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.

Pour être utilisé en réfrigération secondaire comme matériau à changement de phase dans un fluide frigoporteur, un hydrate doit posséder une enthalpie de dissociation élevée, à une température adaptée à l’application (positive pour de la climatisation) et à une pression acceptable pour une installation industrielle. De plus, le mélange diphasique doit présenter de bonnes conditions d’écoulement et d’échanges thermiques. Un dispositif dynamique constitué d'un réacteur agité et d'une boucle de circulation, placé dans une chambre climatique, a été développé pour l’étude de coulis d’hydrates de dioxyde de carbone. Pour ce dispositif, un protocole a été mis en œuvre pour le refroidissement d’une solution chargée en CO2, générant des coulis d'hydrate à taux d’hydrate allant jusqu'à 25°% véhiculant une chaleur latente importante (374 kJ.kg-1). Une étude cinétique sur la formation des hydrates de CO2 dans le réacteur agité à été réalisé et montre que la cinétique de formation de ces hydrates est de 2 %.h-1 dans le réacteur pour une pression, une température, et une vitesse d'agitation de départ de 3 MPa, 12 °C et 1042 tr/min et pour une température de consigne du groupe froid de -1 °C. L’étude rhéologique du coulis a permis de mettre en place une corrélation empirique de type Herschel-Bulkley en fonction du taux d’hydrates qui permet une caractérisation satisfaisante du comportement rhéologique du fluide. Les résultats de l’étude thermique ont permis d’établir des corrélations entre les nombres de Nusselt et de Reynolds qui caractérisent les régimes de fonctionnement thermique du système. / To be used as phase change material in a secondary refrigerant, a hydrate must enclose a high dissociation enthalpy, at a temperature adapted to the application (positive for air-conditioning) and a pressure suitable for an industrial facility. Moreover, the two-phase mixture must present good conditions of flowing and heat exchange. A dynamical set-up with a stirred tank reactor with a loop of circulation, placed in a thermostated room, was developed for the study of carbon-dioxide-hydrate slurries. In this set-up, one protocol was carried out: by cooling of a water-CO2 solution, generating slurries hydrate rates 25 %, conveying a high latent heat (374 kJ.kg-1). A study of CO2 hydrate formation kinetics was lead in the tank reactor and the results showed the CO2 hydrate formation kinetics is 2 %.h-1 for a pressure, temperature and a stirring rate at the begin of 3 MPa, 12°C and 1042°rpm and a temperature of the chiller about -1°C. A study rheological allows the development of an empirical Herschel-Bulkley-type correlation as a function of the hydrate rate was achieved for rheological characterization of the fluid behavior. The thermal results obtained allow establishing correlation as a function of Nusselt and Reynolds number which characterize operational regimes of the system thermal.

A présent, les bâtiments résidentiels et commerciaux sont en phase de devenir le secteur le plus consommateur d’énergie dans de nombreux pays, comme par exemple en France. Diverses recherches ont été menées de manière à réduire la consommation énergétiques des bâtiments et augmenter leur confort thermique. Parmi tous les différentes approches, la technologie du stockage de chaleur latent se distingue par une très bonne capacité à stocker la chaleur afin de réduire les écarts entre la disponibilité et la demande d’énergie. Dans le cadre de l’un de nos projets, nous avons l’intention d’intégrer au design des murs des bâtiments un type de brique transparente remplie de matériaux à changement de phase (MCP). Les MCP à l’intérieur de la brique sont soumis à des changements de phase liquide-solide. Cette thèse s’attaque à la problématique du processus de fusion au sein de la brique. Au cours de cette thèse, une méthode expérimentale non-intrusive a été développée afin d’améliorer les techniques expérimentales existantes. La vélocimétrie des images des particules (VIP) et la fluorescence induite par laser (FIL) ont été couplées pour étudier la convection naturelle et la distribution de la température. Puisqu’aucun thermocouple n’a été inséré au sein de la brique, le processus de la fusion a été considéré sans perturbation. Les résultats montrent que cette conception expérimentale a un avenir prometteur, même si elle reste à améliorer. Par la suite, nous présentons deux simulations numériques. Ces simulations se fondent sur la méthode de Boltzmann sur réseau à temps de relaxation multiple (LBM MRT), employée pour résoudre le champ de vitesse, et sur la méthode de différences finies, pour obtenir la distribution de la température. La méthode d’enthalpie a quant à elle été utilisée pour simuler le changement de phase. Les simulations en deux dimensions et trois dimensions ont toutes deux été réalisées avec succès. Point important, ces simulations numériques ont été développées en langage C pour tourner spécifiquement sur un processeur graphique (GPU), afin d’augmenter l’efficacité de la simulation en profitant de la capacité de calcul d’un GPU. Les résultats des simulations concordent bien avec les résultats de nos expériences et avec les résultats analytiques publiés. / The domestic and commercial buildings are currently becoming the major sector that consumes the biggest share of the energy in many countries, for example in France. Various researches have been carried out in order to reduce the energy consumption and increase the thermal comfort of builds. Among all the possible approaches, the latent heat storage technology distinguishes itself because of its excellent heat storage ability which can be used to efficiently reduce the discrepancy between the energy consumption and supply. In one of our project, we intend to integrate a type of transparent brick filled with phase change material (PCM) into the buildings' wall design. The PCM inside the brick undergoes the solid-liquid phase change. This dissertation addresses the important issues of the melting process inside the brick. In this dissertation, a non-intrusive experimental method was proposed to improve the existing experiment technique. The particle image velocimetry (PIV) and the laser-induced fluorescence (LIF) were coupled to investigate the natural convection and the temperature distribution. Because there was no thermocouple installed inside the brick, the melting process was thus considered to be less impacted. The results showed that this experimental design has a promising future, yet still needs to be improved. Two sets of efficient numerical simulations were also presented in this dissertation. The simulations were based on the thermal lattice Boltzmann method (TLBM), where the natural convection got solved by the LBM and the temperature equation was solved by the finite difference scheme. The enthalpy method was employed to simulate the phase change. Both the 2-dimensional and 3-dimensional configurations were successfully simulated. Moreover, the simulation programs were specifically developed - using the C language - to be run on the graphic processing unit (GPU), in order to increase the simulation efficiency. The simulation results demonstrated a good agreement with our experimental results and the published analytical results.

La demande d'énergie consommée par les habitants a connu une croissance significative au cours des 30 dernières années. Par conséquent, des actions sont menées en vue de développement des énergies renouvelables et en particulier de l'énergie solaire. De nombreuses solutions technologiques ont ensuite été proposées, telles que les capteurs solaires PV/T dont l'objectif est d'améliorer la performance des panneaux PV en récupérant l’énergie thermique qu’ils dissipent à l’aide d’un fluide caloporteur. Les recherches en vue de l'amélioration des productivités thermiques et électriques de ces composants ont conduit à l'intégration progressive à l’enveloppe des bâtiments afin d'améliorer leur surface de captation d’énergie solaire. Face à la problématique énergétique, les solutions envisagées dans le domaine du bâtiment s’orientent sur un mix énergétique favorisant la production locale ainsi que l’autoconsommation. Concernant l’électricité, les systèmes photovoltaïques intégrés au bâtiment (BIPV) représentent l’une des rares technologies capables de produire de l’électricité localement et sans émettre de gaz à effet de serre. Cependant, le niveau de température auquel fonctionnent ces composants et en particulier les composants cristallins, influence sensiblement leur efficacité ainsi que leur durée de vie. Ceci est donc d’autant plus vrai en configuration d’intégration. Ces deux constats mettent en lumière l’importance du refroidissement passif par convection naturelle de ces modules. Ce travail porte sur la simulation numérique d'une façade PV partiellement transparente et ventilée, conçu pour le rafraichissement en été (par convection naturelle) et pour la récupération de chaleur en hiver (par ventilation mécanique). Pour les deux configurations, l'air dans la cavité est chauffé par la transmission du rayonnement solaire à travers des surfaces vitrées, et par les échanges convectif et radiatif. Le système est simulé à l'aide d'un modèle multi-physique réduit adapté à une grande échelle dans des conditions réelles d'exploitation et développé pour l'environnement logiciel TRNSYS. La validation du modèle est ensuite présentée en utilisant des données expérimentales du projet RESSOURCES (ANR-PREBAT 2007). Cette étape a conduit, dans le troisième chapitre du calcul des besoins de chauffage et de refroidissement d'un bâtiment et l'évaluation de l'impact des variations climatiques sur les performances du système. Les résultats ont permis enfin d'effectuer une analyse énergétique et exergo-économique. / The demand of energy consumed by human kind has been growing significantly over the past 30 years. Therefore, various actions are taken for the development of renewable energy and in particular solar energy. Many technological solutions have then been proposed, such as solar PV/T collectors whose objective is to improve the PV panels performance by recovering the heat lost with a heat removal fluid. The research for the improvement of the thermal and electrical productivities of these components has led to the gradual integration of the solar components into building in order to improve their absorbing area. Among technologies capable to produce electricity locally without con-tributing to greenhouse gas (GHG) releases is building integrated PV systems (BIPV). However, when exposed to intense solar radiation, the temperature of PV modules increases significantly, leading to a reduction in efficiency so that only about 14% of the incident radiation is converted into electrical energy. The high temperature also decreases the life of the modules, thereby making passive cooling of the PV components through natural convection a desirable and cost-effective means of overcoming both difficulties. A numerical model of heat transfer and fluid flow characteristics of natural convection of air is therefore undertaken so as to provide reliable information for the design of BIPV. A simplified numerical model is used to model the PVT collector so as to gain an understanding of the complex processes involved in cooling of integrated photovoltaic arrays in double-skin building surfaces. This work addresses the numerical simulation of a semi-transparent, ventilated PV façade designed for cooling in summer (by natural convection) and for heat recovery in winter (by mechanical ventilation). For both configurations, air in the cavity between the two building skins (photovoltaic façade and the primary building wall) is heated by transmission through transparent glazed sections, and by convective and radiative exchange. The system is simulated with the aid of a reduced-order multi-physics model adapted to a full scale arrangement operating under real conditions and developed for the TRNSYS software environment. Validation of the model and the subsequent simulation of a building-coupled system are then presented, which were undertaken using experimental data from the RESSOURCES project (ANR-PREBAT 2007). This step led, in the third chapter to the calculation of the heating and cooling needs of a simulated building and the investigation of impact of climatic variations on the system performance. The results have permitted finally to perform the exergy and exergoeconomic analysis.

Cette thèse porte sur l’étude du comportement thermique des systèmes photovoltaïques (PV). La première partie de la thèse rassemble et étend l’état de l’art sur la dépendance en température des rendements de conversion PV. L’analyse détaille l’ensemble des phénomènes physiques mis en jeu afin d’améliorer la compréhension des coefficients de température des différentes technologies de cellules PV. La seconde partie de la thèse recense les travaux de recherches effectués pour mitiger l’impact négatif de la température sur les performances des systèmes PV et propose une approche originale qui consiste à prendre en compte les conditions de fonctionnement du système dans le processus d’optimisation de ses caractéristiques. Afin de réaliser de telles optimisations, un modèle thermique complet et général pour les systèmes de conversion photovoltaïque est développé. Enfin, des applications à des systèmes photovoltaïque et thermophotovoltaïque démontrent la pertinence de l'approche proposée. / This Ph.D. thesis manuscript reports on a study about the physics of the thermal behavior of photovoltaic (PV) systems. While it is long known that the conversion efficiency of PV devices deteriorates when their temperature increases, a detailed analysis of all the mechanisms involved was not available to date in the literature. Part I of this manuscript gathers and extends the existing works on the topic in order to offer a comprehensive view of the physics involved in the temperature sensitivities of PV systems. First, temperature coefficients, which quantify the temperature dependences, are analyzed in the radiative limit (which is the fundamental limit for PV conversion). Then, the additional loss mechanisms of real PV devices are introduced and their impacts on the temperature coefficients are assessed. The existing theoretical expressions of the temperature coefficients of important solar cell parameters (namely open-circuit voltage, short-circuit current and fill factor) are reviewed. A new formulation of the temperature coefficient of the open-circuit voltage that incorporates the concept of External Radiative Efficiency (ERE) is proposed. The theoretical expressions are compared to experimental results on crystalline silicon cells from measurements made at the University of New South Wales (UNSW, Australia) and from the literature. Using the understanding of the relation between the temperature coefficients and device physics, the special cases of silicon heterojunction cells and cells made from compensated silicon are examined. Because temperature has a critical impact on the performances of PV devices, several studies aimed on the one hand at predicting the temperature of PV modules from their operating conditions and on the other hand at designing inexpensive cooling solutions. The goal of Part II of this manuscript is to propose an original approach to minimize the temperature-induced losses in PV systems. The idea is to include the operating conditions in the optimization of the system parameters in order to maximize the power produced in these conditions rather than in the Standard Test Conditions (STC). These original optimizations are based on a comprehensive thermal model of PV cells that captures all of the physical mechanisms involved in the generation of heat within the cell. Following the presentation of this thermal model, several examples of global optimization (i.e. a thermal criterion is added to the usual optical and electrical ones) are presented. Some of these examples apply to standard solar cells while others demonstrate that this kind of optimization can be applied to other PV systems such as thermophotovoltaic (TPV) converters (solar or near-field TPV). The recent trend of the PV industry towards the creation of products specifically adapted to a given use suggests that these original optimizations that take into account the system operating conditions could be implemented in the near future.

L’ébullition est un mode de transfert de chaleur très efficace utilisé dans de nombreux systèmes technologiques comme les centrales nucléaires ou refroidissement de micro-électronique. La prédiction des échanges thermiques par ébullition reste actuellement très délicate, en raison de la complexité du phénomène, malgré des décennies de recherche sur le sujet. Le coefficient de transfert thermique est intimement lié à la dynamique de bulles (nucléation des bulles, croissance et détachement) ainsi qu’à des facteurs tels la densité de sites de nucléation ou les interactions entre bulles voisines et successives. La présente étude porte sur l’ébullition saturée sur un site de nucléation artificiel unique (ou deux sites voisins) sur une paroi en cuivre poli. La dynamique de croissance des bulles a été caractérisée pour différentes surchauffes de paroi et une loi expérimentale de croissance a été établie. Les interactions entre bulles successives issues du même site ont été étudiées, montrant qu’elles peuvent provoquer des oscillations de la bulle en croissance. Les forces agissant sur une bulle en croissance ont été clairement définies, et un bilan de quantité de mouvement a été réalisé à tous les stades de la croissance d’une bulle. La courbure le long de l’interface a été mesurée, ce qui a permis de mieux saisir le mécanisme de détachement de la bulle. L’ascension d’une bulle après son détachement a été analysée, et la vitesse maximale atteinte avant un changement de direction a été estimée et comparée aux modèles existants dans la littérature. L’interaction entre bulles croissant côte à côte a été étudiée. La génération et la propagation d’une onde lors de la coalescence a été mise en évidence. Dans le contexte de travaux de recherche sur des techniques d’intensification des échanges thermiques, cette étude se penche particulièrement sur l’intensification par électrohydrodynamique. Des expériences d’ébullition ont été réalisées en présence de champs électriques, et leurs effets sur les transferts thermiques et sur la dynamique des bulles ont été analysés. Bien que le volume au détachement des bulles et la relation entre la fréquence et la surchauffe reste inchangées, la courbe de croissance des bulles est modifiée. Les bulles sont allongées dans la direction du champ électrique, et cette élongation a été estimée et comparée à d’autres résultats de la littérature. La vitesse d’ascension des bulles est réduite en présence de champs électriques, et les interactions de bulles voisines sont modifiées: il s’avère qu’en présence de champs électriques les bulles ont tendance à se repousser. Ces résultats, obtenus dans un environnement parfaitement contrôlé apportent la preuve que la présence de champs électriques modifie la dynamique des bulles et par conséquents les transferts thermiques associés. / Since boiling heat transfer affords a very effective means to transfer heat, it is implemented in numerous technologies and industries ranging from large power generation plants to micro-electronic thermal management. Although having been a subject of research for several decades, an accurate prediction of boiling heat transfer is still challenging due to the complexity of the coupled mechanisms involved. It appears that the boiling heat transfer coefficient is intimately related to bubble dynamics (i.e. bubble nucleation, growth and detachment) as well as factors such as nucleation site density and interaction between neighbouring and successive bubbles. In order to contribute to the understanding of the boiling phenomenon, an experimental investigation of saturated pool boiling from a single or two neighbouring artificial nucleation sites on a polished copper surface has been performed. The bubble growth dynamics has been characterized for different wall superheats and a experimental growth law has been established. The interaction between successive bubbles from the same nucleation site has been studied, showing the bubble shape oscillations that can be caused by these interactions. The forces acting on a growing bubble has been reviewed, and a complete momentum balance has been made for all stages of bubble growth. The curvature along the interface has been measured, and indications concerning the mechanism of bubble detachment have been suggested. The rise of bubble after detachment has been investigated, and the maximum velocity reached before a change of direction has been estimated and compared to existing models from the literature. The interaction between bubbles growing side by side has been studied: the generation and propagation of a wave front during the coalescence of two bubbles has been highlighted. As boiling heat transfer enhancement techniques are being imagined and developed, this study also focuses on the electrohydrodynamic enhancement technique. Boiling experiments have been performed in the presence of electric fields, and their effects on heat transfer and bubble dynamics have been characterized. Although the volume of the bubbles at detachment and the relationship between the bubble frequency and the wall superheat were not affected, the bubble growth curve was modified. The bubbles were elongated in the direction of the electric field, and this elongation was estimated and compared to other studies from the literature. The rising velocity of the bubble was reduced in the presence of electric field, and the behaviour of bubbles growing side by side was modified, the electric field causing the bubbles to repeal each other. These results, obtained in a fully controlled environment, provide compelling evidence that electric fields can be implemented to alter the bubble dynamics and subsequently heat transfer rates during boiling of dielectric fluids.

La réduction de la consommation des bâtiments passe par : l'économie d'énergie, l'efficacité énergétique et l'utilisation des énergies renouvelables. Sur ce dernier point, l'intégration à grande échelle de composants photovoltaïques (PV) est une solution. Le rendement et la durée de vie des cellules PV en silicium cristalin diminuant avec l'augmentation de leur température de fonctionnement, il est essentiel de mettre au point des configurations d'intégration limitant leur échauffement. L'intégration en configuration de double-peau – la surface PV est séparée du bâtiment par une lame d'air – est une solution prometteuse. Sous l'effet de la chaleur, un écoulement de convection naturelle se met en place entre les deux parois, refroidissant ainsi les panneaux PV. Cet écoulement peut également servir de moteur pour la ventilation en été, et de préchauffage de l'air en hiver. Cette étude, expérimentale, fait partie d'un projet visant à comprendre le fonctionnement des double-peaux PV en analysant séparément les différents phénomènes physiques avant de prendre en compte l'ensemble des couplages. Elle porte plus particulièrement sur la convection naturelle au sein des double-façades verticales. Ici, la double-peau est modélisée par un canal vertical dont les deux parois principales sont chauffées sous des conditions de flux imposé. Un banc d'essais a été développé pour étudier la convection naturelle dans un canal vertical en eau. L'eau a été choisie pour se placer dans le cas d'un écoulement de convection pure (pas de rayonnement entre les parois). C'est un canal vertical de 65 cm de haut avec un écartement réglable placé dans une cuve de 1,5 m de haut contenant 160 L d'eau. Les parois sont chauffées à l'aide de 24 chaufferettes indépendantes délivrant un flux de chaleur uniforme, ce qui permet d'appliquer différentes configurations de chauffage. Des mesures de flux et de température sont réalisées au niveau des parois, et un système couplant de la velocimétrie laser Doppler deux composantes à un micro-thermocouple (25 μm) a été développé pour avoir accès aux vitesses verticale et horizontale et à la température dans le canal. Ce banc et son instrumentation sont décrits et les incertitudes de mesure associées ont été caractérisées. La configuration de chauffage uniforme symétrique a été étudiée ici pour différentes puissances injectées. Les profils de vitesse et de température moyennes mettent en évidence la présence d'un changement de régime d'écoulement dans le canal pour un nombre de Rayleigh indéntifié. L'étude approfondie des profils des fluctuations de vitesse et de température a permis de mettre au point une modélisation comportementale de ce changement de régime. De plus, une première approche est développée pour évaluer la pression dans le canal à partir de l'analyse et de l'estimation des différents termes de l'équation de conservation de la quantité de mouvement. / Reducing the building consumption passes through : energy saving, energy efficiency and the use of renewable energy sources for a local production of electricity. For the last point, the building integrated photovoltaic systems represent a promising solution. However, electrical yield and life time of silicon solar cells decrease with the increase of its operating temperature, that is why integrated configurations which limits cell overheating must be developed. The solution considered is the double-skin façade configuration : photovoltaic panels are separated from the building wall(or roof) by an opened air channel. This induces a natural convection flow that cools the rear surface of the photovoltaic panels. This flow can also be used for natural ventilation of buildings in summer or for air preheating in winter. This experimental study is part of a project on photovoltaic double-skin façades. In this project, each physical phenomena are analysed separately first, and the coupling between the different phenomena are studied in a second time. This thesis deals with the natural convection into the vertical double-skin façades. The system is modelled by a vertical channel with isoflux heating at the two mains walls. An experimental apparatus was developed in the laboratory for studying natural convection in water in a vertical channel. Water is used as the working fluid to avoid radiative heat transfer and obtain a pure convective flow. The channel is 65 cm high with an adjustable gap. It is placed in a 1.5 m high glass tank filled with 160 L of distilled water. The main walls are heated through 24 independant electrical heaters maintaining a constant heat flux, which allows differents boundary condition (symmetrical, asymmetrical, uniforme, alternated, etc). Heat flux and temperature measurements are made at the walls. The velocity (horizontal and vertical) and temperature of the flow are measured through a two components Laser Doppler Velocimetry system combined with a micro-thermocouple (25 μm diameter). This apparatus is described in details and the measurement uncertainties were characterized. The symmetrical uniform heating configuration was studied here with the analyse of velocity and temperature profiles in the channel for several input power (46 W to 562 W). These profiles show a change in flow regime in the channel that is analysed with turbulent quantities along the channel. Moreover, the pressure is estimated in the channel from the analysis of all the terms of the momentum conservation equations.

Face à la problématique énergétique, les solutions envisagées dans le domaine du bâtiment s’orientent sur un mix énergétique favorisant la production locale ainsi que l’autoconsommation. Concernant l’électricité, les systèmes photovoltaïques intégrés au bâtiment (BiPV) représentent l’une des rares technologies capables de produire de l’électricité localement et sans émettre de gaz à effet de serre. Cependant, le niveau de température auquel fonctionnent ces composants, influence sensiblement leur efficacité ainsi que leur durée de vie. Ces deux constats mettent en lumière l’importance du refroidissement passif par convection naturelle de ces modules. La configuration privilégiée est une configuration d’intégration au sein d’une enveloppe ventilée qualifiée de double-peau photovoltaïque. La présente étude expérimentale porte sur les transferts de chaleur et les caractéristiques de l’écoulement en convection naturelle dans des canaux chauffés verticaux ou inclinés. Deux bancs d’essais existants ont été complétés afin d’obtenir des données. Ils sont composés de deux plaques planes parallèles séparées par une lame d’air. Les parois sont soumises à des conditions aux limites de type densité de flux imposée. Les températures moyennes à la paroi ont été mesurées par thermocouples. Un système de vélocimétrie par image de particules a permis d’obtenir des profils de vitesse moyenne ainsi que les distributions d’intensité turbulente dans l’écoulement. Les champs de vitesse instantanée ont également été examinés. Trois configurations ont été étudiées avec un nombre de Rayleigh variant entre 3,86 x 105 et 6,22 x 106. La première est un canal vertical avec une des deux parois chauffée uniformément. La seconde est un canal vertical dans lequel les deux parois sont chauffées de façon non-uniforme et alternée. La troisième est de type canal incliné chauffé uniformément sur la paroi supérieure. Le rapport de forme du canal (largeur/hauteur) est de 1/15 pour le deux premières configurations et de 1/16 pour la troisième. Une attention particulière a été portée sur l’identification de la zone de transition laminaire-turbulent. L’étude a permis de mettre en évidence la sensibilité de l’écoulement aux perturbations extérieures. Pour un chauffage uniforme et asymétrique, à partir d’un nombre de Rayleigh Ra* de 3.5 x 106 et pour θ = 60° et 90°, il a été constaté que la propagation de structures cohérentes dans le canal a lieu à partir de la mi-hauteur de ce canal. Ces instabilités favorisent alors les transferts thermiques. Dans le cas d’un chauffage non-uniforme sur les deux parois du canal, l’écoulement est fortement perturbé ce qui conduit à l’augmentation du brassage et de la contrainte de Reynolds sur la majorité de la largeur du canal. Enfin, pour chacune des configurations, des corrélations permettant de quantifier les transferts de chaleur à la paroi et au sein de la lame d’air (nombre de Nusselt moyen en fonction du nombre de Rayleigh) ont été établies. / Among technologies capable to produce electricity locally without contributing to GHG releases, building integrated PV systems (BIPV) could be major contributor. However, when exposed to intense solar radiation, the temperature of PV modules increase significantly, leading to a reduction in efficiency so that only about 14% of the incident radiation is converted into electrical energy. The high temperature also decrease the life of the modules, thereby making passive cooling of the PV components through natural convection a desirable and cost-effective means of overcoming both difficulties. An experimental investigation of heat transfer and fluid flow characteristics of natural convection of air in vertical and inclined open-ended heated channels is therefore undertaken so as provide reliable information for the design of BIPV. Two experimental set ups were developed and used during the present investigations; one located at the CETHIL laboratory in Lyon, the F-device and the other located at the University of New South Wales in Sydney, the R-device. Both channels consisted of two wide parallel plates each of which could be subjected to controlled uniform or non-uniform heat fluxes. The investigation has been conducted by analyzing the mean wall temperatures, measured by thermocouples and mean velocity profiles and turbulent quantity distributions of the flow, measured with a PIV system. Flow patterns close to the heated faces were also investigated. The study is particularly focused on the transition region from laminar to turbulent flow. Three different heating geometric arrangements are examined in the modified Rayleigh number range from 3.86 x 105 to 6.22 x 106. The first is a vertical channel with one wall uniformly heated while the other was unheated, the second was a vertical channel in which both walls were non-uniformly heated and the third is an inclined channel uniformly heated from above. In the vertical configurations the width-to-height channel aspect ratio was fixed at 1:15 and in the inclined ones at 1:16. It is shown that the flow is very sensitivity to disturbances emanating from the ambient conditions. Moreover, the propagation of vortical structures and unsteadiness in the flow channel which are necessary to enhance heat transfer, occurred downstream of the mid-channel section at Ra* = 3.5 x 106 for uniformly and asymmetrically heated channels inclined between 60° and 90° to the horizontal. Indeed, these unsteady flow phenomena appears upstream the location of the inflexion point observed in the temperature excess distribution of the heated wall. In the case of non-uniform heating on both sides of the channel, a stronger ‘disruption mechanism’ exists, which leads to enhanced mixing and increased Reynolds stresses over most of the width of the channel. Empirical correlations of average Nusselt number as a function of modified Rayleigh number were obtained for each configuration.

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.

La miniaturisation toujours plus poussée des composants électroniques génère des contraintes thermiques de plus en plus importantes. Les boucles diphasiques à pompage thermo-capillaire ou LHP suscitent actuellement un intérêt croissant en raison de leurs bonnes performances thermiques, de leur fiabilité et de leur géométrie permettant une grande souplesse d’implantation. Cependant, une meilleure compréhension des phénomènes en jeu dans ces systèmes est essentielle pour optimiser leur conception et prédire leur comportement de manière fiable. Dans ce travail, un modèle analytique est développé qui intègre les paramètres de fonctionnement d’une LHP, afin d’étudier leur influence en fonction des conditions opératoires. Son originalité principale réside dans la détermination précise de la répartition des différents flux thermiques dans l’évaporateur. Une étude de sensibilité est menée pour évaluer les influences de la résistance de contact entre la structure capillaire poreuse et l’enveloppe de l’évaporateur, de la conductivité thermique équivalente du matériau poreux, du coefficient d’accommodation lié aux transferts de chaleur par évaporation et des coefficients de transfert thermique entre la paroi et le milieu ambiant ou la source froide. Cette analyse montre que les paramètres mentionnés ci-dessus peuvent être estimés individuellement, en comparant le modèle à des données expérimentales judicieusement choisies. Un banc expérimental a également été conçu et fabriqué. Partiellement transparent, il permet l’observation de la position des phases liquide et vapeur au cours du fonctionnement. Les influences de la puissance thermique appliquée, de la présence de gaz incondensables et de la température de la source froide sont analysées. Aux puissances thermiques élevées, un régime d’ébullition nucléée est observé dans le réservoir, qui se traduit par une augmentation des flux parasites vers le réservoir donc une dégradation des performances de la LHP. Plusieurs phénomènes oscillatoires sont également observés et corrélés aux observations visuelles des écoulements. Enfin, différents régimes de condensation sont observés et les mécanismes conduisant au détachement des bulles dans le condenseur sont décrits. Un modèle numérique a été développé, afin de simuler le comportement du banc expérimental en se rapprochant au plus près de ses caractéristiques géométriques et thermophysiques. La comparaison entre les prédictions du modèle et les données expérimentales montre les carences des modèles de pertes de charges dans les écoulements diphasiques, pour la configuration étudiée. Les transferts de chaleur et de masse dans l’évaporateur sont analysés, ainsi que l’influence de l’apparition de l’ébullition dans le réservoir et celle de la conductivité thermique de l’enveloppe de l’évaporateur. Les résultats mettent également en évidence l’importance de la conduction thermique longitudinale dans les canalisations dans le cas d’un matériau conducteur. / The increasing development of electronics leads to higher constraints regarding their thermal management. Loop heat pipes (LHP) become more and more attractive because they offer thermal efficiency, reliability and large implementation flexibility. However, a better understanding of the physical phenomena involved within them is required in order to optimise their design and predict accurately their operation. An analytical model is developed to highlight the main parameters of a LHP and their influence depending on the operating conditions. Its main originality lies in a thorough consideration of heat transfer in the evaporator. A sensitivity analysis is conducted to study the influence of the contact thermal resistance between the wick and the body of the evaporator, of the effective thermal conductivity of the wick, of the accommodation coefficient linked to the evaporation heat transfer and of the heat transfer with the ambient and with the heat sink. This analysis shows that these parameters can be individually and separately estimated by comparing the model to a set of well-chosen experimental data. An experimental setup is designed and built. It is partially transparent, to observe the location of the liquid and vapour phases in operating conditions. The effects of the heat input, non-condensable gases and of the heat sink temperature are discussed. Nucleate boiling is observed inside the reservoir for high heat fluxes. This phenomenon increases significantly the parasitic heat flux towards the reservoir and therefore decreases the performance of the LHP. Several oscillating phenomena are also observed and correlated to the flow patterns. Finally, distinct condensation regimes are investigated and the mechanisms leading to the bubble detachment in the condenser are discussed. A numerical model is developed in accordance with the geometrical and thermophysical characteristics of the experimental setup. The model is compared with the experimental data. The comparison shows the lack of accuracy of the two-phase pressure drops models in this configuration. Heat and mass transfer in the evaporator are discussed and the effects of boiling in the reservoir and of the thermal conductivity inside the evaporator casing are investigated. The results highlight the importance of the longitudinal thermal conduction inside the tube in the case of conductive materials.