodynamic values such as the enthalpy. Finally, a case study on Natural Gas Liquids recovery process is presented to demonstrate the benefit of the exergy analysis for the improvement of existing processes. First, the exergy analysis permits to make an energy diagnosis of the process: it pinpoints the inefficiencies of the process which relies not only on irreversibilities but also on external exergy losses. Then, based upon respective values of internal and external losses and also thanks to the breaking down of exergy into it thermal, mechanical and chemical contributions, some technological solutions are suggested to propose a retrofit process. Finally, the exergy efficiency criteria enable to optimize the operating parameters of the process in order to improve its energy efficiency.

A la veille d’une nouvelle conférence sur le climat, les questions environnementales demeurent plus que jamais au premier plan de la vie publique. La lutte contre le réchauffement climatique, et les émissions de gaz à effet de serre, dont l’attribution à l’activité humaine fait globalement l’objet d’un consensus scientifique, constituent l’un des plus grands défis de l’humanité pour les prochaines années. Dans ce contexte, l’amélioration de l’efficacité énergétique des sites de production est une des préoccupations des industriels. Les réglementations environnementales, et les fluctuations des cours de l’énergie les forcent à continuellement améliorer leurs procédés pour en maintenir la compétitivité. Ceux-ci doivent ainsi pouvoir disposer d’outils leur permettant d’effectuer des diagnostics énergétiques sur les installations, leur facilitant la prise de décision et leur permettant d’élaborer des solutions d’efficacité énergétique sur leurs sites industriels. Les travaux présentés dans ce document visent à introduire une méthodologie d’analyse et de rétro-conception pour l’amélioration énergétique des procédés industriels. Cette méthodologie, qui s’appuie sur une utilisation combinée de la méthode du pincement et de l’analyse exergétique, se décompose en trois grandes étapes : la première comprend le recueil des données, la modélisation et la simulation du procédé. La deuxième étape, dédiée à l’analyse du procédé, est elle-même divisée en deux phases. La première, qui s’appuie pour l’essentiel sur l’utilisation de la méthodologie du pincement, s’intéresse uniquement à l’analyse du système de fourniture et de récupération de l’énergie thermique. Si cela s’avère nécessaire, le procédé complet est étudié dans une deuxième phase. L’analyse pincement se limitant à l’étude des procédés thermiques, une méthodologie d’analyse exergétique est mise en œuvre. Cette méthodologie s’appuie sur l’implémentation de l’analyse exergétique dans l’environnement ProSimPlus, entreprise par Ali Ghannadzadeh, et poursuivie pendant cette thèse. Les formules d'exergie ont été affinées pour s’ajuster aux différents modèles thermodynamiques. L’approche d’analyse proposée dans ce manuscrit est basée sur l’utilisation d’une nouvelle représentation graphique des bilans exergétiques : le ternaire exergétique. Ce dernier permet d’illustrer tous les aspects des bilans exergétiques et ainsi d'assister l’ingénieur dans l’analyse du procédé. La troisième étape s’intéresse à la conception pour l’amélioration énergétique. Alors que l’analyse du pincement propose des solutions d’amélioration, l’analyse exergétique ne le permet pas. Elle nécessite l’apport d’une certaine expertise pour aboutir au développement de solutions d’améliorations. Pour pallier ce problème, l’expertise est en partie capitalisée dans un système de raisonnement à partir de cas. Ce système permet de proposer des solutions à des problèmes nouveaux en analysant les similarités avec des problèmes anciens. Cet outil se révèle utile pour définir des solutions locales d’améliorations énergétiques. L’analyse du pincement associée à des outils numériques est ensuite utilisée pour concevoir des propositions complètes d’améliorations. La seconde partie de ce manuscrit présente cette étape. / On the eve of a new conference on climate change, environmental issues remain more than ever at the forefront of public life. Tackling climate change, and reducing greenhouse gases emissions, that are largely attributable to human activity, represents one of the biggest challenges for humanity in the coming years. In such a context, the promotion of best practices to enable an efficient utilization of energy has emerged as one of the major point of focus. High volatility of energy prices and the increasingly stringent environmental regulations have forced industrials to continuously improve their processes in order to cut the energy consumption down and reduce GHG emissions. For this purpose, industrials need tools to perform energy audits on facilities, to ease decision-making and to enable them to develop their energy efficiency solutions on their sites. In this context, the study presented in this dissertation aims at introducing a new systematic procedure for energy diagnosis and retrofit of industrial processes. This methodology presented in this dissertation is divided into three stages: the first involves the data collection, the modeling and simulation of the process. The second stage, dedicated to the analysis of the process, is subdivided into two phases. The first, which is essentially relying on the Pinch methodology, is only concerned with the analysis of the thermal energy supply and recovery system. If necessary, the complete process is studied in the second phase of the analysis. Pinch analysis being limited to the analysis of thermal systems, an exergy analysis methodology is then implemented. This methodology is based on the implementation of the Exergy analysis in the ProSimPlus modelling and simulation environment, undertaken by A. Ghannadzadeh, and pursued in this study. The formulas proposed by Ali Ghannadzadeh have been adjusted to take into account different thermodynamic approaches. A new graphical representation of exergy balances, the exergetic ternary diagram, is also introduced to assist engineers in the analysis process. It enables to illustrate all aspects of exergy balances, i.e. the irreversibility, the exergy losses and the exergy efficiencies of each unit operation. The automation of this new graphical layout was made possible by the implementation of a generic exergy efficiency in the simulator. This analysis paves the way to the third step of the overall methodology dedicated to retrofitting. This methodology is detailed in the first part of this dissertation. While Pinch analysis proposes improvement solutions, the Exergy analysis does not. The key to achieving a significant exergy analysis lies in the engineer’s ability to propose alternatives for reducing thermodynamic imperfections, thus exergy analysis is supposed to be undertaken by an experienced user. To overcome this problem, the expertise is partly capitalized in a case-based reasoning system. This system allows the proposition of solutions to new problems by analyzing the similarities with solved problems. This tool is useful for defining local solutions for energy improvements. The Pinch analysis combined to numerical tools is then used to develop alternatives. This third step is developed in the third part of the manuscript.

Pour faire face aux changements climatiques, la transition énergétique s’impose aujourd’hui comme une évidence. Les sources d’énergie renouvelables devant aider à cette transition sont caractérisées par leurs intermittences qui requièrent des dispositifs de stockages afin de garantir la fiabilité des systèmes énergétique utilisant ces dernières. Le stockage d’électricité par air comprimé (CAES) est l’un de ces dispositifs de stockage d’énergie. Cependant, dans sa configuration actuellement commercialisée, le CAES brûle en phase de décharge du gaz naturel afin d’améliorer le rendement de conversion du système. Le présent travail contribue à la diminution de l’empreinte écologique de cette technique de stockage en proposant un système de taille réduite n’utilisant aucune source d’énergie fossile. Dans un premier temps, une modélisation thermodynamique fine d’un tel système est faite en fonction des types de composants choisis et de leurs comportements thermiques (adiabatique, polytropique). Une étude expérimentale visant à démontrer la faisabilité d’un tel système est par la suite réalisée sur un prototype de laboratoire. Le très faible rendement de conversion expérimental obtenu (4%), bien que confirmant la faisabilité technique nous a suggéré une optimisation du système de stockage proposé. L’algorithme génétique à codage réel, modifié afin de stabiliser et d’accélérer sa convergence est présenté de façon détaillée puis utilisé pour identifier un ensemble de 13 paramètres maximisant le rendement exergétique du système. Un rendement électrique de conversion d’environ 20% est obtenu sur le système optimisé pour un rendement énergétique global de plus de 75%. / To address climate change, the transition to a decarbonized energy system is self-evident. The renewable energy sources to support this energy transition are intermittent. Therefore, they should be coupled at an electrical storage system to ensure the reliability of power system using same. Compressed air energy storage (CAES) happens to be one of these technologies of energy storage. Unfortunately, in its current configuration, CAES requires the combustion of natural gas during the discharging periods to improve the global energy efficiency of system. This work contributes to the reduction of the environmental footprint of compressed air energy storage by proposing a small-scale CAES using no fossil fuel energy source. Initially, a careful thermodynamic modeling of such a storage system is made according to the types of components chosen and to their thermal behavior (adiabatic or polytropic). Subsequently, for demonstrating its feasibility, a comprehensive experimental investigation was performed on experimental prototype existing in our lab. The very low experimental conversion efficiency obtained (4%) although confirming the technical feasibility, it has suggested that the proposed storage system should be optimized. A modified real coded genetic algorithm to stabilize and accelerate its convergence is documented here and used to identify a set of thirteen parameters who maximize the global exergy efficiency of proposed electric energy storage system. The result of the optimization indicates that in the optimum operating point, the electrical efficiency of storage system is about 20% for a round trip efficiency of 75%.

Dans le contexte des recherches de réductions de l’impact environnemental des machines frigorifiques, l’utilisation du gaz carbonique comme fluide frigorigène est aujourd’hui une réalité. Toutefois, les propriétés thermodynamiques du CO2 impliquent un cycle frigorifique transcritique à basses performances énergétiques pour une température de source chaude proche de l’ambiante. Pour étendre le champ d’application de ce fluide, il est nécessaire d’augmenter l’efficacité des machines transcritiques. L’analyse exergétique du cycle montre que les principales pertes de performances proviennent essentiellement de la détente isenthalpique et de la compression. Afin de réduire ces pertes, l’utilisation d’un éjecteur comme organe principale de détente se présente comme une solution prometteuse. Ce travail apporte une contribution à l’étude des machines frigorifiques aux CO2 transcritique équipées d’éjecteur à la fois expérimentale et numérique pour développer la compréhension des phénomènes qui se produisent à l’intérieure de l’éjecteur afin d’améliorer les outils de dimensionnement de cet organe. L’étude numérique comporte un modèle unidimensionnel de l’écoulement du dioxyde de carbone à travers l’éjecteur. Ce modèle constitue un bon outil de prédiction des points de fonctionnement de l’éjecteur et des caractéristiques globales de l’écoulement : débit, vitesse, enthalpie... Le modèle reste une approche perfectible d'un milieu complexe. Il constitue néanmoins un bon outil pour l'optimisation de la géométrie de l’éjecteur. Après le dimensionnement et la fabrication de l’éjecteur, des essais comparatifs ont été menés sur la machine frigorifique au CO2 en fonctionnement avec et sans éjecteur. L’étude expérimentale a montré que l’éjecteur améliore jusqu’à 12,5 % la puissance frigorifique produite et 17 % le coefficient de performance de la machine. Les résultats expérimentaux réalisés ont été utilisés pour valider le modèle unidimensionnel développé, un accord satisfaisant a été trouvé entre les résultats issus du modèle et ceux expérimentaux, particulièrement en terme de débits avec un écart de l’ordre de 9 %. / Carbon dioxide is being advocated to reduce the environmental impact of the refrigeration systems. However, the thermodynamic properties of CO2 imply supercritical refrigerating cycle with low energy performance when the hot source temperature is near that of the environment. The expansion losses of an isenthalpic throttling process have been identified as one of the largest irreversibilities of transcritical refrigeration cycles, which contribute to the low efficiency of such cycles. In order to recover the expansion losses and increase the cycle efficiency, it has been proposed to replace the expansion valve with an ejector expansion device. This work is devoted to the numerical and experimental study of the ejector expansion devices used in a transcritical vapor compression system using carbon dioxide as the refrigerant. The numerical study includes a one-dimensional model of the CO2 two-phase ejector. The developed model is a good tool for predicting the operation conditions of the ejector and the overall characteristics of the flow (mass flow, velocity, enthalpy.. The model is a good tool to optimizing the geometry of the ejector, although it can be improved. The ejector was manufactured and incorporated into an instrumented test bench. Experimental study showed that the transcritical CO2 refrigeration system using an ejector as the expansion device outperformed a conventional expansion-valve transcritical CO2 system in COP and cooling capacity by approximately 17 % and 12,5 %, respectively. The experimental results were used to validate the one-dimensional model, a satisfactory agreement was found between the numerical and experimental results, especially in terms of mass flow with a difference of 9 %.

L’énergie thermique des mers (ETM) offre une alternative intéressante pour la réduction de l’utilisation des énergies fossiles. En utilisant le gradient de température présent entre l’eau de surface et l’eau en profondeur, il est possible de produire de l’électricité grâce à un cycle thermodynamique. Les expérimentations sont peu nombreuses à l’heure actuelle, en raison d’un coût relativement élevé. Une approche fondamentale est donc développée avec la création de modèles numériques en régime permanent et dynamique. Le modèle en régime statique a été développé à partir d’une description mathématique simplifiée des composants du cycle. Ce modèle permet une évaluation globale des performances du système, incluant le prélèvement et le rejet de l’eau de mer ainsi que le cycle thermodynamique. À partir de la modélisation statique, un modèle dynamique a été établi en appliquant la méthode des systèmes équivalents de Gibbs. Cet outil permet de décrire les phases de démarrage et d’arrêt, d’étudier la modulation de la puissance électrique délivrée au réseau et d’optimiser le cycle. Les résultats de simulations des différents modèles sont confrontés à la littérature et à des données expérimentales, afin d’avoir des éléments de validation. L’un des intérêts du modèle en régime dynamique est la possibilité d’effectuer une analyse de type « premier et second principe » du système. Une optimisation du fonctionnement du cycle est réalisée à partir de cette analyse. Des pistes d’améliorations sont proposées. L’optimisation est réalisée grâce au couplage du modèle dynamique avec l’outil Genopt. Les outils numériques développés permettront d’élaborer des stratégies de contrôle des installations. / Ocean Thermal Energy Conversion (OTEC) offers an interesting alternative for reducing the use of fossil fuels for energy generation. Using the temperature gradient present between the surface water and deep water, it is possible to produce electricity through a thermodynamic cycle. At present, the experiments are limited due to a relatively high cost. A fundamental approach is developed with the creation of numerical models in steady and dynamic state. The model in steady state has been developed from a simplified mathematical description of the components of the cycle. This model allows for an overall assessment of system performance including the withdrawal and discharge of the sea water, as well as the thermodynamic cycle. From the static model, a dynamic model was established using the method of the equivalent Gibbs systems. This tool is used to describe the start-up and shutdown, to study the modulation of the electrical power delivered to the network and to optimize the cycle. The simulation results of the different models are confronted with the literature and experimental data in order to have points of validation. One of the advantages of the model under dynamic conditions is the ability to perform an analysis of the "first and second principle" of the system. Optimization of the operation is carried out from this analysis. Possible improvements are proposed. An optimization of the cycle operation is carried out from this analysis. The optimization is done by coupling the dynamic model with the tool Genopt. The numerical tools developed will permit in addition to develop strategies to control of the power plants.