L'objet de cette étude est l'optimisation de la distribution d'un fluide diphasique dans un évaporateur compact à mini-canaux. Une méthode de mesure, basée sur la thermographie infrarouge, a été développée pour caractériser la distribution des échanges thermiques en paroi de l'échangeur, représentatifs de la distribution du fluide. Cette méthode a été validée sur une maquette d'évaporateur à mini-canaux avec un fluide monophasique, puis avec un mélange eau-air. L'influence des débits et des titres en gaz du fluide sur la distribution a été étudiée, ainsi que l'orientation de l'échangeur. Il a été mis en évidence que la distribution dans l'échangeur est fortement dépendante de l'inertie de la phase liquide du fluide. L'introduction d'un corps poreux dans le distributeur permet de limiter cet effet. Un outil de simulation numérique de la distribution du fluide diphasique (eau-air et fluide frigorigène) dans un évaporateur a été développé puis validé par des résultats expérimentaux.% Ces essais ont mis en évidence l'importance majeure de l'inertie de la phase liquide sur la distribution des échanges. Un corps poreux a donc été inséré dans le distributeur, de façon à briser l'élan de la phase liquide. Les résultats montrent l'effet bénéfique obtenu, pour une augmentation des pertes de charge négligeable. Enfin, un outil de simulation numérique a été développé puis validé. Cet outil a pour vocation de prédire la distribution des échanges thermiques et du fluide frigorigène au sein d'un évaporateur.

Le coefficient de transfert de chaleur est nécessaire pour concevoir et dimensionner un évaporateur utilisé pour concentrer un liquide, tel que rencontré couramment dans les industries alimentaires. Le coefficient de transfert de chaleur le plus variable et le plus incertain est du coté produit, entre paroi et liquide, noté « h ». Il varie à la fois avec les propriétés thermo-physiques du liquide traité (ηL, σL, λL, ρL , CpL, ω, ...) et avec les paramètres du procédé (type d'évaporateur, φ ou Δθ, Γ (δ), P, rugosité de la surface, encrassement, etc), ces grandeurs étant définies dans le texte. Mais h est aussi lié au régime d'ébullition (nucléée ou non nucléée), et pour les évaporateurs de type « flot tombant », au régime d'écoulement laminaire ou turbulent, selon le nombre de Reynolds en film Ref. Nous avons étudié le cas des évaporateurs « à flot tombant », très utilisés dans les industries alimentaires pour concentrer le lait et les produits laitiers, les jus sucrés, les jus de fruits et légumes. L'objectif de notre travail était de définir une méthode fiable et économique pour évaluer a priori le coefficient de transfert de chaleur h coté liquide en ébullition, dans un évaporateur flot tombant. La première partie de la thèse a été consacrée à l'analyse bibliographique, qui a révélé une grande incertitude actuelle dans la prévision de h, sur la base des formules de la littérature, et des paramètres descripteurs proposés. La deuxième partie de la thèse a été de concevoir et construire un pilote utilisable pour estimer h, dans des conditions stationnaires connues et reproductibles. Dans la troisième partie, on présente les résultats et commente les lois de variations de h en fonction de la concentration de matière sèche du liquide XMS, de la température d'ébullition de liquide θL (ou P), du flux de chaleur φ ou (Δθ), et du débit massique de liquide par unité de périmètre de tube Γ, pour des propriétés de surface de chauffe fixées (ici, paroi en acier inoxydable poli Rs ≈ 0,8 μm). On commente l'effet sur h de chaque variable isolément, les autres étant maintenues constantes, ce qui confirme l'importance de la transition du régime non-nucléé au régime nucléé, cette transition variant avec la nature du liquide, sa concentration, et le flux de chaleur. On a montré la possibilité de modéliser un produit donné dans l'ensemble du domaine expérimental, où tous les paramètres peuvent varier simultanément, avec peu de coefficients, selon deux types d'équations (polynomiale et puissance). On a comparé le cas d'un liquide Newtonien (jus sucré) et non-Newtonien (solution de CMC dans l'eau). On a aussi observé le débit de mouillage critique Γcri et ses lois de variation. On a aussi démontré la possibilité de simplifier le plan d'expérience, aussi bien pour les liquides Newtoniens que non-Newtoniens, tout en gardant un coefficient de corrélation satisfaisant dans le domaine Γ > Γcri, cette modélisation pouvant servir de base de données produit pour l'ingénierie.

Avec l’avènement des véhicules hybrides rechargeables, voire tout électrique et la nécessité d’une augmentation de l’autonomie et de l’énergie volumique des batteries de traction, leur refroidissement au cours du roulage devient nécessaire pour garantir leur fiabilité et leur durabilité. Pour ces véhicules, le système de production de froid peut avoir à alimenter deux évaporateurs pour la climatisation de l’habitacle (Climatisation au rang 1 et rang 2) ainsi qu’un refroidisseur de liquide pour le refroidissement de la batterie de traction. Ce type de système de réfrigération multi-évaporateur présente un certain nombre de verrous technologiques qu’il convient de lever liés au dimensionnement des éléments dans un contexte de réduction de la charge en fluide frigorigène et au contrôle - commande de tels systèmes. Dans les systèmes de climatisation multi-évaporateurs, la pression d’évaporation est sensiblement égale dans chaque évaporateur de telle manière que leur fonctionnement est couplé dynamiquement. Cependant, la demande en puissance frigorifique et les consignes de température de l’air soufflée et de l’eau peuvent varier d’un évaporateur à l’autre. Le détendeur devient alors un composant clé et son fonctionnement doit être étudié. Pour ces raisons, un banc d’essais expérimental a été créé pour étudier ce type de climatisation multi-évaporateurs en régime stabilisé et en régime transitoire. Des détendeurs thermostatique et électronique ont été montés en parallèle sur chaque évaporateur afin de pouvoir étudier leur impact sur le système. Une fois les différents bilans réalisés, les résultats expérimentaux sont exploités pour caractériser l’ensemble des composants avec le nouveau fluide frigorigène R-1234yf. Les phénomènes de mauvaise distribution du fluide frigorigène dans l’évaporateur ainsi que de l’évaporateur endormi sont également étudiés. Dans un second temps, à partir des résultats expérimentaux, un modèle numérique et dynamique du climatiseur a été réalisé avec le logiciel LMS Imagine Lab Amesim® 1D. Après avoir validé indépendamment chacun des composants, le système est validé sur une série de points de fonctionnement en régime stationnaire. Le modèle est ensuite exploité afin d’étudier diverses lois de contrôle permettant l’optimisation du fonctionnement. / With the arrival of plug-in hybrid and fully electrified vehicles, the air-conditioning system has to be reconsidered. Battery cooling management system and high level of comfort for passengers make the single evaporator air-conditioning system a multi-evaporator one. In a multi-evaporator air-conditioning system, evaporating pressures are equal in each evaporator so that evaporators are coupled dynamically. However, the demand in cooling capacity and temperature target can vary from each other. For an operating point with a first evaporator working at high load and a second at low partial load, thermal interaction can occur from the superheated refrigerant coming from a first evaporator to the outlet of a second evaporator. This phenomenon makes the second evaporator sleeping since its expansion valve bulb misreads the superheat and closes. Furthermore, sleeping evaporator looks like an extreme case of refrigerant maldistribution in the evaporator. Refrigerant maldistribution is then investigated to show some drawbacks and advantages multi-evaporator air-conditioning systems (MEAC) have to face or can benefit by comparing two types of expansion valve: thermostatic and electronic ones. In this paper, sleeping evaporator and refrigerant maldistribution phenomena are experimentally investigated in order to propose in the future a robust control of an automotive MEAC. A test bench was built to compare two types of expansion valves (thermostatic/electronic) and study their behaviours in steady and transient state to tackle sleeping evaporators and benefit from refrigerant maldistribution. An automotive multi-evaporator air conditioning system, which is composed of two evaporators and a secondary fluid cooler, was modeled using the LMS Imagine.Lab Amesim® 1D software. The present study focuses on understanding the dynamic coupling of the several loop components such as the three evaporators having different cooling capacities. This kind of multi-evaporator air-conditioning system has a number of technological barriers that must be overcome. Understanding the behavior of their respective expansion devices and the choice of these latter is also essential to control properly the transient phase and ensure an optimal operation of the air-conditioning system. In order to study the behavior of the loop, step disturbances were simulated on an operating point at medium and high load. The impact of these disturbances on the stability of the supplied cooled air temperature is analyzed for two types of expansion valve. Initial results show that the thermostatic expansion valves can cause instabilities. Furthermore, the electronic expansion valves have to be regulated with an advanced control in order to use their full potential and to try to achieve desired results.

Cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet FUI THERMOFLUIDE-RT impliquant des Grands Groupes (Zodiac DS, Safran Hispano, MBDA), des PME (Atmostat, ADR, ControlSys) et cinq laboratoires (CRIStAL, LML Arts et Métiers Paris Tech, LEGI Grenoble, LMT ENS Cachan, CEA-Liten Grenoble). Le but est d’étudier un nouveau système de refroidissement de l’électronique. La technologie retenue est celle d’une boucle fluide diphasique à pompage mécanique (BFDPM). La thèse traite la modélisation dynamique et la validation expérimentale des composants de la boucle. Ceci permet de prévoir l’efficacité du système à partir de ses paramètres d’entrée, d’analyser les problèmes de régimes transitoires, et de proposer un outil de dimensionnement. La méthodologie bond graph est retenue à cause du caractère multi-physique des composants. D’abord, la problématique de base et le contexte sont présentés. Ceci permet d’introduire la solution retenue, celle des BFDPM. Les objectifs de la thèse sont décrits. Ensuite, une description du banc expérimental développé au cours de cette thèse est proposée. Les trois chapitres suivant sont consacrés à l’étude théorique et expérimentale des équipements de la boucle. Chacun de ces chapitres commence par l’état de l’art sur les travaux de modélisation et les corrélations des coefficients d’échange et des pertes de charge. Une seconde partie décrit les phénomènes et les équations. Une troisième partie est réservée à la validation des modèles. Un dernier chapitre récapitule les travaux de couplage des modèles dynamiques validés séparément. En conclusion, un récapitulatif des contributions est effectué. Des perspectives à court et moyen terme sont proposées / This thesis is part of the collaborative project FUI THERMOFLUIDE-RT involving major groups (Zodiac DS, Safran Hispano, and MBDA), SMEs (Atmostat Alcen, ADR, AER, ControlSys) and five laboratories (CRIStAL Ecole Centrale de Lille, LML Arts et Métiers Paris Tech, LEGI Grenoble, LMT ENS Cachan, CEA-Liten Grenoble). The main purpose is to study a new electronic cooling system. The technology chosen consists of a two-phase fluid loop mechanically pumped (TPLMP). The thesis deals with the dynamic modeling and experimental validation of the cooling components. The developed dynamic model allows to predict the efficiency of the cooling loop, to conduct the study of transitional regimes, and provides an original tool dedicated to design the loop components. The bond graph methodology is adopted because of the multi physics character of the studied components. First, the basic issues and the industrial context are presented. This allows to introduce the chosen solution (TPLMP). The objectives of the thesis are described. Then, a description of the rig test is proposed. The following three chapters are devoted to a theoretical and experimental study of the loop equipment. Each chapter begins with a state of the art on modeling and correlations of the heat exchange coefficients and losses. A second part of the chapter describes phenomena and equations. A third part is dedicated to the experimental validation. A final chapter presents the coupling works of dynamic models validated separately. Finally, a summary of all contributions is made. Prospects for future developments in short and medium term are proposed.

Le contrôle thermique des composants électroniques embarqués dans les engins spatiaux est souvent assuré par des boucles fluides diphasiques à pompage capillaire (Loop Heat Pipe (LHP) ou Capillary Pumped Loop (CPL)). La présente étude est centrée sur les évaporateurs des LHP. Ils sont composés principalement d’un bâti métallique, d’une mèche poreuse et de cannelures. Le milieu poreux est initialement saturé en liquide. La charge thermique à évacuer est appliquée sur le bâti entraînant la vaporisation du liquide au sein de la mèche. La vapeur est ensuite récoltée au sein des cannelures pour être évacuée. L’étude est effectuée sur une cellule unitaire de l’évaporateur. Dans le but d’étudier les transferts de masse et de chaleur, un modèle de réseau de pores 3D dit mixte a été développé. Les champs de pression et de température sont calculés à partir des équations macroscopiques tandis que la capillarité est gérée à l’aide d’une approche réseau de pore classique. L’un des avantages d’une telle formulation est de pouvoir accéder à la répartition des phases liquide et vapeur au sein de l’espace poral du milieu poreux. Il a ainsi été mis en évidence qu’une zone diphasique (zone où le liquide et la vapeur coexistent) se met en place pour une large gamme de flux lorsque la vapeur apparait dans la structure capillaire. Cette zone diphasique est localisée sous le bâti métallique et est corrélée avec les meilleures performances thermiques de l’évaporateur. Cette observation diffère fortement de l’hypothèse souvent considérée de la présence d’une zone sèche dans cette région. Trois positions différentes de cannelures ont été étudiées. Il a ainsi pu être mis en évidence que la plus large gamme de flux, pour laquelle les performances de l’évaporateur sont les meilleures, est obtenue lorsque les cannelures sont usinées à la surface extérieure de la mèche. Toujours dans le but d’améliorer les performances thermiques de l’évaporateur, une étude paramétrique a été menée pour mettre en évidence les paramètres qui influencent positivement la conductance de l’évaporateur. Finalement, l’étude de l’influence d’une mèche biporeuse/bidispersée, c’est-à-dire d’un milieu poreux caractérisé par deux tailles de pores/liens différentes, a été menée. La distribution des phases liquide et vapeur au sein de la structure capillaire bidispersée est différente de celle d’un milieu mono-poreux du fait des chemins préférentiels créés par les larges pores. Par ailleurs, l’analyse thermique a montré qu’un tel milieu poreux permet de réduire considérablement la température du bâti ainsi que d’augmenter les performances thermiques de l’évaporateur. Un deuxième modèle basé sur une approche continue a été développé. Cette méthode utilise l’algorithme IMPES (IMplicit Pressure Explicit Saturation) et est couplé à la résolution du champ de température avec changement de phase. Ce type de résolution permet d’accéder à un champ de saturation. Les résultats ainsi obtenus sont en bon accord avec ceux prédits par le modèle réseau de pores mixte. Le modèle continu, moins gourmand en temps de calcul, permet d’envisager des simulations sur une plus grande partie de l’évaporateur. / The thermal control of electronic devices embedded in spacecraft is often carried out by capillary twophase loop systems (Loop Heat Pipe (LHP) or Capillary Pumped Loop (CPL)). This thesis focuses on the LHP evaporators. They mostly consist of a metallic casing, a porous wick and vapour grooves. The porous medium is initially saturated with liquid. The heat load is applied at the external surface of the casing inducing the vaporisation of the liquid within the wick. The vapour is then evacuated thanks to the vapour grooves. A unit cell of the evaporator is studied and corresponds to our computational domain. A so-called 3D mixed pore network model has been developed in order to study the heat and mass transfers. Pressure and temperature fields are computed from macroscopic equations, while the capillarity is managed using the classical pore network approach. The main advantage of such formulation is to obtain the liquid-vapour phase distribution within the porous medium pore space. The work highlights that a two-phase zone (characterized by the coexistence of the liquid and the vapour) exists for a large range of fluxes when vaporisation takes place within the capillary structure. This twophase zone is located right under the casing and is positively correlated with the best evaporator thermal performances. This result differs from the often made assumption of a dry region under the casing. Three different groove locations are tested. This investigation highlights that evaporator thermal performances are the best over a large range of fluxes for grooves manufactured at the external surface of the wick. In complement, a parametric study is performed to highlight parameters which impact positively the evaporator thermal performances. Finally, a biporous/bidispersed wick, i.e. a wick with a bimodal pore/throat size distribution, is studied. The liquidvapour phase distribution within the capillary structure is different from the one for a monoporous structure due to preferential vapour paths created by the large throats and pores-network. Moreover, the thermal analysis shows that such a porous medium permits to reduce considerably the evaporator wall temperature and to increase the evaporator thermal performances. A second model is developed based on a continuum approach. This method uses the IMPES (IMplicit Pressure Explicit Saturation) algorithm coupled with the heat transfer with phase change. Results are in good agreement with those predicted by the mixed pore network model. The continuum model, requiring less computing time, should allow considering larger sub domains of the evaporator.

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.