L’objectif de ce travail est de développer un modèle multi-physique et multi-échelle de Régénérateur Magnétique Actif en vue d’optimiser le fonctionnement d’un système de réfrigération magnétique. Le modèle numérique développé lors de cette thèse est un modèle multi-physique et multi-échelle qui prend en compte trois phénomènes distincts (le magnétisme, la fluidique et le transfert de chaleur), chacun à une échelle différente (micro-échelle, mini-échelle et macro-échelle). Une étude expérimentale a été menée afin de déterminer les propriétés thermophysiques des matériaux magnétocaloriques et d’intégrer les résultats de ces mesures dans le modèle numérique. Le modèle a été validé par une comparaison avec des données expérimentales et les résultats obtenus ont montré une bonne corrélation entre les résultats du modèle et les mesures. Enfin, le modèle a été exploité par une analyse de sensibilité des paramètres en vue d’étudier le fonctionnement ainsi que les performances du système. Ce modèle permettra d’identifier une stratégie de conception optimale d’un Régénérateur Magnétique Actif afin de concevoir des systèmes de réfrigération magnétique performants. / The objective of this work is the developing of a multi-physics and multi-scale numerical model of an Active Magnetic Regenerator in order to optimize the operation of a magnetic refrigeration system. The numerical model developed in this thesis is a multi-physics and multi-scale model that takes into account simultaneously three distinct phenomena (magnetism, fluid flow and heat transfer), each on a different scale (micro-scale, mini-scale scale and macro-scale). An experimental study was conducted to determine the thermophysical properties of magnetocaloric materials and integrate the results of these measurements in the numerical model. The model has been validated by comparison with experimental data and the results showed a good correlation between the model results and measurements. Finally, the model was exploited by an analysis of parameter sensitivity allowing studying the operation and performance of the system. This model will identify an optimal design strategy of an Active Magnetic Regenerator in order to design high-performance magnetic refrigeration systems.

Son efficacité, son faible impact environnemental et sa fiabilité font de la réfrigération thermoacoustique solaire une alternative intéressante aux systèmes solaires de production de froid. L'adaptation des technologies solaire et thermoacoustique requiert une conception thermique précise de l'élément d'interface, le récepteur solaire, constitué d'une cavité et d'un échangeur irradié par le rayonnement solaire. L'objectif de cet élément est de collecter et de transmettre efficacement l'énergie solaire incidente au fluide de travail du système thermoacoustique. Comme les ondes acoustiques sont très sensibles aux perturbations thermiques, la conception du récepteur doit favoriser l'homogénéité thermique, spatiale et temporelle, à l'intérieur de l'échangeur. Pour cette raison, une étude complète incluant le développement d'outils numériques de simulation pour modéliser le processus thermique, du transfert solaire au transfert thermoacoustique est nécessaire afin d’optimiser les dimensions du prototype de la campagne expérimentale. Cette étude décrit les outils de simulation ainsi que les dispositifs expérimentaux comme les résultats obtenus sur les aspects spatiaux et temporels. / Its efficiency, its low environmental impact and its reliability makes thermoacoustic solar refrigeration an interesting alternative to the existing solar systems for the cooling production. The solar adaptation of a thermoacoustic system requires an appropriate thermal design of the interface element, the solar receiver, which consists in a hot heat exchanger placed in a cavity that surrounds the focused image of the sun. The objective of this element is to efficiently collect and transfer the concentrated solar incident energy to the working fluid of the thermoacoustic system. Since acoustic waves characteristics are very sensitive to thermal disturbances, one challenge in the design of the receiver is that the temperature field within the heat exchanger must be as homogeneous as possible in space and time. Hence, a complete study, including the development of simulations tools which model the whole heat transfer processes, from solar to thermoacoustics, is necessary to optimize the prototype’s dimensions for the experimental campaign. This study describes the simulation tools and the experimental apparatus developed and the results obtained over space and time.

Ce travail avait pour but de comprendre l’impact de la vitesse de refroidissement sur les propriétés rhéologiques (viscosité et fermeté) et physicochimiques (acidité et synérèse) du yogourt brassé. Les étapes de standardisation, d’homogénéisation, de traitement thermique et de fermentation ont toutes été identiques afin de minimiser leurs impacts sur les propriétés du yogourt. Les yogourts produits étaient standardisés à 0 et 2,6% de matières grasses et leur brassage a été produit à l’aide d’un banc d’essai pilote comportant différents degrés de tortuosité (0 et 18 coudes à angle de 90°). Le refroidissement des yogourts impliquait plusieurs durées de refroidissement (3, 5, 17, 24 et 72 h) pour atteindre une température de 5°C. Les résultats ont démontré que l’ajout de matière grasse et l’abaissement de la température durant le refroidissement ont augmenté la fermeté et la viscosité du yogourt et ont diminué sa synérèse. En général, la vitesse de refroidissement a eu peu d’impact sur la fermeté et la viscosité des yogourts sans gras, tandis que pour les yogourts à 2,6% de matière grasse seulement la viscosité avec l’entonnoir Posthumus a augmenté. Après un entreposage de 21 jours, la fermeté et la viscosité des yogourts ont augmenté. Par contre, la tortuosité du banc d’essai pilote n’a pas eu d’effet significatif sur les propriétés rhéologiques et physicochimiques du yogourt. De plus, le dénombrement bactérien et la synérèse n’ont pas été affectés par la vitesse de refroidissement et le temps d’entreposage. Globalement, cette étude a démontré que la vitesse de refroidissement peut modifier la fermeté et la viscosité d’un yogourt brassé et que l’effet du refroidissement et de l’entreposage était plus prononcé en présence de matière grasse.

L’objectif essentiel de cette thèse est de développer un système industriel de réfrigération ou de climatisation qui permet la conversion du potentiel de l’énergie solaire en production du froid. Ce système de réfrigération est basé sur la technologie de l’éjecto-compression qui propose la compression thermique comme alternative économique à la compression mécanique coûteuse. Le sous-système de réfrigération utilise un appareil statique fiable appelé éjecteur actionné seulement par la chaleur utile qui provient de l’énergie solaire. Il est combiné à une boucle solaire composée entre autres de capteurs solaires cylindro-paraboliques à concentration. Cette combinaison a pour objectif d’atteindre des efficacités énergétiques et exergétiques globales importantes. Le stockage thermique n’est pas considéré dans ce travail de thèse mais sera intégré au système dans des perspectives futures. En première étape, un nouveau modèle numérique et thermodynamique d’un éjecteur monophasique a été développé. Ce modèle de design applique les conditions d’entrée des fluides (pression, température et vitesse) et leur débit. Il suppose que le mélange se fait à pression constante et que l’écoulement est subsonique à l’entrée du diffuseur. Il utilise un fluide réel (R141b) et la pression de sortie est imposée. D’autre part, il intègre deux innovations importantes : il utilise l'efficacité polytropique constante (plutôt que des efficacités isentropiques constantes utilisées souvent dans la littérature) et n’impose pas une valeur fixe de l'efficacité du mélange, mais la détermine à partir des conditions d'écoulement calculées. L’efficacité polytropique constante est utilisée afin de quantifier les irréversibilités au cours des procédés d’accélérations et de décélération comme dans les turbomachines. La validation du modèle numérique de design a été effectuée à l’aide d’une étude expérimentale présente dans la littérature. La seconde étape a pour but de proposer un modèle numérique basé sur des données expérimentales de la littérature et compatible à TRNSYS et un autre modèle numérique EES destinés respectivement au capteur solaire cylindro-parabolique et au sous-système de réfrigération à éjecteur. En définitive et après avoir développé les modèles numériques et thermodynamiques, une autre étude a proposé un modèle pour le système de réfrigération solaire à éjecteur intégrant ceux de ses composantes. Plusieurs études paramétriques ont été entreprises afin d’évaluer les effets de certains paramètres (surchauffe du réfrigérant, débit calorifique du caloporteur et rayonnement solaire) sur sa performance. La méthodologie proposée est basée sur les lois de la thermodynamique classique et sur les relations de la thermodynamique aux dimensions finies. De nouvelles analyses exergétiques basées sur le concept de l’exergie de transit ont permis l'évaluation de deux indicateurs thermodynamiquement importants : l’exergie produite et l’exergie consommée dont le rapport exprime l’efficacité exergétique intrinsèque. Les résultats obtenus à partir des études appliquées à l’éjecteur et au système global montrent que le calcul traditionnel de l’efficacité exergétique selon Grassmann n’est désormais pas un critère pertinent pour l'évaluation de la performance thermodynamique des éjecteurs pour les systèmes de réfrigération.

La réfrigération solaire est une alternative à la production de froid à partir de machines à compression mécanique de vapeur dont l’alimentation est électrique. Parmi les technologies envisageables, le couplage d’une machine de réfrigération thermoacoustique avec un concentrateur solaire et un stockage frigorifique par chaleur latente apparait comme une option intéressante. Cette thèse introduit la problématique du sujet et présente les différentes technologies envisageables pour la conception d’un réfrigérateur thermoacoustique solaire. Ensuite, pour répondre au problème, le prototype expérimental qui a été conçu et fabriqué est présenté. Une méthode de modélisation transitoire au niveau système du prototype est proposée. Enfin les résultats obtenus par les simulations dynamiques sont discutés à travers l’analyse du comportement transitoire de l’ensemble du procédé et des performances associées. / Solar refrigeration is an alternative to electrically driven vapor compression cycle for refrigeration. Among the solar refrigeration technologies, the coupling of a heat driven thermoacoustic refrigerator with a solar concentrator and a cold latent energy storage system seems to be a promising technology. This thesis introduces the issue of the subject and analyzes the different available technologies to design a solar driven thermoacoustic refrigerator. Then, to address the problem, the prototype that has been designed and built, is presented. A lumped model is introduced to describe the transient behavior of the prototype. Finally, simulation results are presented and discussed in terms of dynamic behavior and performance analysis.

La technique de réfrigération secondaire vise à limiter la masse de fluide frigorigène utilisée dans les installations frigorifiques. Dans ce procédé, le froid produit par une machine conventionnelle est transporté par un fluide frigoporteur inoffensif pour l'homme et l'environnement circulant dans un circuit secondaire. Les fluides frigoporteurs diphasiques (FFD) liquide-solide, ou coulis, sont constitués de particules solides d'un matériau à changement de phase (MCP) en suspension dans une phase liquide. L'avantage d'un FFD est d'améliorer l'efficacité énergétique du procédé en exploitant la chaleur latente de changement de phase du MCP. Cette étude concerne un procédé de réfrigération secondaire reposant sur l'emploi de coulis d'hydrates de gaz comme FFD. Une famille particulière d'hydrates, les semi-clathrates, qui se forment à partir d'eau et de gaz en présence de sels d'ammoniums ou de phosphoniums quaternaires, a été étudiée dans ce travail. Nous présentons dans un premier temps une étude du comportement de phases et des enthalpies de changement de phase réalisée par analyse calorimétrique différentielle sous pression contrôlée dans les systèmes eau - CO2 en présence de différents additifs : le chlorure de tri-n-butylméthylammonium, le chlorure de tétra-n-butylammonium, le nitrate de tétra-n-butylammonium et le bromure de tétra-n-butylphosphonium (TBPB). L'hydrate mixte TBPB-CO2 a été identifié comme MCP potentiel en raison de sa température et de son enthalpie de changement de phase bien adaptées. Dans un second temps, une étude des conditions d'écoulement du coulis d'hydrates de TBPB avec et sans CO2 a été réalisée au moyen d'un dispositif expérimental capable de mesurer le débit et les pertes de charge. Après une étude phénoménologique et rhéologique des conditions de formation et d'écoulement des coulis d'hydrates de TBPB, les premiers résultats de la caractérisation rhéologique d'un coulis d'hydrates mixtes de TBPB-CO2 complètent ce travail.

La première partie des travaux réalisés a été dédiée à l' élaboration de composés LaFe13-xSix (1,3 ¡U x ¡U 2,2) par broyage à haute énergie. Il a fallu déterminer les conditions de synthèse et de recuit optimales pour l'obtention d'échantillons monophasés. Leur homogénéité a été analysée par diffraction des rayons X et microsonde électronique. Les résultats ont montré qu'une microstructure plus fine favorise la formation de la phase désirée : un recuit de 30 min (au lieu de 30 jours pour les massifs) à 1373K suffit à l'obtention d'un composé quasi-monophasé. D'après les mesures magnétiques effectuées, les composés synthétisés par broyage mécanique ont des proprié¦tés magnétiques et magnétocaloriques similaires aux massifs. Ils présentent une transition métamagnétique des électrons itinérants induite par le champ ou la température. Leur température de Curie augmente avec le Si, variant de 200K à 235K pour x = 1,4 à 2,0 alors que leur variation d'entropie magnétique diminue de 20 J/kg K à 4 J/kg K sous une variation de champ de 0-2 T. La deuxième partie de l'étude a consisté à améliorer les propriétés magnétocaloriques des intermétalliques par l'insertion d'atomes interstitiels (H, C). Les mesures magnétiques ont montré une nette augmentation de la température de transition (jusqu'à Tamb.) par effet magnétovolumique tout en conservant un effet magnétocalorique important. Les analyses par diffraction des neutrons en température effectuées sur les composés deutérés ont permis de suivre l'évolution des données cristallographiques et des moments magnétiques par Fe. Il ressort de cette étude que ces composés présentent un grand intérêt dans la recherche de futurs matériaux magnétocaloriques pour la réfrigération magnétique à température ambiante. Dans le cadre de l'exploration de nouveaux systèmes, les propriétés magnétocaloriques des composés Y1-xRxFe2D4,2 (R = Er, Tb) ont également été étudiés en couplant les études magnétiques avec des mesures de diffraction des neutrons

Le refroidissement électronique de jonctions tunnel Supraconducteur - Isolant - métal Normal (S-I-N) a lieu grâce la bande d'énergie interdite du supraconducteur, qui agit tel un filtre laissant passer les électrons les plus énergétiques par effet tunnel. Cependant, l'efficacité de tels refrigérateurs électroniques est habituellement plus faible que les prédictions théoriques. Après l'introduction des équations basiques décrivant le refroidissement électronique dans une jonction tunnel, nous présentons les différentes limitations fondamentales, parmi elles les couplages thermiques entre bains thermiques d'électrons ou de phonons et la relaxation des quasi-particules. Afin d'avoir une meilleure compréhension des différents couplages thermiques en jeu, nous avons mis au point une expérience permettant de mesurer indépendamment la température des électrons et des phonons. Un réfrigérateur hors équilibre est ainsi étudié dans les régimes de refroidissement et de chauffage. Les résultats sont interprétés en utilisant un modèle thermique qui tient compte des transferts de chaleur entre électrons, phonons et photons. En particuliers, le canal photonique de chaleur lié au bruit thermique dans les résistances du circuit apporte une contribution de chaleur supplémentaire dépendant de la transmission du circuit de couplage. Enfin nous nous sommes intéressées à l'amélioration du refroidissement électronique sous champ magnétique, facilitant la relaxation des quasi-particules dans le supraconducteur. Enfin nous avons développer un procédé de fabrication permettant d'obtenir de large jonctions S-I-N-I-S avec un ilôt métallique suspendu totalement découplé du substrat.

La réfrigération magnétique est une alternative pertinente dans un contexte où les gaz réfrigérants sont soumis à des restrictions environnementales. Ces restrictions nécessitent l'évolution de la technologie actuelle ou bien l'émergence d'une nouvelle, d'où l'opportunité pour la réfrigération magnétique de prouver son potentiel. En effet, elle pourrait s'avérer énergiquement plus efficace et avec des densités de puissance supérieure. Ces travaux de thèse apportent des réponses sur le potentiel de la réfrigération magnétique. Dans cette logique, la thermodynamique et le magnétisme, outils indispensables à notre étude, sont développés dans le cas des matériaux à effet magnétocalorique. Puis, nous verrons que les caractérisations de ces derniers sont en mesure de fournir des modèles matériaux cohérents et réalistes, si des précautions sont prises. L'effet magnétocalorique étant limité en termes de variation de température, nous allons étudier différentes structures de réfrigération. Enfin, des modèles numériques sont développés pour permettre d'optimiser les structures à régénérations actives, qui sont les plus utilisées. Ces modèles doivent permettre de dimensionner des systèmes proches de leurs optimums. / Magnetic refrigeration is a relevant alternative in consideration of environmental restrictions of refrigerants gases. These restrictions require to improve the current technology or to pave the way for a new one, hence the opportunity for magnetic refrigeration to demonstrate its potential. Indeed, it could be energetically efficient and with higher power densities. This work aims to estimate the potential of magnetic refrigeration. Magnetism and thermodynamic, essential tools for our study, are developed in a case of magnetocaloric effect. With some care, we show that material characterizations are able to give consistence and relevant model. Magnetocaloric effect suffers of small temperature variations; therefore structures that increase the temperature span and give competitive system are studied. Finally numerical models are developed to optimize active magnetic regenerators, which are currently the most used. These models are used to calculate and design systems close to their optimum.

La réfrigération magnétique est une technologie innovante de production de froid, qui peut remplacer la technique classique de compression-détente de fluides frigorigènes. Son principe est basé sur l'effet magnétocalorique qui se traduit par le refroidissement ou l'échauffement de certains matériaux sous l'action d'un champ magnétique. Ce travail de thèse s'est déroulé dans le cadre d'un projet « CARNOT Energies du futur » et s'oriente vers l'étude magnétothermique et fluidique de systèmes de réfrigération. Pour cela, un outil numérique a été développé à l'aide du logiciel FLUENT afin de décrire le comportement thermique de différents régénérateurs, cœur même des systèmes de RM. En parallèle, deux systèmes de réfrigération magnétique ont été développés et améliorés, chacun d'eux présentant des performances intéressantes. Ces résultats ont permis de comprendre et définir les facteurs les plus influents sur leurs performances, et en déduire ainsi leurs conditions de fonctionnement optimales / The magnetic refrigeration is an innovative technology of production of cold, which can replace the refrigerants classic compression-relaxation technique. Its principle is based on the magnetocaloric effect which leads to the cooling or the heating of certain materials under the effect of a magnetic field. This thesis work took place within the framework of a project named " CARNOT Energies of future", and turns to the magnetothermal and fluidic study of refrigeration systems. For that purpose, a digital tool was developed using the FLUENT software to describe the thermal behavior of various regenerators, heart of the MR systems. In parallel, two magnetic refrigeration systems were developed and improved, each of them bringing interesting performances. These results allowed to understand and to define the most influential factors on their performances, so as to deduct their optimal operating conditions.