La réduction de charge de fluides frigorigènes dans les systèmes de production de froid est un enjeu important s'inscrivant dans les politiques environnementales sur la contribution de ces fluides à l'effet de serre. Une des voies menant à la réduction de charge est l'augmentation de la compacité des échangeurs de chaleur, conduisant inévitablement à la conception d'évaporateurs plus complexes. Néanmoins, si de nombreuses études ont été publiées sur l'analyse thermo-hydraulique de l'ébullition convective de frigorigènes dans les tubes horizontaux, très peu ont été menées sur des écoulements diphasiques dans des géométries non conventionnelles. Cette thèse vise à étudier les caractéristiques des écoulements diphasiques avec changement de phase des frigorigènes de troisième (HFC) et de quatrième génération tels que le HFO-1234yf dans des singularités (coudes de retour, contractions). Ainsi, un banc d'essais expérimental a été spécifiquement conçu et construit pour mener des expériences sur l'ebullition convective. Ce banc d'essais a permis de visualiser les régimes d'écoulement et de mesurer les chutes de pression dans les singularités. Des visualisations de régimes d'écoulement ont été réalisées pour les frigorigènes HFO-1234yf, R-134a et R-410A dans des tubes droits et dans des singularités. Les résultats ont été confrontés avec diverses méthodes de prédiction de la litérature. Les perturbations sur l'écoulement causées par ces singularités et leurs effets sur le comportement hydrodynamique des fluides frigorigènes ont également été etudiés. Une serie d'éxperience a été menée pour déterminer le longueur de perturbation en amont et en aval des singularités. Finalement, les valeurs expérimentales des chutes de pression ont été confrontées à différentes corrélations de la littérature. Des nouvelles méthodes de prédiction de la chute de pression pour des écoulements diphasiques dans des singularités sont présentées. / The refrigerant charge reduction in HVAC\R systems is an important issue because it falls within environmental policies regarding refrigerants contributions to the greenhouse effect. A way to move toward charge reduction is to increase the compactness of heat exchangers, which means more complex designs of the evaporators. Nevertheless, while a large amount of studies have has been published on the thermal and hydraulic analysis of flow boiling of refrigerants in horizontal tubes, very little attention has been given to flow boiling in geometries different from straight tubes. This PhD thesis aims at studying the flow boiling characteristics of third generation (HFC) and fourth generation fluids such as HFO-1234yf in geometries which modify the fluid dynamics and two-phase flow with respect to horizontal straight tubes. To achieve this goal, an experimental test facility was specifically designed and built to conduct refrigerant evaporation experiments. This test facility allowed to perform flow regimes visualizations and pressure drop measurements in singularities (such as sudden contractions and return bends). First, two-phase flow regimes visualizations have been carried out using HFO-1234yf, R-134a and R-410A either in straight tubes or in singularities. A qualitative analysis of the flow behavior and also several comparisons to flow pattern prediction methods from the literature were conducted. The second objective of this work was to characterize the flow disturbances caused by singularities such as sudden contractions and return bends, and to study their effects on the hydrodynamic performance (e.g. pressure drop) of refrigerants.Lastly, pressure drop databases for third and fourth generation refrigerants are presented.

This thesis explores the topic of flow of two immiscible liquids in horizontal pipeline. For this purpose, the experimental apparatus has been set up, that allows to observe the flow of mixture through the transparent pipe. Moderately viscous oil and water (viscosity ratio: 52,81, density ratio: 0.86, interfacial tension: 41,64 mN/m) have been chosen for the experiment. Both fluids were introduced into the pipe through a T-junction. At the end of the apparatus, a mixture of liquids flowed into the separation tank, where both phases were separated. The separated oil was then reused for further measurements. The oil and water flow rates could be individually changed by use control valves, that led to identification of different flow regimes. These varied from stratified flows to fully dispersed ones as the mixture speed increased. All observed flow regimes were plotted in the flow map, that is a function of the inlet velocities of both fluids. For further analysis, a second type of flow map has been created that displays rates as a function of mixture velocity and phase volume fraction. Selected regime was also simulated using software ANSYS FLUENT. The VOF method was used to simulate multiphase flow. This thesis critically evaluates the results of the study and shows the direction for further research in the field of immiscible liquids flow.

Es wurde ein neues Zweifluidmodell entwickelt, um Nichtgleichgewichtseffekte in kritischen und nahkritischen Ein-komponenten-Zweiphasenströmungen von anfänglich unter-kühlten oder siedenden Fluiden durch Rohre und Düsen zu untersuchen. Das vorgeschlagene Sechs-Gleichungsmodell besteht aus den phasenbezogenen Erhaltungsgleichungen für Masse und Impuls, der Bilanzgleichung für die thermische Energie der flüssigen Phase sowie einer zusätzlichen Transport-gleichung für die volumetrische Blasenanzahl. Zur Lösung des Systems aus partiellen Differentialgleichungen wird ein semi-implizites Finite-Differenzen-Zeitschrittverfahren angewendet. Die Schließung des Gleichungssystems wird durch Einbindung thermodynamischer Beziehungen und konstitutiver Gleichungen, die den strömungsformabhängigen Impuls-, Wärme- und Stofftransport beschreiben, erreicht. Für Strömungssysteme mit spontaner Entspannungsverdampfung aus dem rein flüssigen Zustand (Flashing) werden verschiedene Keimbildungsmodelle eingesetzt, die den Anfangszustand der verzögerten Dampfbildung beschreiben. Auf diese Weise werden thermodynamische Nichtgleichgewichtszustände als Folge von Zuständen mit für die Aktivierung von Keimstellen benötigtem Energieüberschuß, eingeschränkt vorhandener Phasengrenzfläche sowie begrenzter Wärmeübertragung zwischen den Phasen betrachtet. Abweichungen vom fluid-dynamischen Gleichgewicht (Phasenschlupf) ergeben sich aufgrund unterschiedlicher Trägheitseigenschaften und verschieden stark ausgeprägter mechanischer Kopplung zwischen den Phasen. Die mit diesem Modell erhaltenen numerischen Ergebnisse stimmen gut mit experimentellen Werten für Zweiphasen-strömungen mit unterschiedlichen Eintrittsbedingungen und Kanalgeometrien überein. / A new two-fluid flow model has been developed in order to examine non-equilibrium effects in critical and near-critical one-component two-phase flows of initially subcooled or saturated fluids through pipes and nozzles. The six-equation model proposed consists of the phasic conservation equations of mass and momentum, the liquid thermal energy, and of an additional transport equation for the bubble number density. To solve for the unknowns of the system of partial differential equations, a semi-implicit finite difference time-marching method is utilized. The closure of the set of equations is accomplished by thermodynamic relationships and additional constitutive equations describing momentum transport, interphase heat, and mass transfer which account for different flow regimes. For fluid flow systems undergoing a sudden change of phase from the pure liquid state (flashing), distinct nucleation models are included to describe the initial state of delayed vapor generation. In this way thermal non-equilibrium states are considered to be the consequence of excessive energy states required to activate nucleation sites, of restricted interfacial area and limited heat transfer between the phases. Deviation from fluid-dynamic equilibrium (phasic slip) results from different inertial properties and from distinct strength of mechanical coupling between the phases. The numerical results obtained with this model agree quite well with experimental data for two-phase flows with various inlet conditions and channel geometries.

Les Stations de Traitement des Eaux Usées (STEU) sont l'une des principales sources de rejet de résidus médicamenteux dans l'environnement. Depuis 2009, les Zones de Rejet Végétalisées (ZRV) sont mises en oeuvre entre le rejet de la STEU et le milieu récepteur, mais leurs capacités d'abattement sont encore peu étudiées. Pour combler ce manque, les performances d'épuration de 2 STEU et de leur ZRV, ont été évaluées pendant 2 années. Les résidus médicamenteux (86) ont eu une majorité de rendements d'épuration compris entre 30 et 70 % dans les ZRV et avec des maximums en été et des minimums en hiver. Relativement aux abattements observés sur les STEU en amont, la contribution des ZRV à l'épuration globale du site était inférieure à 30 % du flux entrant. Aussi, la réduction des volumes d'eau rejetés au milieu naturel a été corrélée avec une augmentation des concentrations en résidus médicamenteux. Par ailleurs, les plantes ont montré une capacité d'absorption des médicaments spécifique à l'espèce étudiée, alors que l'observation des concentrations dans les boues, a mis en évidence une tendance à une adsorption en été et un relargage en hiver des micro-polluants. / Wastewater Treatment Plants (WWTP) are considered as one of the most important pharmaceutical compound discharges into the environment. Since 2009, French Water Agencies, promote Surface Flow Treatment Wetlands (SFTWs) at the outlet of WWTPs, between the WWTP and the receiving aquatic environment but their removal efficiencies are not well investigated. To overcome these lacks of knowledge, pollutant removal efficiencies of 2 WWTP and their SFTW were monitoring during 2 years. ln regard to pharmaceutical compounds (86), SFTW removal efficiency rates ranged from 30 to 70% with maximum values in summer and minimum values in winter. The SFTW removal efficiency contributions to WWTP were inferior to 30%. ln addition, SFTW inflow reductions were correlated with an increase of drug compound concentrations in the outflow. Furthermore, there was a specific absorption of these micro pollutants by plants whereas there were dynamic interactions between sampled mud and drugs residues with an adsorption during summer and a release during winter.

La valorisation de l'énergie thermique contenue dans des gaz chauds pour produire de l'électricité est possible grâce à l'utilisation de cycles thermodynamiques, parmi lesquels le cycle de Rankine mérite d'être considéré. Cependant, l'industrialisation d'un tel système passe par une connaissance approfondie du comportement thermohydraulique du fluide actif. Ceci permettra d'améliorer le design des principaux composants du système, spécialement les échangeurs de chaleur. Dans le cas du cycle organique de Rankine, les conditions thermodynamiques du fluide sont éloignées des conditions usuelles rencontrées dans les domaines de la climatisation ou de la réfrigération. En effet, le fluide est mis en œuvre dans des conditions proches de son point critique. La température des gaz d'échappement varie entre 400°C et 900°C et l'évaporation se produit à une température de saturation supérieure à 100°C. En ce qui concerne les caractéristiques des écoulements diphasiques (chute de pression, coefficient de transferts thermiques, régimes d'écoulement), la quasi-totalité des méthodes de prédiction a été développée pour des températures comprises entre -20°C et 40°C correspondantes aux domaines de la climatisation ou de la réfrigération. C'est pourquoi la fiabilité de ces modèles reste incertaine dans les conditions d'évaporation du cycle de Rankine, car leur utilisation est limitée par la base de données à partir de laquelle ils ont été établis et ne peuvent être extrapolés avec précision. Cette thèse vise à étudier les caractéristiques thermohydrauliques du R-245fa en ébullition convective dans les conditions du cycle de Rankine. Dans un premier temps, un banc expérimental a été conçu et construit afin de réaliser des tests en ébullition convective dans un minicanal de 3.00 mm de diamètre. Ce banc expérimental permet de faire des mesures sur les régimes d'écoulement, les coefficients de transfert de chaleur et les pertes de charge par frottement. Dans un second temps, une méthode de traitement d'image a été développée afin de caractériser différents régimes d'écoulement. Cette méthode couplée à une analyse des transferts thermiques a permis d'identifier quatre principaux régimes d'écoulement. L'influence de la température de saturation sur les régimes d'écoulement et leurs transitions a été soulignée et discutée. Les caractéristiques des bulles ont également été étudiées à l'aide de cette méthode. Dans un troisième temps, une base de données expérimentale sur les coefficients de transfert de chaleur a été créée. L'influence de la température de saturation sur les mécanismes de transfert thermique a été étudiée dans ces conditions originales. Afin de tester la fiabilité des méthodes de prédiction, les résultats expérimentaux ont été confrontés à différentes méthodes. Finalement, les chutes de pressions ont été mesurées et une analyse paramétrique a été menée. Les mesures ont été confrontées aux principales méthodes disponibles dans la littérature. / Because of current environmental issues, some technologies are being developed to reduce the fuel consumption and to reduce the emissions of CO2. Energy recovery by means of Organic Rankine Cycles or Hirn Cycles recovery is one investigated track to answer these issues. At present, some systems based on Organic Rankine Cycle (ORC) are available in industry but advanced studies are needed to allow their application in the road transport industry. A better understanding of the two-phase fluid behaviour is necessary to optimize the design models of the components containing a two-phase refrigerant. For the Organic Rankine Cycle system, the thermodynamic conditions are different to standards relevant to refrigeration or air-conditioning systems. Indeed, the key characteristic of the ORC system is the evaporation saturation temperature. Exhaust gases temperature ranges from 400°C to 900°C and the refrigerant evaporation occurs at temperatures higher than 100°C. Almost all the flow boiling heat transfer models or correlations have been obtained for saturation temperatures ranging from -20°C to 40°C which correspond to standards relevant to refrigeration or air conditioning systems. The empirical models for boiling in such conditions are limited by the experimental data on which they are based, whereas analytical and theoretical approaches are needed to advanced knowledge on the behaviour of thermohydraulic two-phase refrigerant. This PhD thesis aims at studying the flow boiling characteristics of R-245fa in a 3.00 inner diameter channel in the thermodynamic conditions of the ORC system. Therefore, the saturation temperature ranged from 60°C to 120°C. To achieve this goal, an experimental test facility was designed and built to conduct refrigerant evaporation experiments. This test facility allowed to perform flow regime visualizations, pressure drop and heat transfer measurements in minichannel. First, an image processing method for two phase flow pattern characterization was developed. Based on this method and with the help of an adequate analysis of the heat transfer coefficient, the main flow regimes have been identified. The influence of saturation temperature on the flow patterns and their transitions has been highlighted. The second objective was to provide new experimental data concerning flow boiling heat transfer in minichannel. Flow boiling heat transfer coefficients at such high temperature have, so to say, almost never been reported in the open literature so far. The influence of saturation temperature on the heat transfer mechanisms has been discussed. In order to evaluate the capability of the current flow boiling prediction methods to predict the heat transfer coefficient, the comparison between experimental results and theoretical results predicted with the commonly used correlations and models were made. Lastly, pressure drop databases are presented. Experimental values of pressure drops were compared against several methods.