L'application de la brumisation d'eau dans l'air en amont des condenseurs à air permet de réduire la consommation d'énergie des machines frigorifiques. L'intérêt de la brumisation d'eau réside dans l'abaissement de température de l'air obtenu par évaporation du spray. L'optimisation de cette méthode permet d'obtenir une efficacité se rapprochant de celle des systèmes évaporatifs tout en supprimant le risque de développement et de transports de bactéries tel que les légionelles. Le problème est abordé ici de deux manières : la première théorique et numérique (utilisation du code MIRABELLES et développement d'un modèle d'échange thermique air-goutte/condenseur) et la seconde expérimentale (mise en place d'un pilote et d'une pompe à chaleur). A l'aide du code MIRABELLES, on a déterminé les caractéristiques d'un spray évoluant dans un milieu ambiant donné et son impact sur l'abaissement de température de l'air. Les données numériques obtenues ont guidé le choix du matériel et la stratégie de brumisation à appliquer expérimentalement. Les mesures effectuées sur le pilote montrent l'amélioration des échanges thermiques entre l'air et le condenseur grâce à la brumisation et quantifient également l'influence de l'impact des gouttes avec les ailettes du condenseur. L'application de la brumisation sur la pompe à chaleur a mis en avant les gains sur la consommation électrique et l'augmentation de la production frigorifique. La comparaison de l'ensemble des résultats expérimentaux avec les résultats numériques a permis de valider le modèle thermique simulant les échanges entre un air chargé de gouttelette d'eau et un condenseur. / The application of water mist in the air upstream of the air-cooled condensers can reduce the energy consumption of refrigeration. The advantage of water mist is the lowering of air temperature obtained by evaporation of the spray. The optimization of this method provides an efficiency approaching that of evaporative systems while eliminating the risk of development and transport of bacteria such as legionella. The problem is addressed here in two ways: the first theoretical and numerical (using the code MIRABELLES and development of a model heat exchange air-droplet/condenser) and the second experiment (establishment of a pilot and a heat pump). Using the code MIRABELLES, it was determined the characteristics of a spray operating in a given environment and its impact on the lowering of air temperature. The digital data obtained have guided the choice of materials and the experimental using condition of water mist. Measurements on the pilot show the improvement of heat exchange between air and the condenser by means of the mist and quantify the influence of the impact drops/condenser fins. The application of the mist on the heat pump has highlighted the gains in power consumption and the increase in refrigeration. The comparison of all experimental results with the numerical results has validated the thermal model simulating the interaction between a droplet-laden air and water condenser.

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

Les fluides naturels employés en réfrigération et en conditionnement d’air possèdent de faibles PRG et sont de ce fait une véritable alternative aux HFC. Cependant, leur généralisation se heurte à des limites provenant de leur caractère toxique (NH3), inflammable (hydrocarbures, NH3) ou de leurs caractéristiques thermodynamiques défavorables (CO2). Leur utilisation accrue nécessite la mise en œuvre de composants spécifiques (échangeurs de chaleur intermédiaire, éjecteur) qui sans qui les performances seraient inférieures à celles obtenues avec les HFC (COPCO2 = 55 % du COPHFC-134a pour des températures de sources de 0 °C et 40 °C). L’utilisation d’un éjecteur comme organe de détente est une solution envisagée pour réduire les irréversibilités. Les éjecteurs diphasiques constituent une alternative intéressante pour les dispositifs de détente classiques utilisés depuis plusieurs décennies. Le principal avantage de l’éjecteur est de récupérer une partie de l’énergie cinétique du processus de détente de la haute pression à la basse pression pour augmenter la pression d’aspiration du compresseur. Ceci entraîne une diminution du travail consommé par ce dernier et, par suite, une augmentation du coefficient de performance du système. Néanmoins, une bonne conception d’un éjecteur diphasique nécessite une analyse détaillée en termes de simulations numériques et travaux expérimentaux. Ainsi, l’objectif de ce travail est d’apporter une contribution expérimentale à l’étude des machines frigorifiques au CO2 transcritique équipées d’éjecteur diphasique. Des efforts importants ont été investis dans la conception d’un éjecteur diphasique avec diverses géométries pour évaluer les principales caractéristiques à savoir le facteur d’entraînement et le rapport de compression. Les essais effectués ont permis de mettre en évidence l’influence des différents paramètres géométriques sur les performances de la machine (différents diamètres au col des tuyères primaires, différents diamètres de mélangeurs, longueurs de mélangeurs, distance entre le plan de sortie de la tuyère primaire et l’entrée du mélangeur, l’angle de divergent des tuyères primaires…) ainsi que les paramètres thermodynamiques (température d’évaporation, température à l’entrée de la tuyère primaire). / Natural refrigerants used in refrigeration and air conditioning have low GWP and are therefore a real alternative to HFCs. However, their generalization comes up against limits due to their toxic (NH3), flammable (hydrocarbons, NH3) or their unfavorable thermodynamic characteristics (CO2). Their increased use requires the implementation of specific components (intermediate heat exchangers, ejector) which without performance would be lower than those obtained with HFCs (COPCO2 = 55% of COPHFC-134a for temperatures source of 0 °C and 40 °C). The use of an ejector as an expansion device is a solution considered to reduce irreversibility. Two-phase ejector has been an interesting alternative for conventional expansion devices for several decades. The main advantage of the ejector is to recover some of the kinetic energy of the process of expansion from high pressure to low pressure to increase the suction pressure of the compressor. This results in a reduction of the work consumed by the latter and, consequently, an increase in the coefficient of performance of the system. Nevertheless, a good design of a two-phase ejector requires a detailed analysis in terms of numerical simulations and experimental work. Thus, the objective of this work is to make an experimental contribution to the study of transcritical CO2refrigeration machines equipped with two-phase ejector. Significant efforts have been invested in the design of a two-phase ejector with various geometries to evaluate the main characteristics namely the entrainment ratio and the compression ratio. The tests carried out made it possible to highlight the influence of the various geometrical parameters on the performances of the machine (different diameters of the throat of the primary nozzle, different mixers diameters and lengths, distance between the exit of the primary nozzle and the inlet of the mixer, the divergence angle of the primary nozzles ...) as well as the thermodynamic parameters (evaporation temperature, temperature at the inlet of the primary nozzle).

La première partie de la thèse comporte l’étude des machines à froid, en tenant compte de la vitesse finie des processus. L’approche est basée sur une nouvelle méthode d’optimisation des processus et cycles à vitesse finie, la Méthode Directe d’étude et évaluation des irréversibilités. Les performances de ces cycles sont évaluées en prenant en compte les irréversibilités internes générées par la vitesse finie, notamment (1) les pertes de pression dues au laminage, (2) les pertes de pression dues à la vitesse finie du piston, (3) les pertes de pression dues aux frottements interne et mécanique et (4) l’irréversibilité due aux pertes de chaleur. On obtient ainsi directement l'expression du rendement ou du coefficient de performance et de la génération d’entropie en fonction de la vitesse des processus et d'autres paramètres géométriques et fonctionnels. Le travail proposé pour cette partie de thèse analyse la génération des irréversibilités dans une machine thermique fonctionnant selon le cycle inverse quasi-Carnot (Machine Frigorifique à compression mécanique des vapeurs), en proposant un schéma de calcul complètement analytique. A l’aide de ce schéma de calcul on peut développer des études de sensibilité et d’optimisation de ces machines, sans avoir besoin d’utiliser de tableaux des vapeurs saturés.La deuxième partie du mémoire présente l’application des modèles thermodynamiques (la Méthode Directe, la Méthode de la Thermodynamique en Dimensions Physiques Finies (TDPF), la méthode isotherme de Schmidt, la méthode adiabatique de Finkelstein) dans l’étude des machines Stirling – moteurs et récepteurs et confrontation avec l’expérience.La Méthode de la TDPF est une méthode qui regroupe les techniques de la thermodynamique en temps, vitesse et dimensions géométriques finies. Cette méthode introduit les exo-irréversibilités dues aux transferts de chaleur finis entre les réservoirs (source chaude, puits froid, régénérateur) et le fluide de travail et, de plus, considère les contraintes qui se présentent à l’ingénieur (la pression maximale, le volume maximum, les températures des réservoirs chaud et froid, la vitesse de rotation). La méthode isotherme de Schmidt est une méthode zéro-dimensionnelle qui permet l’étude de la machine divisée en trois volumes isothermes. Elle permet de décrire l’évolution de paramètres, comme le volume instantané (chaud, froid ou de régénération) ou la pression en fonction du temps. L’analyse des processus de transfert de la chaleur et d’écoulement du gaz de travail, ayant lieu dans le moteur Stirling d’un micro-cogénérateur, est effectuée en utilisant un model adiabatique monodimensionnel. Cette analyse repose sur la division du moteur Stirling en 5 volumes de control auxquels on applique les équations des gaz parfaits et les équations de conservation de masse et d’énergie.Les résultats expérimentaux seront confrontés à ceux obtenus par les quatre méthodes de calcul, ce qui permettra de définir les paramètres d’ajustage afin de valider les modèles thermodynamiques. Cette confrontation permettra le développement d’une autre méthode, une combinaison des trois approches utilisées afin de modéliser au mieux le fonctionnement du système, préservant les avantages de chacune sur des intervalles de vitesse de rotation donnés.Des études de sensibilité et d’optimisation de paramètres géométriques et fonctionnels seront effectuées afin de proposer des améliorations de mise au point système pour fournir puissance et de rendement plus élevés. / This paper presents the author's overall results obtained in his doctoral thesis, on: The analysis of entropy generation and the evaluation of the performances of the inversed cvasi-Carnot cycle; The application of the Direct Method, Finite Physical Dimensions Thermodynamics method (TDFF), Schmidt’s isotherm method and Finkelstein’s adiabatic model in the study of Stirling engines – engines and machines that function on reversed cycles (receivers) and the confrontation of analytical results with the experimental ones. The first part of the thesis covers the study of the refrigeration machines, considering the finite speed of the processes. The study is based on a new method to optimize the processes and the cycles with finite speed, the Direct Method of study and the evaluation of the irreversibilities. The performance of these cycles are evaluated using analytical relations, considering internal irreversibilities generated by finite speed, especially the pressure losses due to (1) throttling (2) finite speed of the piston (3) internal and mechanical friction (4) irreversibilities due to heat losses. These irreversibilities are introduced in the expression of the First Principle of Thermodynamics for processes with finite speed, and its application leads directly and through analytical means to the expressions of efficiency or coefficient of performance and entropy generation, function of the finite speed of the processes and other geometrical and functional parameters of the machine. The proposed study for this first part of the thesis analyzes the generation of thermal irreversibilities in a thermal machine functioning on a cvasi-Carnot reversed cycle (refrigerating machine with mechanical compression of vapor-IFV) proposing a completely analytical calculation scheme. With this calculation scheme sensitivity studies and optimization of these types of machines were developed, without having to use saturated vapor tables.The second part of the thesis presents the application of thermodynamic models (Direct Method, Finite Physical Dimension thermodynamics method, Schmidt's isotherm model and Finkelstein’s adiabatic model) in the study of Stirling engines – engines and machines that function on reversed cycles (receivers) and the confrontation of analytical results with the experimental ones. The Direct Method consists in the study and assessment of the irreversibilities generated in thermal machines by analyzing the cycle step by step (progressive) and the direct integration of the equation the First Principle of Thermodynamics combined with the Second Principle of Thermodynamics with finite speed, for each process of the cycle. This provides analytical expressions for power and efficiency or coefficient of performance COP, function of the speed of the processes and other geometric and functional parameters.

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.

Les nouveaux bâtiments sont sujets à un renforcement de l'isolation thermique, à une augmentation des surfaces vitrées et à un accroissement des apports internes dus à des appareils électriques de plus en plus nombreux (ordinateurs, électroménager...). Cette tendance conduit à une diminution des demandes de chauffage mais peut engendrer des demandes de rafraîchissement en mi-saison et en période estivale. Les besoins en chauffage et en rafraîchissement deviennent plus équilibrés sur une journée et sur l'année en général. De plus, l'eau chaude sanitaire (ECS) occupe une place de moins en moins négligeable dans les besoins énergétiques totaux, ce qui provoque une simultanéité partielle des besoins en chaud et en froid dès que des demandes de rafraîchissement apparaissent. Une thermofrigopompe (TFP), machine frigorifique produisant de l'énergie calorifique et frigorifique de manière simultanée, associée à un stockage tampon d'énergie devient alors une solution intéressante. La TFP de petite à moyenne puissance est un système de production d'eau chaude et d'eau froide utilisant l'air comme source gratuite, destiné au chauffage, au rafraîchissement et à la production d'ECS pour des bâtiments du secteur résidentiel et du petit tertiaire. Elle présente plusieurs spécificités techniques dans la conception du circuit frigorifique, dans la gestion des modes de fonctionnement et des séquences de dégivrage. L'ajustement des productions de chaud et de froid aux charges du bâtiment s'effectue grâce à l'utilisation d'un échangeur d'équilibrage sur air extérieur fonctionnant soit en condenseur, soit en évaporateur. En période de chauffage, cette TFP offre également la possibilité de stocker une certaine quantité d'énergie sur la boucle d'eau froide à l'aide d'un sousrefroidisseur. Cette énergie stockée est utilisée en temps différé à l'évaporateur à eau afin d'améliorer les performances par un relèvement de la température d'évaporation et éventuellement de dégivrer l'évaporateur à air sans arrêter la production de chaleur. L'énergie de dégivrage est apportée par un thermosiphon diphasique formé entre les deux évaporateurs à des températures différentes. La présence d'un sous-refroidisseur impose le contrôle de la haute pression pour assurer une condensation totale du réfrigérant dans le condenseur utile. Le système de contrôle de pression est constitué d'une bouteille contenant du réfrigérant à l'équilibre liquide / vapeur connectée en partie basse à la ligne liquide et en partie haute au refoulement du compresseur et à un point en basse pression du circuit. Une injection de gaz provenant du refoulement du compresseur entraîne une augmentation de la haute pression. Une chasse vers la basse pression provoque une diminution de la haute pression du système. Une étude expérimentale a été menée sur une machine prototype de TFP au R407C pour des conditions variables de fonctionnement en températures d'air et d'eau et pour les différents modes possibles (chauffage, rafraîchissement et production simultanée). Les performances obtenues expérimentalement sont en accord avec celles annoncées par le logiciel de sélection développé par le constructeur du compresseur. L'étude expérimentale a également permis d'observer le dégivrage par thermosiphon, de vérifier le bon fonctionnement du système de gestion de la pression de condensation et des séquences alternées en période hivernale (1 : mode chauffage avec stockage de chaleur sur la boucle d'eau froide par sous-refroidissement. 2 : mode équilibré utilisant une évaporation par l'énergie stockée sur la boucle d'eau froide, plus performant, avec dégivrage éventuel). Le fonctionnement de la TFP a été modélisé avec deux réfrigérants : le HFC R407C et le CO2. Dans le contexte actuel animé par d'éventuelles décisions politiques concernant l'impact des gaz à effet de serre sur le réchauffement climatique, le dioxyde de carbone est un fluide intéressant d'abord pour son faible impact environnemental (ODP nul et GWP100ans = 1) et pour les caractéristiques particulières du cycle thermodynamique utilisé (cycle transcritique). En effet, une grande quantité d'énergie est récupérable par sous-refroidissement du fluide frigorigène et de l'ECS à haute température peut être produite de manière performante. Dans des simulations annuelles, les TFP au R407C et au CO2 sont comparées à des pompes à chaleur réversibles sur les critères de performance, d'économie d'énergie et d'impact environnemental. Le concept de cette TFP offre clairement une amélioration des performances par rapport à une pompe à chaleur réversible classique et l'utilisation du dioxyde de carbone présente de bonnes perspectives de développement.