Depuis plusieurs années de nouveaux procédés industriels destinés à la réfrigération et à la climatisation sont étudiés et mis sur le marché. Parmi ceux qui commencent à connaître des débouchés commerciaux on compte les systèmes utilisant des fluides frigoporteurs diphasiques solide/liquide. Ces dispositifs offrent en effet les avantages de réduire l'utilisation des fluides frigorigènes de plus en plus réglementée et de pouvoir lisser la production de froid sur 24 heures grâce à la possibilité de stocker ces fluides diphasiques. Le domaine de la réfrigération connaît au niveau européen, grâce à plusieurs industriels, un premier essor de l'utilisation de " coulis " ou " sorbet " de glace. La climatisation industrielle ou collective représente également un enjeu énergétique majeur tant du point de vue de la consommation énergétique instantanée qu'elle nécessite que du point de vue des "pics" qu'elle génère à certaine périodes de la journée.Dans ce domaine et sur le continent asiatique (particulièrement au Japon), l'utilisation de sorbets est également en phase d'expansion. Dans ce cas, les sorbets utilisés sont des " coulis d'hydrates " qui présentent l'intérêt de cristalliser à des températures positives plus adaptées à la climatisation que celles des " coulis de glace ".Ces travaux de thèse ont donc consisté à adapter une technologie de réfrigération disponible sur le marché européen au domaine de la climatisation. Le fluide utilisé est une solution de TBAB (Bromure de Tetra-ButylAmmonium) qui est une solution aqueuse dont la température de cristallisation à pression atmosphérique peut être ajustée entre environ 6 et 12°C. Le dispositif expérimental conçu et construit est donc un prototype industriel de taille réelle capable de climatiser 4 pièces. A la fois démonstrateur industriel et banc d'essais instrumenté, il est destiné à mener à bien des séances d'essais afin de démontrer la faisabilité du procédé, de diagnostiquer des améliorations et de prévoir de nouvelles évolutions. Parallèlement aux travaux de construction et aux séances d'essais, des mesures complémentaires concernant certaines caractéristiques thermo-physiques des sorbets d'hydrates de TBAB ont été menées en laboratoire. Enfin, un outil de modélisation a également été développé afin de rattacher les expériences à des phénomènes thermo-physiques théoriques. Cette modélisation a pour but d'être un outil prédicatif à la conception de nouvelles installations et au développement du prototype.

Cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet SCRIB (“dispositif Solaire de Climatisation Réversible Intégré au Bâti”) porté par la société Helioclim. Ce projet est financé par l’état français dans le cadre des « Investissements d’avenir » pilotés par l’ADEME (Agence de l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie). Le but de ce projet est de développer une solution de climatisation solaire réversible capable de répondre à l’ensemble des besoins thermiques des bâtiments industriels et tertiaires (climatisation, chauffage, production de froid industriel, eau chaude sanitaire). Le système est constitué d’une machine à absorption réversible, alimentée par un système de capteurs solaires innovants. Le cycle de la machine à absorption est en configuration GAX (Generator-Absorber heat eXchange – échange de chaleur entre le générateur et l’absorbeur).Ce travail de thèse s’est intéressé au développement d’un outil logiciel aidant à la conception et au contrôle d’une telle machine. Un modèle de connaissance prenant en compte les paramètres de fonctionnement et de dimensionnement a été ainsi mis en œuvre. L’originalité de ce travail repose sur les points suivants :- L’outil logiciel propose plusieurs modules qui permettent de simuler différentes configurations de machine à absorption (mono ou multi-étagée).- Les propriétés thermodynamiques des mélanges ont été modélisées à l’aide de modèles basés sur l’utilisation d’une équation d’état ou d’un modèle d’enthalpie libre d’excès. Ainsi, le couple fluide pourra être facilement changé.- Un modèle de « Flash Positif » permet de prédire l’état de chaque courant (liquide sous-refroidi, liquide-vapeur ou vapeur surchauffée) sans poser d’hypothèses a priori. Chaque courant est considéré multiconstituant.- Les bilans matière et d’énergie sont écrits pour les différents appareils (évaporateur, absorbeur, détenteur,…).- Le générateur est modélisé par un empilement d’étages théoriques. Les équations MESH (Mass balance, Equilibrium, Summation, Heat balance) ont été écrites pour chaque étage.- Les inerties thermiques et de matière sont prises en compte.Les résultats de simulation obtenus à l’aide de cet outil logiciel ont été comparés avec succès à une étude publiée qui concernait un cycle GAX fonctionnant avec le couple ammoniac/eau. A l’aide de cet outil, le régime permanent et le comportement dynamique du système soumis à une perturbation peuvent être simulés, ce qui peut constituer une aide importante dans le développement de la politique de contrôle du système. / This PhD thesis was carried on in the framework of the SCRIB project (“dispositif Solaire de Climatisation Réversible Intégré au Bâti”) led by the Helioclim company. This project is funded by the French government (“Investissements d’Avenir” operated by the French Agency for Energy and Environment, ADEME). The goal of this project is to develop a reversible solar cooling system which can respond to a set of thermal requirements in industrial and tertiary building sector (cooling system, heating system, industrial cooling system and domestic hot water). Thus an ammonia/water absorption chiller prototype, powered by innovative thermal solar concentrators, has been built. This absorption chiller has a GAX (Generator-Absorber heat eXchange) configuration.This PhD work focused on the development of a support tool for the conception and the control of such device. A software tool has been developed implementing knowledge-based model, which took into account the operating and design parameters of the absorption chiller. The key originalities of the proposed work are as follows:- The software has been designed in a modular way allowing the simulation of various absorption chiller configurations (single or multi-stage).- The thermodynamic properties of the mixture have been modeled by equation of state or excess Gibb’s energy model. The working fluids can then be changed easily.- A “Positive Flash” model allows the description of all the possible states (sub-cooled, super-heated, biphasic…) of the various streams which are all considered as multicomponent mixtures, without a priori assumptions.- The various devices (evaporator, absorber, valves, etc.) are modeled from balance equations (mass, energy). - The generator is modeled using the concept of theoretical plates. MESH equations (Mass balance, Equilibrium, Summation, Heat balance) have been written for each stage.- Both thermal and material inertia are considered.Simulation results obtained with this software have been successfully compared to an earlier published experimental study for a GAX configuration absorption chiller which used ammonia/water as working fluids. Thanks to this tool, the steady state and the transient behavior of the system submitted to a perturbation can be simulated, which can be helpful for the development of the control policy of the absorption chiller.

La climatisation par absorption est un système de production de froid tritherme énergétiquement intéressant. La compression mécanique intervenant au sein des systèmes classiques à compression de vapeur (premier poste de consommation énergétique) est remplacée par une compression dite thermochimique nécessitant un apport de chaleur important. Dans le cas d'une application automobile il est possible de faire fonctionner le système grâce aux pertes thermiques du moteur. La climatisation par absorption est à l'étude au sein du service R&D du fabricant d'automobiles PSA Peugeot Citroën depuis une décennie. L'innovation majeure de PSA concerne l’évaporateur/absorbeur : un nouveau système basé sur le confinement du réfrigérant et de la solution absorbante à l'intérieur de structures capillaires a été breveté. Ce nouveau système a pour but d'éviter le mélange intempestif des fluides. L'analyse expérimentale de cet évaporateur/absorbeur a montré que la puissance frigorifique est limitée par le phénomène d'absorption. Il a été prouvé que l'effet frigorifique produit par le système est égal à un tiers de l'effet maximal qui pourrait théoriquement être réalisé. Un modèle simple de la zone d'absorption est proposé, il fournit une ligne directrice pour améliorer la conception du composant. Une revue de la littérature a montré que les modèles d'absorption sont basés sur des hypothèses dont la fiabilité n'est pas évidente. Aussi, la plupart des auteurs considèrent que les propriétés thermophysiques sont constantes. Cette hypothèse a été étudiée dans le cas simple de l'absorption statique. La modélisation des transferts simultanés de chaleur et de masse au sein de la solution absorbante nécessite de prendre en compte l'augmentation de volume de cette dernière. Les équations régissant les transferts ont été résolues par la méthode des volumes finis, sur un maillage dynamique. Deux procédures pour la déformation du maillage ont été mises en oeuvre et comparées. Les résultats numériques ont été comparés aux résultats expérimentaux obtenus sur un banc développé dans le cadre de ce travail et aux données expérimentales issues de la littérature. Enfin, l'impact des gaz incondensables sur le taux d'absorption a été étudié numériquement et expérimentalement, dans le cas de l'absorption statique. Cette étude a permis de confirmer les phénomènes à l'origine de la diminution du taux d'absorption. Cependant, l'effet de la gravité sur l'impact des gaz incondensables n'a pas pu être clarifié avec certitude. / Automotive air conditioning systems are based on the vapour compression cycle that requires mechanical energy for its operation. This mechanical energy is provided by the engine, which engenders year-averaged fuel extra consumptions, and thereby extra pollutant emissions, of the order of 5 %. Absorption cooling technology is of interest as this system could be driven by the engine waste heat.The absorption air conditioning technology has been under the scope of the R&D services of the french manufacturer PSA Peugeot Citroën for a decade. PSA's major innovation concerns the evaporator/absorber: a new system based on the confinement inside capillary structures of refrigerant and absorbent falling films has been patented. This new layout aims at avoiding unwanted mixing of the fluids. Experimental analysis of this original component has shown that the refrigerating effect is limited by the absorption phenomenon. It was proved that the refrigerating effect produced by the system is equal to one third of the maximal effect that could be achieved. A simple model of the absorption part has been proposed. It provides a guideline to improve the design of the component. A literature review has revealed that the absorption models are based on assumptions whose reliability is not obvious. Especially, most of the authors assume that the thermophysical properties are constant. The impact of this assumption has been clarified in the simple case of pool absorption. Modeling the simultaneous heat and mass transfer that takes place in the liquid absorbent requires to account for the increase of the liquid volume. This was achieved by means of a finite-volume treatment of the governing equations over a dynamic grid. Two procedures for the grid deformation have been implemented and compared. The numerical results have been compared to experimental results obtained on a bench developed on purpose and to experimental data from the literature. Finally, the impact of the non-absorbable gases on the absorption rate has been investigated numerically and experimentally, in the pool absorption case. This study enabled to confirm the phenomena at the origin of the decrease of the absorption rate. However, we could not clarify with certainty the importance of gravity-driven flows in the vapour phase, in the presence of non-absorbable gases.

La climatisation automobile est un enjeu majeur pour les constructeurs automobiles dans la mesure où elle occasionne un rejet de 10 g de CO2 par km, une surconsommation énergétique de près de 5 % et sera pris en compte dans le bilan MEVG à l'horizon 2020. Dans cette perspective, le constructeur automobile PSA Peugeot Citroën a développé un nouveau procédé : la climatisation par absorption de vapeur d'eau par une solution saline de bromure de lithium, qui marque la rupture avec le système classique à compression de vapeur. Le travail mené dans ce manuscrit s'est focalisé au niveau de l'organe principal du système, l'évaporateur/absorbeur où les deux fluides s'écoulent et sont confinés chacun entre deux grilles tissées par des effets capillaires. Les transferts de masse et de chaleur qui s'y produisent, ont lieu à l'interface liquide/vapeur formée par des ménisques de forme complexe qui constituent la surface de d'échange. L'objectif est d'intensifier les transferts de masse et de chaleur qui diffuse à travers l'interface. Un banc expérimental permettant la description tridimensionnelle de la forme des ménisques au moyen de la microscopie confocale a été développé. Le modèle « volume of fluid » a été utilisé pour la reconstruction numérique de l'interface liquide/ vapeur. La comparaison entre les données expérimentales et les simulations numériques a montré un bon accord. Ces simulations montrent que l'écoulement est influencé par la grille avec la création de zones mortes et des mouvements de vorticité. Une optimisation numérique a été menée avec comme fonction objectif le flux qui diffuse à travers l'interface. Celle-ci a permis de définir des paramètres optimales de la grille permettant d’atteindre un flux de chaleur de près de 2,5 fois supérieur à celui du cas de référence. Cette optimisation a permis l'identification d'une zone préférentielle dans laquelle les transferts de chaleur sont maxima. Le travail a aussi abordé l'influence de la forme des fils et de la forme des ménisques, montrant qu'il est préférable d’adopter des matériaux à caractère hydrophobe avec des fils à section circulaire. / Abstract The automotive air conditioning is a major challenge for the automotive manufacturers insofar it causes a release of 10 g/CO2/km, engenders an extrafuel consumption of 5 % and will be taken into account in the balance sheet in 2020 MEVG. In this perspective, the automotives constructor PSA Peugeot Citroën has developed a new process, absorption air conditioning of water vapor by lithium bromide solution, which marks a break with the classic vapor-compression system. This manuscript is focused at the main body of the system, an innovative evaporator/absorber where both fluids are flowing down and confined between two finely meshed plastic wire screens and maintained between them by capillary effects. The heat and mass transfers in this system occur at the liquid/vapour interface formed by complex menisci that represent the surface of transfer. An experimental test bench allowing the description of three-dimensional shape of menisci using confocal microscopy has been carried. The volume of fluid model has been used for the numerical reconstruction of the liquid/vapour interface. The comparison between numerical and experimental data has shown a good agreement. Numerical simulations have shown that the flow is influenced by the geometry that promotes the creation of stagnant layer solution and vorticity zones. A numerical optimization has been carried with as objective function the heat rate that di uses through the interface. This one has allowed to get out the optimal parameters allowing to have an heat rate of more than 2.5 times higher compared to the reference case. This optimization has highlighted a preferential zone in which heat transfers are maximum. The work has also dealt with the e ect of the shape of the wires and the effect of the shape of menisci on the transfer, showing that it is preferable to work with hydrophobic materials and with cylindrical wires.

Cette thèse présente les résultats de recherche, de modélisation et de simulation d'un système de rafraîchissement solaire au Maroc dans le cadre du projet PRSM (Procédés de Rafraîchissement Solaire au Maroc) financé par l'IRESEN (Institut de Recherche en Energie Solaire et Energies Nouvelles). L'objectif est d'étudier les facteurs concernant l'optimisation d'une machine à absorption solaire (LiBr-H2O) sous les conditions marocaines. De plus, un certain nombre de critères de conception, qui peuvent être utilisés par les concepteurs de systèmes de climatisation et de chauffage solaires, ont été établis en tenant compte de considérations énergétiques et économiques. En conséquence, cette thèse couvre quatre aspects. Le premier aspect présente un aperçu de recherche bibliographique sur les technologies solaires, en mettant l'accent sur les systèmes du froid solaire, les processus pertinents existants, l'état du marché, les développements récents des technologies les plus prometteuses et les principaux indicateurs de performance qui figurent dans la littérature. De plus, l'aspect expérimental de l'installation de climatisation solaire adopté dans le projet PRSM a été décrit pour identifier les caractéristiques techniques importantes de l'installation et les difficultés rencontrées lors de la réalisation du prototype. La deuxième dimension concerne la faisabilité technique d'un système de climatisation solaire en se basant sur des indicateurs énergétiques et économiques et prenant en compte les effets combinés des climats, des catégories de bâtiments et des besoins en climatisation dans les conditions marocaines. Le troisième aspect présente le stockage latent de l'énergie thermique utilisant les matériaux à changement de phase (MCPs). Il porte sur l'étude des méthodes numériques utilisées dans la modélisation des phénomènes de changement de phase et se concentre également sur l'ajout des MCPs dans le système de climatisation solaire intégré à l'intérieur du ballon solaire connecté au générateur de la machine à absorption pour évaluer l'amélioration possible du rendement du système. Le quatrième volet de cette thèse présente l'analyse technico-économique et de sensibilité appliquée au développement d'un procédé solaire combiné d'eau chaude sanitaire, chauffage et climatisation au Maroc. L'analyse globale via une généralisation des résultats au niveau national a été réalisée en complément d'une analyse de sensibilité liée à l'investissement dans ces systèmes afin d'évaluer le potentiel de remplacement des technologies traditionnelles par les systèmes solaires et les gains éventuels liés à leur implantation au Maroc. / This thesis reports the results of research into the modeling and simulation of a solar air-conditioning system for Morocco in the framework of the project SCPM (Solar Cooling Process in Morocco) funded by IRESEN (Research Institute for Solar Energy and New Energies). The aim is to investigate the factors concerning the optimization of a LiBr-H2O solar absorption chiller under Moroccan conditions. Further, a number of design criteria, which can be used by designers of solar cooling and heating systems, have been established using energy and economic considerations. Accordingly, this thesis covers four aspects. The first overviews the literature survey on solar technologies with a focus on solar cooling systems which reports the relevant processes, summarizes the market status, presents the recent developments of the most promising technologies and describes the main performance indicators figuring in the literature. Moreover, the experimental aspect of the solar air-conditioning installation adopted in the SCPM project was described to identify the important technical characteristics of the installation and the difficulties encountered during the realization of the prototype. The second dimension concerns the technical feasibility of solar air-conditioning system using energy and economic indicators taking into account the combined effects of climates, building categories and cooling demands under Moroccan conditions. The third aspect presents the latent thermal energy storage using Phase Change Materials (PCMs). It concerns the investigation of numerical methods used in the modeling of phase change phenomena and also focuses on PCMs addition in the solar cooling process integrated inside solar storage tank connected to the generator of the absorption chiller to evaluate the possible enhancement in the system efficiency. The fourth aspect of this thesis outlines the technico-economic and sensitivity analysis applied to the development of a combined processes of solar DHW, heating and air-conditioning in Morocco. The overall analysis via a generalization of the results to the national level was carried out in addition to a sensitivity analysis related to the investment in these systems in order to assess the potential of replacing traditional technologies with the solar systems and the possible earnings related to their implementation in Morocco.

L'efficacité énergétique des groupes de production d'eau glacée est caractérisée en Europe par un point de fonctionnement nominal, non représentatif du comportement saisonnier. Afin d'élaborer un index des performances saisonnières, il faut déterminer les performances des groupes de production d'eau glacée à charge partielle, ainsi qu'une représentation des conditions de fonctionnement rencontrées au cours d'une saison. Les performances de plusieurs groupes à puissance étagée sont étudiées en régime stationnaire. Les résultats de deux campagnes expérimentales montrent que l'absence de caractérisation des différents régimes de puissance conduit à des erreurs de conception des équipements qui dégradent leur efficacité énergétique à puissance réduite. Un modèle de comportement des performances des groupes à taux de charge et température d'entrée d'air au d'eau variable est réalisé. Une boucle d'essais permettant la caractérisation des performances dans des conditions de fonctionnement dynamique a été mise au point. Cette boucle permet d'étudier la dégradation des performances en cyclage (fonctionnement du type tout ou rien), essentiellement liée à la puissance électrique de veille de l‘alimentation électrique des équipements. De plus, des essais réalisés sur des groupes à puissance étagée montrent l'existence de défauts de régulation qui dégradent l'efficacité énergétique des équipements. Le couplage du modèle de groupe et des courbes de besoins thermiques simulées pour un bâtiment de bureau permet de calculer les performances saisonnières des groupes pour différents climats et systèmes. Il est mis en évidence que l'efficacité nominale ne permet pas de caractériser l'efficacité énergétique moyenne d'un équipement. Une méthode de réduction des besoins thermiques horaires est mise au point. Elle permet de définir un index de calcul des performances saisonnières des groupes de production d'eau glacée européens.

Afin d’optimiser la taille et le coût des évaporateurs basse pression utilisés dans les systèmes de climatisation à sorption, une bonne connaissance des phénomènes de vaporisation du fluide frigorigène tels qu’ils pourraient se produire dans ces évaporateurs est nécessaire. Cependant très peu d’études portent sur ce sujet et il y a un sérieux manque de données concernant les phénomènes de vaporisation (ébullition et évaporation) qui pourraient se produire dans des évaporateurs compacts basse pression. Le but de cette étude est donc d’aller plus loin dans la compréhension de ces phénomènes aussi bien d’un point de vue très fondamental que d’un point de vue applicatif. Dans cette optique, deux bancs d’essais ont été réalisés. Le premier banc d’essais permet d’étudier le comportement de l’eau dans une configuration d’ébullition en vase à une pression pouvant atteindre 0.8 kPa. À ces basses pressions, l’influence de la hauteur hydrostatique ne peut être négligée. Cette spécificité du milieu d’ébullition a une influence non négligeable sur la taille et la forme des bulles : cette influence est analysée. Les courbes d’ébullition pour des pressions allant de 0.8 kPa à 100 kPa sont tracées. L’ébullition en vase de l’eau dans un premier temps sans puis avec confinement est également étudiée. Des courbes d’ébullition sont tracées pour différentes pressions de vapeur et différentes hauteur de la colonne d’eau. Puis, six différents espaces de confinement sont testés pour des pressions allant de 1.2 kPa à 5 kPa. Un régime d’ébullition spécifique à la basse pression est observé. L’influence de l’apparition de ce régime sur le transfert de chaleur est montrée. Le deuxième banc expérimental permet d’observer la vaporisation de l’eau dans un canal d’évaporateur à plaques de dimension standard (0.2 m de large x 0.5 m de haut) dans des conditions similaires à celles obtenues dans une climatisation à absorption (pressions de travail variant de 16 kPa à 0.85 kPa, remplissage de la plaque variant de 1/2 à1/10 de la hauteur totale de la plaque). Un plan d’expérience est réalisé pour un espacement entre deux plaques de 2 mm et 4 mm. Trois principaux régimes d’ébullition ont été identifiés ainsi que trois différentes zones de travail: une zone d’ébullition en vase, une zone d’évaporation en film et une zone de vapeur. Il a été mis en évidence que la majorité du transfert de chaleur a lieu dans la zone d’évaporation en film. Le film observé dans cette partie est créé suite à la rupture de la membrane d’une bulle de plusieurs centimètres ayant pris naissance dans la partie d’ébullition en vase. Des puissances frigorifiques allant de 0 à 503 W ont été mesurées. Les conditions pour obtenir la meilleure puissance frigorifique possible sont déterminées. Enfin, dans une première tentative vers un dimensionnement des échangeurs compacts basse pression, des premières réflexions basées sur des nombres adimensionnels ont été proposés. / In order to be able to design properly low pressure evaporators for sorption chillers, knowledge on vaporization of the refrigerant under conditions that might occur in these evaporators is fundamental. However, few studies focus on this subject and there is a lack of knowledge about vaporization (boiling or evaporation) phenomena occurring in compact evaporator at low pressure. The aim of the present thesis is thus to go further into the understanding of these phenomena both from a fundamental point of view and from an applicative point of view. In that goal, two experimental test setups were designed and built. The first experimental setup allows the observation of the water behavior at a pressure down to 0.8 kPa in pool boiling configuration. As the hydrostatic pressure is of the same order of magnitude as the vapor pressure, the boiling environment is highly subcooled. This unusual environment has an influence on the bubble size and on the bubble growth: its influence is analyzed. Boiling curves for pressures ranging from 0.8 kPa to 100 kPa were also plotted. Then, in order to be closer to a plate-type heat exchanger configuration, water pool-boiling in vertical configuration first without and then with confinement was studied. Boiling curves for a pressure ranging from 1.2 kPa to 5 kPa, different heights of the liquid level and for different channel thicknesses were plotted and analyzed. The occurrence of a specific boiling regime is observed. The influence of the onset of this specific regime on the heat transfer is shown. The significance of the Bond number, often used in study of boiling in confined space, is also discussed. The second experimental setup allows the observation of the water vaporization inside a channel of a smooth plate-type heat exchanger (0.2 m width x 0.5 m height) in conditions that might occur in sorption chillers (working pressure ranging from 16 kPa to 0.85 kPa, secondary fluid temperature ranging from 10.9 to 23.1 °C, filling ratio ranging from 1/2 to 1/10 of the whole channel height). The methodology of the design of experiments was followed for a thickness of the channel equal to 2 mm and 4 mm. Three mains flow regimes were observed and three different working areas were identified: a pool boiling area, a film evaporation area and a vapor area. The major part of the cooling capacity achieved is obtained in the film evaporation area. In this part, the creation of a liquid film due to the splashing of droplets is observed. These droplets come from the breaks of the membrane of a previously formed large bubble of several centimeters in the pool boiling area, few centimeters above the free surface. Cooling capacities ranging from 0 to 503 W were measured and conditions to obtain the best cooling capacity were determined. Finally, in order to provide some first guidelines for the design of low pressure evaporators, reflexions based on dimensionless numbers are proposed.

Depuis plusieurs années de nouveaux procédés industriels destinés à la réfrigération et à la climatisation sont étudiés et mis sur le marché. Parmi ceux qui commencent à connaître des débouchés commerciaux on compte les systèmes utilisant des fluides frigoporteurs diphasiques solide/liquide. Ces dispositifs offrent en effet les avantages de réduire l’utilisation des fluides frigorigènes de plus en plus réglementée et de pouvoir lisser la production de froid sur 24 heures grâce à la possibilité de stocker ces fluides diphasiques. Le domaine de la réfrigération connaît au niveau européen, grâce à plusieurs industriels, un premier essor de l’utilisation de « coulis » ou « sorbet » de glace. La climatisation industrielle ou collective représente également un enjeu énergétique majeur tant du point de vue de la consommation énergétique instantanée qu’elle nécessite que du point de vue des “pics” qu’elle génère à certaine périodes de la journée.Dans ce domaine et sur le continent asiatique (particulièrement au Japon), l’utilisation de sorbets est également en phase d’expansion. Dans ce cas, les sorbets utilisés sont des « coulis d’hydrates » qui présentent l’intérêt de cristalliser à des températures positives plus adaptées à la climatisation que celles des « coulis de glace ».Ces travaux de thèse ont donc consisté à adapter une technologie de réfrigération disponible sur le marché européen au domaine de la climatisation. Le fluide utilisé est une solution de TBAB (Bromure de Tetra-ButylAmmonium) qui est une solution aqueuse dont la température de cristallisation à pression atmosphérique peut être ajustée entre environ 6 et 12°C. Le dispositif expérimental conçu et construit est donc un prototype industriel de taille réelle capable de climatiser 4 pièces. A la fois démonstrateur industriel et banc d’essais instrumenté, il est destiné à mener à bien des séances d’essais afin de démontrer la faisabilité du procédé, de diagnostiquer des améliorations et de prévoir de nouvelles évolutions. Parallèlement aux travaux de construction et aux séances d’essais, des mesures complémentaires concernant certaines caractéristiques thermo-physiques des sorbets d’hydrates de TBAB ont été menées en laboratoire. Enfin, un outil de modélisation a également été développé afin de rattacher les expériences à des phénomènes thermo-physiques théoriques. Cette modélisation a pour but d’être un outil prédicatif à la conception de nouvelles installations et au développement du prototype. / For some years, new industrial processes have been developed and marketed in the refrigeration and air conditioning fields. Among systems which begin to have good business opportunities some are using two-phase secondary refrigerants solid / liquid. This kind of technology offers the advantages of reducing the use of classical refrigerants which are regulated and can smooth the production of cold over 24 hours with its ability to store the slurry. At the European level, thanks to the efforts of several manufacturers, the refrigeration field is developing fast with respect to the use of ice slurries. Moreover the industrial or district air conditioning field is a major energetic issue in terms of the immediate energy it requires as well as in terms of "peaks" generated during certain periods of the day.In this field, especially in Japan, the use of “PCM” (Phase Change Material) is additionally developing. In this technological segment, the PCM used are hydrate slurries. This solution has the advantage of crystallizing at positive temperatures which is more suited for the air conditioning than ice slurries.This research work deals with the adaption of a refrigeration technology available on the European market to the field of air conditioning. The fluid used is an aqueous solution of TBAB (Tetra-Butylammonium Bromide) with a crystallization temperature at atmospheric pressure which can be adjusted to a temperature between 6 and 12°C. The experimental device designed and installed is a real size prototype able to cool 4 rooms. Both the industrial demonstrator as well as instrumented test bench allowed us to carry out practice sessions which demonstrated the feasibility of the process. It also allowed us to design improvements and new developments. In parallel to the construction and the experiments, additional measurements concerning some thermo-physical characteristics of TBAB hydrate slurries were conducted in specialised laboratory. Finally, a modelling tool was also developed in order to relate our experiments with theoretical thermo-physical phenomena. This numerical model is intended to be a predicative tool for the design of new installations and for the development of the prototype.

Le transfert radiatif dû aux gaz joue un rôle important dans les applications industrielles comme les chambres de combustion, les sciences atmosphériques, etc. Plusieurs modèles ont été proposées pour estimer les propriétés radiatives des gaz. Le plus précis est l'approche dite Raie Par Raie (RPR). Cependant, cette méthode implique un coût de calcul excessif qui la rend inappropriée pour la plupart des applications. Néanmoins, elle reste la méthode de référence que nous utiliserons pour l'évaluation d’autres modèles approchés. Le modèle de coefficient d’absorption corrélé (Ck) est généralement suffisant pour de nombreuses applications. Cette méthode est réputée précise lorsque petits gradients de température sont rencontrés au sein du gaz. Toutefois, si le milieu gazeux est soumis à d'importants gradients de température, la méthode Ck peut conduire à des erreurs qui peuvent atteindre 50% en termes de flux radiatifs par rapport à des simulations de RPR. Le but de cette thèse est de proposer une version améliorée de la méthode Ck, appelée l'approche de coefficient d’absorption corrélé en multi spectral (MSCk). La principale différence entre les modèles Ck et MSCk est que, dans l'approche Ck les intervalles spectraux sur lesquels les propriétés radiatives des gaz sont moyennées sont choisis contiguës alors que, dans l’approche MSCk, ces intervalles sont construits afin d'assurer que le coefficient d'absorption soit corrélé sur ces intervalles. Par conséquent, l'hypothèse de corrélation dans l’approche MSCk est mieux adaptée que dans l’approche Ck. La construction de ces intervalles spectraux (en utilisant la méthode de classification automatique de données fonctionnelles) est détaillée. Cette approche est évaluée par rapport à la référence RPR dans plusieurs cas test. Ces cas traitent de mélanges de gaz (H2O-N2 et H2O-CO2-N2) dans l’intervalle de température [300-3000K]. Les résultats montrent que la méthode MSCk permet d'obtenir de meilleures précisions que les méthodes Ck tout en restant acceptable en termes de coût de calcul. / Radiative heat transfer of gas plays an important role in industrial applications such as in combustion chambers, atmospheric sciences, etc. Several models [11] have been proposed to estimate the radiative properties of gases. The most accurate one is the Line-By-Line (LBL) approach. However, this technique involves excessive computation cost which makes it inappropriate for most applications. Nevertheless, it remains the reference approach for the assessment of other approximate models. The Correlated k-distribution method (Ck) [11] was shown to be a relevant choice for many applications. This method performs usually well, when only small temperature gradients are involved [21]. However, if the gaseous medium is subject to large temperature gradients, it may lead to errors that can reach 50% in terms of radiative heat fluxes when compared to LBL simulations [21]. The aim of the present paper is to propose an enhanced version of the Ck method, called the Multi-Spectral Correlated k-distribution approach (MSCk). The main difference between Ck and MSCk models is that in the Ck approach spectral intervals over which the radiative properties of the gas are averaged are chosen contiguous whereas, in the MSCk technique, those intervals are built in order to ensure that the absorption coefficient are scaled over them [27]. Accordingly, the usual assumption of correlated spectrum used in k-distribution approaches for the treatment of non uniformities is more acceptable in the MSCk case than in the Ck one. The building of those spectral intervals (using Functional Data Clustering, [52]) is detailed and the approach is assessed against LBL reference data in several test cases. These cases involve H2O-N2 and H2O-CO2-N2 mixtures in the [300-3000K] temperature range. Results show that the MSCk method enables to achieve better accuracies than Ck methods while remaining acceptable in terms of computational cost.

Les travaux de cette thèse s’inscrivent dans le cadre de la mise en place d’une méthodologie innovante de gestion thermique globale des véhicules automobiles. Ils portent plus particulièrement sur l’analyse de la réduction des émissions de polluants et l’amélioration des performances énergétiques d’un moteur à combustion, notamment dans les charges partielles ou en régime transitoire. Le premier objectif vise la mise en évidence de l’effet de la température d’admission sur le fonctionnement du moteur. Le deuxième objectif est relatif à la prédiction de l’apparition des phénomènes de condensation inhérents aux procédés de recirculation des gaz d’échappement à l’admission moteur. Enfin le troisième objectif est la modélisation et la mise en œuvre d’un circuit d’eau refroidit par la boucle de climatisation dont la fonction est de sous refroidir les gaz d’admission du moteur. Le premier chapitre est consacré à la présentation du système thermique véhicule et de la démarche de conception en V adoptée dans ce travail. Dans le second chapitre, et après avoir mis en évidence les effets d’un sous refroidissement des gaz admission sur le rendement thermodynamique du moteur, on montre à l’aide d’une étude technologique et numérique de la boucle de climatisation qu’il est possible d’opérer ce refroidissement par un système embarqué capable de se régénérer thermiquement lors d’un freinage. Le troisième chapitre est dédié à la modélisation du système à l’aide d’une modélisation énergétique centrée sur l’utilisation du langage bond graph. Le dernier chapitre est dédié au volet expérimental afin de valider d’une part le modèle de condensation et d’autres part un démonstrateur d’hybridation thermique et ses stratégies de pilotage / The work of this thesis is part of the development of an innovative methodology in the field of global thermal management for motor vehicles. It focuses specifically on the analysis of the reduction of pollutant emissions and improving energy efficiency of a combustion engine, especially in partial load or transient operation. The first objective is to analyze the effect of inlet temperature on the engine performance. The second objective relates to the prediction of the condensation processes inherent to exhaust gas recirculation into the engine intake. Finally, the third objective is the modeling and implementation of a water circuit cooled by the air conditioning loop and whose function is to cool the gases in at the engine intake.The first chapter is devoted to the presentation of the vehicle thermal management system and the design process adopted in this work. In the second chapter, after having shown the effects of intake gas cooling on the thermodynamic efficiency of the engine, it is shown with a numerical and technological study of the air conditioning loop that is possible to operate an onboard cooling system that is capable of regenerating heat when braking. The third chapter focuses on system modeling using an energy modeling focuses on the use of bond graph language. The final chapter is dedicated to the experimental part with the objective of validating the model of gas condensation and a demonstrator of thermal hybridation and its control strategies