Depuis plusieurs années à nos jours, les paliers à gaz sont utilisés avec succès sur une large gamme de turbo-machines. Certains de ces systèmes sont utilisés dans des environnements de contrôle de l’environnement par gaz réfrigérant. Dans ce travail, nous présentons un modèle théorique et numérique qui tient compte de la transition du lubrifiant vapeur / liquide, la transition de l’écoulement laminaire / turbulent et les variations 3D de la viscosité et de la température dans le fluide et les solides pour les deux situations statiques et dynamiques. Ce modèle comporte : la résolution de l'équation de Reynolds généralisée pour les fluides compressibles à viscosité variable en 3D, la description des effets de la turbulence en utilisant l'approche phénoménologique de Elrod, en utilisant un champ de viscosité turbulente 3D, la résolution de l’équation d’état non linéaire du lubrifiant, capable de décrire la transition vapeur / liquide et une approche thermique local afin d'obtenir une estimation 3D de la température du fluide, grâce à l'équation d'énergie pour film mince. La prise en compte également des effets thermiques dans les solides. Dans cette étude, nous avons montré l'importance d'une description précise des paramètres du film fluide, dont les variations influencent largement le comportement du palier. Parmi les principales théories, il y a: lubrifiant compressible, avec un comportement non-linéaire près de la transition vapeur / liquide, la transition vapeur / liquide et le calcul des paramètres équivalents du mélange, un écoulement turbulent du fluide pour le palier GFB à grande vitesse en utilisant un modèle 3D de la viscosité turbulente, un comportement 3D pour la viscosité, en particulier les variations inter-films (dépendant de la température), et un comportement 3D pour la température, en particulier dans le sens transversal du film afin d'être compatible avec la viscosité, mais également dans la direction axiale afin de tenir en compte du gradient de température potentiel qui modifie considérablement le profil 3D de la température du palier. Ces deux comportements statiques et dynamiques du palier compliant GFB sont analysés. / For years now, gas bearings are successfully used over a large panel of turbo-machineries. Some of these systems are bound to be run in controlled environments such as refrigerating gas. In this work we present a theoretical and numerical model which takes into account the vapor/liquid lubricant transition, the laminar/turbulent flow transition and both temperature and viscosity 3D variations in the fluid and the solids for both static and dynamic situations. This model involves: the resolution of the generalized Reynolds equation for compressible fluids with 3D variable viscosity, the description of the turbulence effects by the phenomenological approach of Elrod, using a 3D eddy viscosity field, the resolution of a non-linear equation of state for the lubricant, able to describe the vapor/liquid transition and a local thermal approach to obtain a 3D estimation of the fluid temperature, thanks to the thin-film energy equation. The thermal effects in solids are also taken into account. In this study, we showed the importance of an accurate description of the film parameters, which variations largely influence the bearing behaviour. Among the principal theories, there are: compressible lubricant, with an appropriate non-linear behaviour when close to the vapor/liquid transition, vapor/liquid transition and calculation of the mixture equivalent parameters, turbulent flow for high-speed GFBs with a 3D eddy viscosity mode, a 3D behaviour for viscosity, particularly the cross-film variations, (temperature dependent)and a 3D behaviour for temperature, particularly in cross-film direction in order to be consistent with viscosity, but also in the axial direction in order to account for potential temperature gradient which considerably modifies the bearing 3D temperature profile. Both static and dynamic behaviours of GFBs are analysed.

L’objectif de ce travail consiste en l'étude expérimentale et la modélisation du comportement thermo-hydraulique d'un fluide frigoporteur diphasique (FFD) particulier : le coulis de paraffine, en écoulement dans un canal rectangulaire simulant un échangeur à plaques. Les coulis de paraffine sont constitués de particules millimétriques de paraffine, stabilisées dans une matrice poreuse el mises en suspension dans de l'eau. Les particules de paraffines sont composées de 75% en masse de Norpar®15 et de 25% de polymère tri-block qui sert à gélifier la paraffine. Les résultats expérimentaux issus de bilans sur les veines d'essai de l'installation développée el mise en place au Centre de Thermique de Lyon (CETHIL), mettent en évidence une intensification importante du coefficient d'échange thermique, due a la présence des particules dans le fluide porteur. Pour un écoulement laminaire du coulis de paraffine dans le canal de refroidissement, une multiplication moyenne par 1 ,25 à 1 ,5 du coefficient d'échange global par rapport au fluide monophasique a été enregistrée pour des fractions massiques en particules de 6 à 12 %. Par régression linéaire des résultats expérimentaux, des corrélations pour le calcul des nombres de Nusselt local et moyen sont proposées. Une approche théorique basée sur le modèle de mélanges (Mixture Mode!) a été élaborée pour étudier le comportement hydraulique et thermique du fluide frigoporteur diphasique FFD pendant son refroidissement en écoulement laminaire dans un canal rectangulaire. L'évolution des valeurs expérimentales et théoriques pour la température moyenne du fluide et le coemcien1 d'échange thermique paroi - fluide montrent qu'ils sont en bon accord. Le modèle peut être considéré comme satisfaisant car les écarts entre résultats théoriques et expérimentaux n'excèdent jamais 14 %. / This work concerns the experimental investigation and modelling of the thermo hydraulic behaviour of a new Iwo-phase secondary refrigerant, the paraffin slurry, flowing through a rectangular channel of a heat plate exchanger type. The paraffin slurries are made of millimetric bullets of paraffin, stabilized in an organic porous polymeric matrix, in suspension in water serving as a carrying fluid. The paraffin particles used contain 75% of paraffin called NORPAR®15 and 25% of a tri-block polymer of styrene with High Molecular Weight (HMW). The experimental results generated by the heat balances on the test sections of the experimental setup built in the Thermal Center of Lyon (CETHIL), highlight an important increase of the heat transfer coefficient, due to the particles presence in the carrying fluid. For a laminar flow of the paraffin slurry in the cold channel, an average multiplication by 1 .25 to 1.5 of the global heat transfer coefficient compared to the single-phase fluid was recorded for particles mass fractions of 6 to 12%. By regression of the experimental results, correlations for the local and average Nusselt number calculation for the laminar flows are proposed. The particularity of the presented correlations is their validity in the case of a pure fluid as we\l as for a two-phase fluid containing so\id particles. A model for the hydraulic and thermal behaviours studies of a Iwo-phase secondary refrigerant fluid during its cooling in laminar flow through a rectangular channel was developed it is based on the mixture model and to king the slip velocity into account. The evolution of the experimental and theoretical values for the fluid average temperature, the heat flow which crosses the walls and the heat transfer coefficient between the wall and fluid shows good agreement and the model is satisfactory since the variations never exceed 14%.

[pt] A pasta de gelo é uma mistura de água e um aditivo, com finas partículas de gelo, apresentando uma alta densidade de energia térmica. O principal motivo de sua utilização deve-se à combinação do aproveitamento do calor latente na mudança de fase com capacidade de ser bombeado. O presente trabalho trata do estudo experimental sobre a transfe rência de calor e queda de pressão, com mudança de fase, utilizando uma mistura de propileno glicol - água com 13,8% de concentração em peso, num trocador de calor de placas com arranjo em U para 16 placas. Realizaram-se testes de troca de calor com escoamento em paralelo e contra-corrente, para duas condições de fração mássica de gelo e números de Reynolds para a pasta de gelo entre 150 e 425, com diferentes condições de carga térmica. Dos testes foram observados aumentos de até 25% no coeficiente global de troca calor, ao se incrementar a vazão e, conseqüentemente, o número de Reynolds da pasta de gelo. Com o aumento da fração de gelo melhora-se a capacidade de resfriamento, diminuindo o número de Nusselt da pasta de gelo. O coeficiente global de troca, porém, começa a diminuir. Na literatura esta relação ainda não está bem definida. Alguns autores relatam ganhos, perdas ou indiferença no coeficiente global. Resultados do coeficiente global e do número de Nusselt, nos modos paralelo e contra-corrente, não apresentaram grande diferença. A capacidade de resfriamento em contra-corrente foi maior, apresentando valores de efetividade cerca 10% acima dos resultados observados no modo paralelo. Os fatores de atrito encontrados variaram entre 0,030 a 0,085, o que concorda com os resultados apresentados por outros pesquisadores. Como era de se esperar, o fator de atrito diminui com o aumento da vazão mássica e de maneira inversa com o aumento da fração de gelo. / [en] Ice slurry is an aqueous solution from which ice crystals are formed. These crystals possess high energy density, in the form of latent heat. Furthermore, the fact of being a slurry makes it an excellent energy carrier, for it can be easily pumped. The present work presents an experimental procedure to assess the heat transfer and the pressure loss, with phase change, using a mixture of propyleneglycol and water, 13.8% weight, in a U-plate heat exchanger with 16 plates. Tests were carried out for both parallel and counter-flow configurations of the heat exchanger, for two different mass fractions of ice and with Reynolds numbers between 150 and 425 for the slurry. Different thermal loads were considered. The experiments showed increases of up to 25% in the overall heat transfer coeficiente when the slurry flow is increased, with consequent increase in the Reynolds number. By increasing the ice fraction the cooling capacity is improved, reducing the Nusselt number. In the literature, this relationship is not clearly defined, as some authors show gains in the heat exchange coefficient, losses, and some others did not observe any influence on this parameter. Regarding the heat Exchange configuration, i.e., parallel or counter-flow, neither the heat exchange coefficient, nor the Nusselt number suffered major influence. The effectiveness is up to 10% higher for the counter-flow configuration in comparison with the parallel configuration. The figures found for the friction coefficient, between 0,030 and 0,085, are in good agreement with the literature. As expected, the friction coefficient decreases when the mass flow is increased, and increases when the ice fraction is increased.

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.

Ce travail a été réalisé en cotutelle entre l’Université Charles à Prague (République Tchèque) et l'Université de Strasbourg (France). Il a également profité d’une coopération entre l'Institut de Chimie Inorganique de l'Académie des Sciences de République Tchèque et le Commissariat à l'Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives (CEA, Cadarache, France). Les résultats des travaux ont contribué au projet OCDE / AEN Serena 2 (Programme portant sur l’étude des effets d'une explosion de vapeur dans un réacteur nucléaire à eau). La thèse présentée se situe dans le domaine de la sûreté nucléaire et de la science des matériaux. Elle traite de l’Interaction Combustible-Réfrigérant (ICR, ou FCI en anglais pour Fuel-Coolant Interaction) susceptible d’intervenir lors d’un accident grave de réacteur nucléaire et actuellement à l’étude dans les programme de R&D. Au cours d’un accident de fusion d’un coeur de réacteur, les matériaux fondus peuvent interagir avec le liquide de refroidissement (eau légère), aussi appelé réfrigérant. Cette interaction peut se produire à l'intérieur de la cuve ou, en cas de rupture de celle-ci, à l'extérieur. Ces deux scénarios sont couramment appelés Interaction Combustible-Réfrigérant en- et hors- cuve et se distinguent de par les conditions du réacteur lors de l’accident : pression du système, degré de sous refroidissement de l’eau, etc. L'interaction entre le combustible fondu et le liquide de refroidissement peut évoluer vers une détonation thermique appelée «explosion de vapeur» qui peut endommager le réacteur, voire compromettre l'intégrité du confinement. Des expériences récentes ont montré que la composition du combustible a un effet majeur sur l’apparition et le rendement d’une telle explosion. En particulier, des comportements différents ont été observés entre un matériau simulant, l'alumine, qui explose très facilement, et diverses compositions de corium prototypique (80 m. % UO2, 20% m.% ZrO2). Cet «effet matériau» a suscité un intérêt nouveau pour les analyses post-expériences des débris issus de l’ICR afin de déterminer les mécanismes qui interviennent au cours de ces phénomènes extrêmement rapides. La thèse est organisée en neuf chapitres. Le chapitre 1 constitue une introduction générale et présente le contexte d’un accident grave d’un réacteur nucléaire. Quelques exemples d’accidents graves (Three Miles Island 1979, Tchernobyl 1986 et Fukushima 2011) sont brièvement abordés. Le chapitre 2 résume les aspects théoriques de l'interaction combustible-réfrigérant. Il est divisé en quatre parties correspondant aux quatre étapes généralement rencontrées lors du mécanisme d’ICR i) Prémélange - le combustible fondu, versé dans l'eau, se fragmente en gouttelettes grossières qui s’isolent d’un film de vapeur. ii) Déclenchement – le film de vapeur entourant les gouttes de combustible est déstabilisé, permettant ainsi la fragmentation fine du combustible. iii) Propagation - la fragmentation du combustible se propage à l’ensemble du prémélange, augmentant ainsi la surface de contact entre le combustible fondu et l’eau. Ceci conduit à une production intense de vapeur à grande échelle. iv) Expansion (explosion) - l'énergie thermique transférée du combustible à l'eau est transformée en travail mécanique de la vapeur.[...] / This work has been performed under co-tutelle supervision between Charles University in Prague (Czech Republic) and Strasbourg University (France). It also profited from the background and cooperation of Institute of Inorganic Chemistry Academy of Science of the Czech Republic and French Commission for Atomic and Alternative energies (CEA Cadarache). Results of the work contribute to the OECD/NEA project Serena 2 (Program on Steam Explosion Resolution for Nuclear Applications).Presented thesis can be classed in the scientific field of nuclear safety and material science. It is aimed on the socalled “molten nuclear Fuel – Coolant Interaction” (FCI) that belongs among the recent issues of the nuclear reactorsevere accident R&D. During the nuclear reactor melt down accident the melted reactor load can interact with the coolant (light water). This interaction can be located inside the vessel or outside in the case of vessel break-up. These two scenarios are commonly called in- and ex-vessel FCI and they differ in the conditions such as initial pressure of the system, water sub-cooling etc. The Molten fuel – coolant interaction can progress into thermal detonation called “steam explosion” that can challenge the reactor or containment integrity.Recent experiments have shown that the melt composition has a major effect on the occurrence and yield of such explosion. In particular, different behaviors have been observed between simulant material (alumina), which has important explosion efficiency, and some prototypic corium compositions (80 w. % UO2, 20% w. % ZrO2). This “material effect” has launched a new interest in the post-test analyses of FCI debris in order to estimate the processes occurring during these extremely rapid phenomena. The thesis is organized in nine chapters. The chapter 1 gives the general introduction and context of the nuclear reactor accident. Major nuclear accidents (Three Miles Island 1979, Chernobyl 1986 and Fukushima 2011) are briefly described. The chapter 2 summarizes the theoretical aspects of the fuel – coolant interaction. It is divided in four thematic fields according to the FCI progression. In general, FCI has four stages: i) Premixing – hot melt is poured in water and fragmented in coarse droplets surrounded by steam filmii) Triggering – steam film around melt droplets is destabilized allowing fine fragmentation iii) Propagation – the fine fragmentation propagate through the premixture increasing the melt – water interface area, which leads to large steam production iv) Expansion (explosion) – Thermal energy transferred from the melt to water is changed into mechanical workof the steam.The chapter 3 summarizes the research conducted in different experimental facilities using nonradioactive simulant or radioactive prototypic materials. The chapter 4 shows the results of thermodynamic calculations, by which thepossible chemici reactions between melts and water/steam at high temperatures were modeled. Second part presentsthe results of 1D calculations of radiation heat transfer from FCI materials to water/steam. The chapter 5 describes the material analyses of non-radioactive simulant debris coming from MISTEE experimental research program (KTH, Sweden) and PREMIX, ECO facilities (FZK, Germany). The chapters 6 to 8 describe the material analyses of radioactive prototypic debris coming from KROTOS research program (CEA, France). The KROTOS KS2 test used melt composition 70 w. % UO2 and 30 w. % ZrO2, the KS4 test 80 w. % UO2 and 20 w. % ZrO2, the last KS5 test used suboxidized melt 80.1 w. % UO2 and 11.4 w. % ZrO2 and 8.5 w. % metallic Zr. The chapter 9 concludes the work and presents future perspectives.

La tesis que a continuación se presenta surge como una respuesta práctica al problema medioambiental relacionado con el empleo de sustancias sintéticas como fluidos de trabajo en muchos de los equipos de climatización comercializados en la actualidad. Con su desarrollo se busca dar alternativas a la creciente demanda de sistemas de climatización eficientes que contribuyan a la optimización de los recursos energéticos. Uno de los objetivos planteados en el desarrollo de la tesis ha sido el diseñar y evaluar experimentalmente el comportamiento de diferentes prototipos experimentales de bombas de calor, particularmente de tipo agua-agua con el uso del propano como refrigerante. La caracterización de los prototipos se llevó a cabo realizando diferentes estudios de carga con la finalidad de determinar la mínima cantidad de propano en cada sistema para obtener las máximas prestaciones en cuanto a COP y capacidad. Los estudios han mostrado que los elementos principales, como el compresor o los intercambiadores de calor presentan mayores rendimientos con el uso del propano en comparación a algunos refrigerantes sintéticos como el R407C. Esto se debe en gran medida a las excelentes propiedades termodinámicas y de transporte del propano, así como a la evolución que este refrigerante tiene a través de los componentes del sistema. En cuanto a la carga óptima de propano, se han obtenido cargas de refrigerante próximas a los 500 gramos, que han permitido obtener coeficientes de operación elevados bajo condiciones de trabajo típicas de calefacción y refrigeración, así como capacidades específicas de refrigeración entre 25 y 33 Wattios por gramo de propano. / Martínez Galván, IO. (2008). Estudio experimental de optimización de una bomba de calor agua-agua empleando propano como fluido de trabajo [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/3344 / Palancia

The diploma thesis deals with the issue of gas heat pumps. It provides a general survey of heat pumps in the first part and in the second part it aims on proposing settings of a gas heat pump for the given operating parameters. The proposed concept is applied to the specific case study of deployment in the industry with subsequent economic evaluation.

V posledních několika desetiletích se objevuje snaha o snížení firemních nákladů, stejně tak jako nákladů, které je nucen vynaložit zákazník, čímž se společnosti snaží získat výhodu vůči svým konkurentům na trhu. Spolu s tímto trendem jde i neustálá snaha snížit dopady na životní prostředí. Vývoj stávajících produktů se proto zdá být klíčovým prvkem. Tento dokument se zabývá vývojem pístového kompresoru na CO2 chladivo, který vyrábí společnost Emerson Climate Technologies. Cíl práce je zvýšit COP kompresoru při zachování stávající životnosti kompresoru. Diplomová práce je rozčleněna do několika kapitol, které se zabývají analýzou originálního designu kompresoru, návrhem a vyhodnocením designů nových. Nezbytné teoretické základy mohou být také shlédnuty v počátečních kapitolách. V poslední části dokumentu jsou sdělena možná další vylepšení a případné jiné konstrukce. Vývoj byl zaměřen na sestavu ventilové desky. Na základě několika předpokladů a výsledků analýzy původního designu kompresoru byly navrženy nové konstrukce, které byly dále testovány statickou strukturální analýzou. Pomoci modální analýzy byly také vypočteny vlastní frekvence a vlastní tvary sacího jazýčku. Mimo modální a statické strukturální analýzy byla provedena také CFD analýza. V posledním kroku byly testovány navržené prototypy a jejich výsledky byly porovnány s původním kompresorem. K správnému návrhu bylo zapotřebí programové podpory a to především v podobě MATLABu, ANSYSu WB a Microsoft Excelu. V práci jsou velmi často prezentovány obzvláště výsledky získané v programu ANSYS WB.

The diploma thesis deals with the issue of replacement of non-ecological refrigerant R22 according to the requirements of relevant juristic regulations and of subsequent influence of this replacement to the efficiency of air conditioning systems. The theoretical part is focused on proceeding processes in thermodynamic cycles and during heat transfer, then determines calculation of cooling and heating factor in context with experimental measurement. The experimental measurement utilizes to the assessment of operation of heat pump after refrigerant replacement and it is source for the composion of economical evaluation of alternative solutions due to the particular choice of refrigerant replacement.

This thesis describes the design of cooling ice rink. Cooling system design is based on a physical nature, measured data and observations from practice. The result is a proposal cooling system with the highest possible cooling factor, which uses waste heat for technology needs snow pit and hot water, in order to achieve the lowest cost of operation ice rink.