Dans le contexte d'un intérêt grandissant pour le domaine d'efficacité énergétique, les systèmes de réfrigération à compression très répandus offrent des bonnes possibilités d'améliorations. Le présent travail porte sur une étude expérimentale de la possibilité d'augmenter l'efficacité énergétique dans un système de réfrigération où un électeur sert de valve de détente. Un banc d'essai a été conçu et fabriqué qui permet le fonctionnement soit en mode conventionnel soit en mode avec électeur. Le réfrigérant utilisé est le R134a, avec une puissance frigorifique nominale de 5 kW et une consigne de 5ÀC à l'évaporateur et de 40ÀC au condenseur. L'électeur diphasique est muni d'un double col dans la tuyère, dont le premier col est à section variable selon la position d'un pointeau. Les mesures prises ont montré une amélioration de jusqu'à 11 % dans le coefficient de performance, ou COP, en mode électeur par rapport à celui en mode conventionnel. En mode électeur, le rapport de pression fourni par l'électeur était de 1.070 pour un ensemble d'essais complété. En mode électeur, la puissance frigorifique totale était la somme de la puissance thermique de l'évaporateur, dont le titre à l'entrée était très faible, et de la puissance thermique des éléments électriques, qui servaient de surchauffeur. Il a été constaté que la puissance frigorifique à l'évaporateur était au maximum lorsque les deux cols de la tuyère étaient d'aire égale. Un bilan d'énergie et une analyse d'erreur ont confirmé la validité des résultats. Finalement, des suggestions ont été apportées afin de palier aux difficultés vécues avec l'efficacité du séparateur dans le montage. Le besoin important de contrôler le niveau de surchauffe du réfrigérant retournant au compresseur doit faire partie du travail futur. Une avenue prometteuse serait de rajouter un deuxième évaporateur après le séparateur, ou de combiner la fonctionnalité d'un séparateur avec le deuxième évaporateur dans une seule unité. Cette voie fournirait une solution au problème du manque de surchauffe à la sortie du séparateur et laissera plus de marge de manceuvre dans le système de contrôle.

La présente étude des cycles de réfrigération électeur, i.e. [éjecteur] se fonde sur les principes de la thertnodynamique, i.e. [thermodynamique] classique, de la thermodynamique en dimensions fmies, i.e. [finies] et des transferts de chaleur. Pour étudier l'influence de la pression sur les performances de ces cycles, nous avons fixé la puissance de réfrigération ainsi que les températures des fluides externes à l'entrée des trois échangeurs (générateur de vapeur, condenseur et évaporateur).La performance d'un système de réfrigération varie d'un fluide frigorigène à l'autre; pour le démontrer, une étude comparative entre quatre réfrigérants (R134a, R152a, R290 et R600a) est présentée. Les résultats obtenus montrent que, pour une différence de température donnée entre le réfrigérant et les fluides externes, la quantité de chaleur fournie au générateur de vapeur et la conductance thermique totale des échangeurs diminuent quand la pression du réfrigérant au générateur de vapeur augmente. D'autre part, une différence de température de 3 ÀC est la valeur qui optimise les performances du système à éjecteur pour les quatre fluides. Une analyse des flux exergétiques dans chaque composante du système identifie l'exergie détruite qui doit être prioritairement améliorée pour minimiser les pertes exergétiques du système. Afin de compléter l'étude, une analyse paramétrique du système conventionnel à un seul et à deux compresseurs est représentée avant celle du système qui combine l'électeur, i.e. [l'éjecteur] et le compresseur. Pour finir, nous effectuons une comparaison entre les quatre réfrigérants et les trois systèmes.

La réfrigération magnétique (RM) constitue une technologie à fort potentiel en efficacité énergétique. Toutefois, son rendement demeure difficile à quantifier à cause des phénomènes magnétohydrodynamiques complexes qui surviennent au coeur du régénérateur ferromagnétique poreux. Les modèles existants de régénérateur sont unidimensionnels et effectifs. Leur simplicité excessive explique l'écart entre les données expérimentales extraites de prototypes et les résultats générés. Le modelé de régénérateur poreux présenté préconise une approche numérique directe appliqué sur un domaine tridimensionnel. Ce dernier est formé de canaux interstitiels définis par des agencements structurés de particules ferromagnétiques de Gd. Le fluide qui s'écoule dans les canaux régénère le solide ayant subi une variation de température induite par l'effet magnétocalorique (EMC). En somme, la résolution souple des équations de conservation, de mouvement et d'énergies est effectuée en considérant les propriétés du Gd (EMC, capacité calorifique) comme variables. La simulation d'un cycle de RM nécessite l'application d'astuces numériques spécifiques. La validité du modèle est évaluée à l'aide de données expérimentales et de comparaisons avec les résultats existants. Un montage expérimental a été construit ; des granules de Gd consolidés sont incluses dans un boîtier disposé dans le pôle d'un électroaimant dont la commutation induit l'EMC. Entre autres, des thermocouples insérés au centre de la structure poreuse permettent de mesurer le gradient de température le long du régénérateur. Les résultats générés par le modèle sont cohérents dans leur limite. Le bilan global d'énergie est respecté à 99.5%. Des corrélations de Nu et f spécifiques au régénérateur structure sont formulés. Les écarts de celles-ci avec les corrélations existantes et les données expérimentales indiquent qu'un raffinement du modèle est requis. En somme, le remplacement de la géométrie structuré par un milieu poreux aléatoire de faible densité (MPAFD) de large section doterait le modèle d'un réalisme accru.

La réfrigération dans les arénas représente un pourcentage très important de leur consommation énergétique. Ceci confirme l'importance de mettre en place des mesures d'efficacité énergétique lié à ce volet. L'optimisation de la consommation d'énergie, et l'augmentation de la fiabilité et de la durée de vie des équipements dans les systèmes de réfrigération est une préoccupation qui ne cesse de prendre de l'importance. Actuellement, les systèmes de réfrigération incorporés dans les arénas sont généralement dimensionnés selon un standard américain, qui ne tient pas compte du climat canadien. L'objectif de la présente étude est de démontrer l'impact de moduler la pression de condensation du système de réfrigération pour bénéficier du climat canadien. L'étude démontre qu'un système de réfrigération opérant avec une pression de condensation variable, offre plusieurs opportunités pour diminuer la consommation des systèmes et accroître rapidement l'efficacité énergétique du parc des arénas au Québec. Elle peut aussi à court, moyen et long terme avoir un impact important et positif sur la facture d'énergie des arénas.

Le réchauffement climatique par son ampleur et sa complexité, pose plusieurs points d'interrogation sur l'avenir de notre planète. Un des moyens proposés pour ralentir ce processus est la réduction de la production des gaz à effet de serre. Les domaines de la réfrigération essaient de se renouveler pour répondre aux nouvelles normes écologiques et l'une des alternatives les plus prometteuses est la réfrigération magnétique reposant sur l'effet magnétocalorique. Ce mémoire porte sur la recherche de nouveaux matériaux magnétoréfrigérants à large zone de travail et s'inscrit directement dans cet enjeu environnemental et économique qui vise à remplacer les systèmes de réfrigération classiques dans un futur proche. Dans un premier temps, nos travaux de recherche se sont focalisés sur les alliages Gd-Tb : différentes nuances de ces alliages permettraient d'élargir le domaine de travail en température. Leurs propriétés magnétocaloriques ont été déterminées et une première étude sur leur comportement en corrosion a été débutée dans différents fluides caloporteurs. Enfin, l'optimisation de leur mise en forme a été réalisée pour leur emploi dans le prototype de la société Cooltech Applications. Dans un second temps, nous avons étudié des composés monophasés comme les composés dérivant de Mn3GaC ou de Mn3Sn2 qui présentent plusieurs transitions magnétiques successives leurs conférant ainsi une large zone de travail. De nombreuses substitutions ont été réalisées simultanément sur les sites Mn et Sn du composé Mn3Sn2 continuant les travaux menés au sein de l'équipe sur Mn3Sn2 et ses dérivées depuis 2006 / The global warming by its scale and its complexity puts several questions on the future of our planet. One of the ways proposed to slow down this process is the reduction of the production of greenhouse gases. The domains of the refrigeration try to be renewed to answer the new ecological standards and one of the most promising alternatives is the magnetic refrigeration based on the magnetocaloric effect. This report concerns the research of new magnetorefrigerants with large temperature span and joins directly in this environmental and economic stake which aims at replacing the classic systems of refrigeration in a near future. At first, this research works focused on Gd-Tb alloys: various nuances of these alloys would allow to widen the temperature range. Their magnetocaloric properties were determined and a first study on their behavior in corrosion was begun in various coolants. Finally, the optimization of their shaping was realized for their use in the prototype of Cooltech Applications company. Secondly, we studied single-phase compounds as derivatives of Mn3GaC or Mn3Sn2 which present several successive magnetic transitions and thus a large temperature span. A lot of substitutions were simultaneously realized on the Mn and Sn sites of the compound Mn3Sn2 continuing the works led within the team on Mn3Sn2 and its derivatives since 2006

Ce travail porte sur la caractérisation des différentes propriétés physiques du composé Mn3Sn2 et de ses dérivés. Ce composé présente des propriétés magnétocaloriques remarquables qui font de lui un matériau réfrigérant prometteur pour une utilisation à grande échelle dans des systèmes de réfrigération magnétique à température ambiante. Dans un premier temps, des mesures de chaleur spécifique sous champ ont permis de compléter l'état des connaissances sur les propriétés magnétocaloriques du composé Mn3Sn2. Par la suite, l'étude des propriétés cristallographiques et magnétiques de l'alliage est abordée ; plus particulièrement la résolution de sa structure magnétique grâce à des mesures de diffraction des neutrons, ainsi que l'étude des symétries de la maille à l'aide de la théorie des groupes. Des mesures de spectrométrie Mössbauer viennent confirmer ces résultats et apportent des précisions quant aux mécanismes mis en oeuvre lors des transitions magnétiques. La diffraction des rayons X par rayonnement synchrotron a ensuite permis d'étayer les hypothèses émises tout au long de ce travail. Enfin, l'étude de la structure par diffraction des rayons X sur monocristal conclut la caractérisation des propriétés structurales du binaire. La seconde partie de ce travail est consacrée à la synthèse et à la caractérisation des propriétés cristallographiques des dérivés pseudo-ternaires Mn3-xTxSn2 et Mn3Sn2-yXy (T = métal de transition, X = métalloïde). Une description détaillée du comportement magnétique et magnétocalorique de ces nouvelles familles de composés y est également présentée. De plus, dans le cas des alliages substitués au fer, des mesures de diffraction des neutrons permettent de comprendre et décrire les différentes configurations magnétiques adoptées après chaque transition magnétique / Not available

Les produits de l'érable sont fabriqués généralement par ébullition, refroidissement, puis agitation du sirop d'érable « Canada catégorie A ». Les cristaux de sucrose formés donnent la texture au produit. En confiserie, la courbe d'élévation du point d'ébullition de l'eau (EPE) en fonction des solides solubles permet d'arrêter l'ébullition au niveau approprié de concentration pour le produit visé, alors que la courbe de la température de transition vitreuse selon la teneur en solides solubles permet de recommander des paramètres de refroidissement. Les outils actuels se basent principalement sur des solutions aqueuses de sucrose, mais la présence d'autres composés les influencent. Le sirop d'érable est une solution aqueuse, surtout de sucrose, mais aussi de sucre inverti, de polyphénols et de composés azotés. Leur teneur varie selon la couleur du sirop d'érable, représentée par sa classe : « Doré », « Ambré », « Foncé » ou « Très foncé ». Les caractéristiques physicochimiques pourraient changer au cours de leur entreposage. Au cours de ce projet, les effets de la durée d'entreposage sur une année et de la classe de sirop sur leurs caractéristiques physicochimiques ont été étudiés. Les teneurs en polyphénols, sucre inverti et composés azotés tendaient à être plus élevées dans les sirops plus foncés, contrairement à la concentration en sucrose qui diminuait légèrement. Au cours de l'entreposage, la teneur en sucrose augmentait, alors que les concentrations en polyphénols et le pH diminuaient. Pour mieux comprendre l'effet des classes de sirop pendant leur transformation, leur comportement a été étudié pendant l'ébullition et le refroidissement. La courbe de la température de transition vitreuse était commune à tous les sirops, tandis que celles de l'EPE variaient selon leur classe. Ces connaissances appuieront une meilleure compréhension de la cristallisation du sucrose dans un contexte de transformation du sirop d'érable. / Maple products are generally made from "Canada grade A" maple syrup by boiling, cooling, and then stirring. Crystallization gives the characteristic texture to maple products. In confectionery, the Boiling point elevation (BPE) depending on total soluble solids curve is used to stop boiling at the appropriate concentration level for the intended product, while the curve of glass transition temperature depending on total soluble solids is used to recommend cooling parameters. Current tools are mainly based on aqueous solutions of sucrose, but the addition of other compounds influences them. Maple syrup is an aqueous solution, mainly composed of sucrose, but also of invert sugar, total phenolic content and nitrogenous compounds. Their content changes according to the color of the maple syrup, represented by its class: " Golden ", " Amber ", " Dark " or " Very dark ". Their physicochemical characteristics could change during storage. During this project, the effects of storage time over a year and syrup class on their physicochemical characteristics were studied. Polyphenols, invert sugar and nitrogen compounds tended to be higher in darker syrups, while the sucrose concentration decreased slightly. During storage, sucrose content increased, while polyphenol concentrations and pH decreased. To better understand the effect of the syrup classes during processing, their behavior during boiling and cooling was studied. The glass transition temperature curve was common to all syrups, while the BPE curves varied according to their class. This knowledge will be used to better understand sucrose crystallization in a maple syrup processing context.

La réfrigération magnétique est une technologie émergente de production de froid. Elle constitue une alternative à la technique classique utilisant des fluides frigorigènes polluants. L'effet magnétocalorique qui en est à la base se traduit par le refroidissement ou l'échauffement de certains matériaux sous l'action d'un champ magnétique. Ce travail de thèse se situe dans le domaine de l'étude de ces matériaux et des dispositifs de réfrigération magnétique à aimants permanents autour de la température ambiante. Ainsi, des composés à effet magnétocalorique géant à l'ambiante de formule Mn1−x(Ti0.5V0.5)xAs ont été étudiés. D'autre part, un système complet de réfrigération magnétique à aimants permanents initié par une thèse précédente a été réalisé et testé. Enfin, pour relier ces deux thématiques, un dispositif de test a été réalisé. Il permet d'évaluer et de comparer les performances de ces nouveaux matériaux dans les conditions réelles de fonctionnement dans un bloc réfrigérant.

La réfrigération magnétique est une alternative verte et théoriquement plus efficace que les systèmes de refroidissement classiques utilisant des cycles de détente/compression de gaz nocifs pour l'environnement comme les CFC et les HCFC. Malheureusement, les meilleurs matériaux utilisés actuellement dans les prototypes de réfrigération magnétique sont très dispendieux (5000$/kg pour le Gd) ce qui limite leur utilisation. La découverte de l'effet magnétocalorique géant en 1997 près de la température ambiante a fait exploser le nombre de publications dans le domaine. La recherche du matériau idéal était lancée. Les principales caractéristiques recherchées sont un grand effet magnétocalorique et une grande capacité réfrigérante. L'effet magnétocalorique correspond au changement d'entropie lors de l'application d'un champ magnétique. Elle est importante près des transitions magnétiques. Parmi les familles de matériaux étudiées pour leur effet magnétocalorique, on retrouve les manganites. Avec des structures cristallines apparentées, le La[indice inférieur]2NiMnO[indice inférieur]6 (LNMO) et le Pr[indice inférieur]2NiMnO[indice inférieur]6 (PNMO), des doubles pérovskites, possèdent des transitions magnétiques légèrement sous la température ambiante, soit 280 K et 212 K. De plus, le caractère isolant, la stabilité et le faible coût de ces matériaux leur procurent un net avantage pour leur intégration dans des systèmes de réfrigération magnétique. Dans ce mémoire, la croissance par ablation laser pulsé de couches minces de doubles pérovskites (La[indice inférieur]2NiMnO[indice inférieur]6, Pr[indice inférieur]2NiMnO[indice inférieur]6) et d'hétérostructures de ces composés a été effectuée. Une caractérisation de la structure des échantillons à l'aide de la diffraction des rayons X a permis d'analyser les variations des paramètres de réseau en plan et hors plan en fonction de la température et de la pression d'oxygène lors de la croissance. La texture des couches a également été mesurée. La structure des échantillons a pu être mise en relation avec les propriétés magnétiques des matériaux. La variation de pression d'oxygène lors de la croissance permet de contrôler la proportion des phases ordonnée et désordonnée magnétiquement dans les échantillons de La[indice inférieur]2NiMnO[indice inférieur]6. L'aimantation à saturation ainsi que les températures de transition des phases ordonnée et désordonnée du LNMO sont obtenues à l'aide de mesures d'aimantation en fonction du champ magnétique et en fonction de la température respectivement. L'effet magnétocalorique a été mesuré sur tous les échantillons pour des gammes de températures allant de 10 K à 320 K. La variation d'entropie maximale de 2,1 J/kgK pour un champ magnétique de 0-7T est obtenue pour l'échantillon à 300 mTorr. Par contre, la présence de la phase désordonnée dans certains échantillons élargit le pic de variation d'entropie en fonction de la température augmentant ainsi la capacité réfrigérante de l'échantillon. La capacité réfrigérante est alors comparable à celle du Gd[indice inférieur]5Ge[indice inférieur]2Si[indice inférieur]2. De plus, une variation d'entropie en forme de plateau sur une très large gamme de température (55 K à 298 K) maximise l'efficacité des cycles thermodynamiques. Un plateau s'étalant sur une aussi grande gamme de température n'avait jamais encore été observé. Une autre technique pour élargir le pic de variation d'entropie est de combiner deux matériaux possédant des transitions magnétiques rapprochées en température. Une bicouche de LNMO/PNMO et une tricouche de LNMO/LPNMO(LaPrNiMnO[indice inférieur]6)/PNMO ont donc été déposées. Un plateau de variation d'entropie a été obtenue sur une gamme de température allant de 152 K à 298 K. Par contre, des problèmes dans la croissance du LPNMO ont nui au magnétisme et réduit grandement l'effet magnétocalorique. La faible aimantation rémanente, le faible champ coercitif et la nature isolante des échantillons leurs procurent également un avantage pour une application dans un système de réfrigération magnétique.

La présente thèse s'inscrit dans le cadre d'un projet stratégique sur les arénas financé par le CRSNG (Conseil de Recherche en Faculté des sciences Naturelles et en Génie du Canada) qui a pour but principal le développement d'un outil numérique capable d'estimer et d'optimiser la consommation d'énergie dans les arénas et curlings. Notre travail s'inscrit comme une suite à un travail déjà réalisé par DAOUD et coll. (2006, 2007) qui a développé un modèle 3D (AIM) en régime transitoire de l'aréna Camilien Houde à Montréal et qui calcule les flux de chaleur à travers l'enveloppe du bâtiment ainsi que les distributions de températures et d'humidité durant une année météorologique typique. En particulier, il calcule les flux de chaleur à travers la couche de glace dus à la convection, la radiation et la condensation. Dans un premier temps nous avons développé un modèle de la structure sous la glace (BIM) qui tient compte de sa géométrie 3D, des différentes couches, de l'effet transitoire, des gains de chaleur du sol en dessous et autour de l'aréna étudié ainsi que de la température d'entrée de la saumure dans la dalle de béton. Par la suite le BIM à été couplé le AIM. Dans la deuxième étape, nous avons développé un modèle du système de réfrigération (REFSYS) en régime quasi-permanent pour l'aréna étudié sur la base d'une combinaison de relations thermodynamiques, de corrélations de transfert de chaleur et de relations élaborées à partir de données disponibles dans le catalogue du manufacturier. Enfin le couplage final entre l'AIM +BIM et le REFSYS a été effectué sous l'interface du logiciel TRNSYS. Plusieurs études paramétriques on été entreprises pour évaluer les effets du climat, de la température de la saumure, de l'épaisseur de la glace, etc. sur la consommation énergétique de l'aréna. Aussi, quelques stratégies pour diminuer cette consommation ont été étudiées. Le considérable potentiel de récupération de chaleur au niveau des condenseurs qui peut réduire l'énergie requise par le système de ventilation de l'aréna à été mis en évidence.