Une grande quantité d’énergie est rejetée par l’industrie à bas niveau de température, en dessous de 200 °C. Afin d’améliorer le rendement énergétique global des procédés utilisés, il est envisageable de valoriser cette chaleur perdue appelée chaleur fatale. Cependant cette valorisation est souvent rendue difficile par la présence d’un décalage temporel entre le moment où l’énergie est rejetée et le moment auquel cette énergie pourrait être de nouveau utilisée. Associant de fortes capacités de stockage ainsi qu’une possible restitution d’énergie à température constante, la solution du stockage de l’énergie thermique par des Matériaux à Changement de Phase, appelés MCP, apparaît comme particulièrement attractive. Cependant, la mise en œuvre de ces systèmes de stockage se heurte à des verrous scientifiques et technologiques tant au niveau du matériau de stockage que du système mais également de son contrôle commande et de son insertion dans les procédés industriels.L’objectif de la thèse est de mettre au point un système de stockage par MCP solide-liquide dans deux gammes de température : 70-85 °C et 120-155 °C. La première correspond aux températures des réseaux de chaleurs ou des chauffages domestiques alors que la deuxième s’applique au préchauffage des procédés industriels déjà existants. La thèse vise à démontrer la faisabilité technique du système de stockage. Le travail s’articule autour de différentes tâches allant de la sélection et la caractérisation des MCP jusqu’à leur mise en œuvre dans un organe de stockage et la simulation numérique de la solution de stockage.Les MCP recensés dans la bibliographie à ces niveaux de températures ont été caractérisés finement par calorimétrie (DSC) afin de déterminer leurs propriétés thermo-physiques sur des échantillons de grade laboratoire. L’acide stéarique pour la gamme 70-85 °C et l’acide sébacique pour la gamme 120-155 °C ont été sélectionnés. Des analyses calorimétriques plus poussées sur le grade industriel de ces matériaux ont été réalisées avec notamment des analyses de vieillissement et de compatibilité avec leur encapsulation respective au sein d’un banc expérimental. Le prototype expérimental de stockage thermique a été dimensionné et conçu pour répondre aux sollicitations simulant les rejets et les demandes d’un procédé industriel. Ce banc d’essais est composé principalement de deux organes de stockage que sont une cuve cylindrique et un échangeur multitubulaire et d’un thermorégulateur servant à simuler le fonctionnement du procédé industriel. Dans l’échangeur multitubulaire, le MCP occupe toute le volume de la calandre tandis que le fluide caloporteur circule dans les tubes. La cuve, quant à elle, contient des capsules sphériques en polyoléfines dans lesquelles le MCP est confiné. Elle est traversée par le fluide caloporteur procédant aux échanges thermiques. Ces capsules sphériques appelées nodules ne peuvent supporter plus de 100 °C et sont exclusivement réservées pour la gamme basse température. Ainsi, l’acide stéarique a été confiné dans les nodules afin de remplir la cuve de stockage. L’acide sébacique a lui été intégré dans la calandre de l’échangeur multitubulaire. Les campagnes expérimentales réalisées ont montré la faisabilité de ces types de stockage. Enfin, un modèle numérique simulant les performances du module de stockage utilisant les MCP encapsulés a été réalisé. Il constitue la première étape d’un outil de simulation complet intégrant les briques technologiques du stockage latent. / A large amount of energy is rejected by the industry at low temperature level, below a temperature of 200 °C. In order to improve the overall energy efficiency of industrial processes, it is possible to re-use this waste heat. However, this energy recovery is often made difficult because of the time difference between the process step at which the energy is lost and the process step at which this energy could be reused. Combining high energy storage capabilities and a possible energy recovery at constant temperature, thermal storage solution by phase change materials (PCM) is particularly attractive. However, this storage systems implementation faces scientific and technologic obstacles concerning both the storage material and system but also its command system and its integration into industrial processes.This thesis aims to develop a thermal energy storage system using a solid-liquid PCM technology in two temperature ranges: 70-85 °C and 120-155 °C. The first one corresponds to temperatures of heating networks or domestic heating systems, while the second one could directly preheat existing industrial processes. The thesis aims to demonstrate the technical feasibility of the storage system. The purpose is divided into different tasks such as PCMs selection and characterization, PCM implementation in a storage system but also numerical simulation of the storage solution.PCM documented in the literature at those temperature ranges were characterized by Differential Scanning Calorimetry (DSC) in order to determine thermo physical properties on laboratory grade samples. Stearic acid for the 70-85 °C temperature range and sebacic acid for the 120-155 °C temperature range were selected. Deeper differential scanning calorimetry analyses were carried out on those industrial grade materials including material ageing process analyses and their compliance with their respective encapsulation within an experimental test bench.Thermal storage experimental prototype was designed in order to meet the demands simulating the rejects and needs of industrial processes. The test bench is mainly composed of two storage systems : a cylindrical tank, a multitubular exchanger and a thermoregulator used to simulate industrial process functioning. The PCM, while in the multitubular exchanger, fills up the whole volume of the shell whereas the heat transfer fluid flows in tubes. The tank, for its part, contains polyolefin spherical capsules in which the PCM is contained. The tank is crossed by the heat transfer fluid conducting heat exchanges. Those spherical capsules called nodules cannot be exposed to temperatures exceeding 100 °C and are exclusively reserved for the low temperatures range. Thus, stearic acid was confined in nodules so as to fill the storage tank. The sebacic acid was incorporated in the multitubular exchanger shell. Experimental campaigns carried out have demonstrated the feasibility of those storage types.

While 3D stacked multi-processor technology offers the potential for significant computing advantages, these architectures also face the significant challenge of small, localized hotspots with very large heat fluxes due to the placement of asymmetric cores, heterogeneous devices and performance driven layouts. In this thesis, a new thermal management solution is introduced that seeks to maximize the performance of microprocessors with dynamically managed power profiles. To mitigate the non-uniformities in chip temperature profiles resulting from the dynamic power maps, solid-liquid phase change materials (PCMs) with an embedded heat spreader network are strategically positioned near localized hotspots, resulting in a large increase in the local thermal capacitance in these problematic areas. Theoretical analysis shows that the increase in local thermal capacitance results in an almost twenty-fold increase in the time that a thermally constrained core can operate before a power gating or core migration event is required. Coupled to the PCMs are solid state coolers (SSCs) that serve as a means for fast regeneration of the PCMs during the cool down periods associated with throttling events. Using this combined PCM/SSC approach allows for devices that operate with the desirable combination of low throttling frequency and large overall core duty cycles, thus maximizing computational throughput. The impact of the thermophysical properties of the PCM on the device operating characteristics has been investigated from first principles in order to better inform the PCM selection or design process. Complementary to the theoretical characterization of the proposed thermal solution, a prototype device called a "Composite Thermal Capacitor (CTC)" that monolithically integrates micro heaters, PCMs and a spreader matrix into a Si test chip was fabricated and tested to validate the efficacy of the concept. A prototype CTC was shown to increase allowable device operating times by over 7X and address heat fluxes of up to ~395 W/cm2. Various methods for regenerating the CTC have been investigated, including air, liquid, and solid state cooling, and operational duty cycles of over 60% have been demonstrated.

Data centers are computing infrastructure facilities that house arrays of electronic racks containing high power dissipation data processing and storage equipment whose temperature must be maintained within allowable limits. In this research, the sustainable and reliable operations of the electronic equipment in data centers are shown to be possible through the Open Engineering Systems paradigm. A design approach is developed to bring adaptability and robustness, two main features of open systems, in multi-scale convective systems such as data centers. The presented approach is centered on the integration of three constructs: a) Proper Orthogonal Decomposition (POD) based multi-scale modeling, b) compromise Decision Support Problem (cDSP), and c) robust design to overcome the challenges in thermal-fluid modeling, having multiple objectives, and inherent variability management, respectively. Two new POD based reduced order thermal modeling methods are presented to simulate multi-parameter dependent temperature field in multi-scale thermal/fluid systems such as data centers. The methods are verified to achieve an adaptable, robust, and energy efficient thermal design of an air-cooled data center cell with an annual increase in the power consumption for the next ten years. Also, a simpler reduced order modeling approach centered on POD technique with modal coefficient interpolation is validated against experimental measurements in an operational data center facility.

Thesis (Ph.D.)--Mississippi State University. Department of Mechanical Engineering. / Title from title screen. Includes bibliographical references.

Energieffektivisering är intressant för alla industrier, eftersom det handlar om minskning av både energianvändning och kostnad. Syftet med detta examensarbete är att analysera potentiell energiåtervinning av spillvärme från en mangel vid Limatvätten AB. Limatvätten AB är en stor och modern tvätterianläggning. Limatvätten tvättar åt främst hotell- och restaurangkunder. Limatvätten AB har egna textilier som hyrs ut till hotell, konferenser m.m. Största kunderna finns i Sälenfjällen och Siljansregionen. Då inga processdata fanns tillgängliga för detta arbete krävdes mätningar för att få basinformationen. Utifrån mätningar beräknas mängden av energi som kan återvinnas. Systemförslag för värmeåtervinning ges även i rapporten. Aquavent är en värmeväxlare som använder ventilationsvärme från manglar. Vattnet som värms upp i aquavent leds in i tvättrören, vilket leder till minskning av ångförbrukning i tvättprocesser. Temperaturförändring är beroende av värmeväxlarens verkningsgrad, ju högre temperaturförändring det är desto mer mängd av energiåtervinning fås. Efter identifiering av problemet kartlades tidsplan, lämpliga instrument samt intressanta parametrar. Fukthalten, temperaturen och dynamiska trycket har mätts. Formlerna som beskrivs i teoriavsnittet har använts till de flesta beräkningarna med hjälp av Excel. Av resultatet framkommer att maximala energibesparingen blir 184 MWh/år om all överskottsvärme från manglarna återanvänds. Utifrån resultatet blir den totala besparingspotentialen på 57 000 SEK/år. Ytterligare kompletterande mätningar och analyser behövs för att få tillräckligt bra beslutsunderlag. Men detta arbete tyder på att ytterligare analys är intressant. Resultaten visar det att finns potential att använda överskottsvärme från Limatvättens manglar. Förutom besparingen av energin så minskas också klimatpåverkan eftersom överskottsenergin återanvänds igen som annars skulle försvinna ut i atmosfären. Om två av manglarna kopplas med ett värmeåtervinningssystem, resulterar det en dubblering på besparingspotentialen. För att få ett mera noggrant resultat kunde man logga en längre tid för mätningarna för att se förändring kring de mätande storheterna t.ex. genom att installera mätare som loggar till en dag eller till med en vecka. Övervakning och tolererande givare behövs dock. / Energy efficiency is in the interest of all industries, as it involves the reduction of both energy and cost. The purpose of this project for a bachelor’s degree is to analyse potential energy recovery of waste heat from an ironer. The work was carried out at Limatvätten AB, which is a large and modern laundry facility. Limatvätten AB is a textile service company that has been in existence for 50 years. The Lima laundry’s main customers are from the hotel and restaurant business. Limatvätten AB has its own textiles that are rented to hotels, conferences, etc. The largest customers are in Sälenfjällen and in the Siljan region. The work is done by identifying moisture, temperature and dynamic pressure in an ironer Based on measurements, the amount of energy that can be recycled is calculated. Heat recovery system proposals are also given in the report. Aquavent is a heat exchanger that uses ventilation heat from the ironers. The water that is heated in the aquavent is led into the washing pipes, which leads to the reduction of steam consumption in washing processes. Temperature change depends on the heat exchanger's efficiency, the higher the temperature change, the more amount of energy recovery is obtained. After identification of the problem, a timetable was mapped, and appropriate instruments and interesting parameters were chosen. The moisture content, temperature and dynamic pressure have been measured. The equations described in the theory section are used for most of the calculations with the help of Excel. According to the result, the energy saving will be 184 MWh/year if all excess heat from a mangle is reused. Based on the result, the total savings potential is SEK 57 000 /year. According to the results, it is shown that there is the potential to use excess heat from the Lima wash ironers. In addition to the saving of energy, climate impact is also reduced, as the excess energy is again reused which would otherwise disappear into the atmosphere. If two of the ironers are coupled with a heat recovery system, it results in a doubling on the savings potential.

Ce travail de recherche est motivé par les contraintes environnementales qui imposent une réduction des émissions de gaz à effet de serre. L'objectif de cette thèse est d'explorer les possibilités de réduction de consommation des moteurs à combustion interne en les munissant d'un dispositif de récupération de chaleur. Cette étude est focalisée sur la valorisation des rejets thermiques d'installations de faible puissance. Le cycle de Rankine est la technologie qui a été sélectionnée. Une installation d'essais a été construite. Un générateur de gaz chaud simule le moteur thermique ; une part de cette chaleur est collectée par le système de récupération de chaleur et partiellement convertie en énergie mécanique. L'échangeur de chaleur a été conçu et construit en interne ainsi que la machine de détente à piston. Un modèle numérique statique validé expérimentalement pour l'évaporateur a été développé. Celui-ci permet d'explorer les performances du cycle de Rankine sur un large champ de fonctionnement. Avec des hypothèses restrictives le modèle numérique fait apparaître qu'un gain de consommation de l'ordre de 3 % à 4 % sur un tracteur agricole serait possible. Un modèle dynamique de moteur à piston adapté aux cycles de Rankine de faibles puissances a été développé pour aider à son dimensionnement. Ce modèle a permis de mettre au point un concept de machine de détente à piston avec un mécanisme de distribution simplifié. Bien qu'offrant des performances en retrait sur les machines de détente à piston à distribution commandée ce concept est à approfondir pour les systèmes de faible puissance nécessitant une simplicité de construction et un faible coût. / This research was motivated by environmental constraints which impose a reduction in greenhouse gas emissions. The aim of the thesis was to explore the possibility of reducing the consumption of an internal combustion engine using a bottom waste heat recovery system. The study focused on waste heat recovery for low power installations. The Rankine cycle technology was selected to exploit the heat source. An experimental test bench was designed and set up. A hot gas generator simulates an internal combustion engine. Part of the thermal power is absorbed by the evaporator and partially converted into mechanical power. The heat exchanger and piston expander were designed and built in-house. A numerical static model with experimental validation of the evaporator was developed. The model was used to explore the performances of the Rankine cycle over a large operating range. Under restrictive hypotheses, the numerical model showed that is possible to reduce the consumption of a tractor by about 3 to 4 %. A piston expander dynamic model was developed to assist in sizing the expander. The model was used to define a piston expander concept with a simple distribution mechanism. Although a classical distribution mechanism offers better performances, this concept is promising for systems that are simple, small-scale and low-cost.

A l'heure actuelle, l'industrie représente environ le tiers de la consommation énergétique et des émissions de CO2. Des opportunités substantielles existent pour faire face aux enjeux environnementaux et économiques, passant par l'efficacité énergétique en général et l'utilisation de l'énergie, en particulier dans les parcs industriels. Les Systèmes à Energie Distribuée (SED) correspondent en ce sens à une solution courante et prometteuse. Nous avons donc entrepris une démarche d'approche globale de site, incluant l'agrégation de l'ensemble des variables énergétiques, économiques, environnementales et managériales influentes dans une installation de ce type. Une mise en application sur une installation pilote et sa validation ont permis d'identifier les verrous scientifiques et techniques et de mesurer pertinence et efficacité des éléments et modes opératoires des systèmes en mode stationnaire. Cette étude offre une méthode d'utilisation coopérative des indicateurs des domaines impactés et ouvre également des perspectives sur des développements en mode dynamique à des fins d'aide à la conduite optimale. / Nowadays, industry accounts for about one third of energy consumption and CO2 emissions. Substantial opportunities exist to address environmental and economic challenges, including energy efficiency in general and the use of energy, especially in industrial parks. Distributed Energy Systems (DES) correspond in this sense to a common and promising solution. We have therefore undertaken a global site approach, including the aggregation of all influential energy, economic, environmental and managerial variables in an installation of this type. Implementation on a pilot plant and its validation have made it possible to identify the scientific and technical locks and to measure the relevance and efficiency of the elements and stationary operating modes of the systems. This study offers a method of cooperative use of the indicators of impacted domains and also opens perspectives on developments in dynamic mode for the purposes of optimum driving assistance.

Made available in DSpace on 2014-12-17T14:58:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 LuizCPV_DISSERT.pdf: 4145604 bytes, checksum: cc3f28e35e926d7f9d6bd3a0d675dcd3 (MD5) Previous issue date: 2010-04-26 / The use of waste heat of energy conversion equipment to produce a cooling effect, consists currently in a very interesting way of efficiency improvement of energy systems. The present research has as intention the theoretical and experimental study of a new intermittent refrigeration system ejector cycle characteristics, with use of waste heat. Initially, was doing a bibliographical survey about the vapor ejector refrigeration system technology. In the following stage was doing a simulation of the corresponding thermodynamic cycle, with preliminarily intention to evaluate the performance of the system for different refrigerants fluids. On the basis of the results of the simulation were selected the refrigerant fluid and developed an experimental group of benches of the refrigeration system considered, where pressure and temperature sensory had been inserted in strategical points of the refrigeration archetype and connected to a computerized data acquisition system for measure the refrigerant fluid properties in the thermodynamic cycle. The test results obtained show good agreement with the literature / A utiliza??o do calor residual de equipamentos para convers?o de energia para produzir frio, ? uma forma de melhoria da efici?ncia dos sistemas energ?ticos. A presente pesquisa destina-se ao estudo te?rico e experimental das caracter?sticas de um novo sistema de refrigera??o intermitente por jato-compress?o (ejetor) com uso de calor residual. Inicialmente, foi realizado um levantamento bibliogr?fico sobre a tecnologia de sistemas de refrigera??o por jato-compress?o. Na fase seguinte, investigou-se a concep??o do principal elemento da proposta de sistema de refrigera??o, o ejetor. A metodologia emp?rica utilizada no c?lculo do ejetor est? dispon?vel na literatura. Com o aux?lio do software EES (Engineering Equation Solver) foram realizados estudos (simula??es) para diferentes fluidos refrigerantes sint?ticos. O fluido refrigerante R141b apresentou as propriedades termodin?micas e de transporte necess?rios para o funcionamento eficaz do sistema proposto. Com base nos resultados da simula??o foi selecionado o fluido refrigerante e desenvolvida uma bancada experimental do sistema de refrigera??o proposto, onde sensores de press?o e temperatura foram inseridos em pontos estrat?gicos do prot?tipo de refrigera??o e conectados a um sistema de aquisi??o de dados computadorizado para medi??o das propriedades do fluido refrigerante no ciclo termodin?mico. Os resultados obtidos nos ensaios revelam boa concord?ncia com os encontrados na literatura

Ce travail porte sur l’étude d’un nouveau type de thermo-transformateur à absorption-démixtion (TTAD) utilisant un mélange présentant une lacune de miscibilité à basse température. Dans ce cycle, l’opération de séparation, est effectuée par décantation gravitaire par simple refroidissement du mélange. La séparation est ainsi énergétiquement gratuite et permet d’atteindre des rendements thermiques plus élevés que ceux des pompes à chaleur à absorption classiques dans lesquelles la séparation s’effectue par distillation.Afin de trouver des mélanges de travail pour atteindre un saut thermique de 50°C, un outil de simulation numérique a été développé pour évaluer les performances des TTAD en fonction des conditions opératoires (rapport d’alimentation et nombre d’étages de la colonne de rectification inverse) et des caractéristiques des composés du mélange de travail (Cp, Lv, paramètres caractéristiques des équilibres liquide-liquide et liquide-vapeur). L’optimisation des conditions opératoires a ainsi permis d’obtenir un saut thermique maximal de 12,4°C pour le mélange n-heptane / DMF pris comme référence. En faisant varier les propriétés des composés autour de celles de ce mélange de référence, un saut maximum de 32°C a été calculé pour un mélange fictif. L’étude de 17 mélanges réels a permis atteindre 21°C de saut thermique. Une liste d’autres mélanges à étudier a été établie. A l’aide d’une unité pilote d’une puissance de 4kW, des mesures expérimentales des performances du cycle modifié de TTAD pour le mélange n-heptane / DMF ont été réalisées et démontré la faisabilité de ce cycle même si le saut thermique de 11°C atteint au maximum est inférieur à celui calculé par simulation / This work is a study of a new type of Absorption-Demixing Heat Transformer (ADHT), using a mixture exhibiting a miscibility gap at low temperature. In this cycle, the separation step is performed by settling obtained after cooling the mixture. The separation is then energetically free and enables to reach thermal yields higher than those obtained for classical absorption heat transformers where separation is done by distillation.In order to find suitable working mixtures to reach temperature lift of 50°C, a numerical simulation tool was developed to calculate ADHT performances. This tool enabled to calculate thermal yield and thermal lift for different values of operating parameters (molar feed ratio, number of stages of rectification column) and different properties of working mixtures (Cp, Lv, parameters characterizing liquid-liquid and liquid-vapour equilibria). The best operating conditions allowed reaching a 12,4°C thermal lift for the n-heptane / DMF mixture takes as a reference mixture. By varying the mixture properties around the values of the reference mixture properties, a maximal thermal lift of 32°C was reached for an imaginary mixture. 17 real mixtures were also studied and enabled to reach a 21°C temperature lift. A list of other working mixtures that should be suitable was established. A 4 kW ADHT pilot unit was designed and built. The technical feasibility of this cycle was then experimentally demonstrated with this unit. A maximum temperature lift of 11°C was measured with the n-heptane / DMF mixture that is lower than the values calculated by simulation

Les contraintes législatives, environnementales et économiques poussent les constructeurs automobiles à envisager toutes les solutions possibles pour optimiser au mieux la consommation de carburant des véhicules. La récupération d'énergie à l'échappement fait partie de ces solutions envisageable et le moteur à cycle de Rankine offre de nombreux avantages.Le choix de cette technologie de récupération d'énergie à l'échappement est justifié au moyen d'un état de l'art complet ainsi qu'au moyen d'une comparaison basée sur des simulations au moyen de modèles calibrés. Ces simulations ont permis également de donner un ordre de grandeurs des gains de consommation attendus sur différents cycles de conduite.L'expanseur du moteur à cycle de Rankine est un des éléments-clés du système. Aucun expanseur disponible sur le marché n'est adapté pour l'application véhicule. Dès lors, le dimensionnement d'un nouvel expanseur a été entrepris. Ce dimensionnement a nécessité le développement d'un modèle détaillé de l'expanseur scroll. Le moteur à cycle de Rankine fonctionne avec de l'eau et les expériences passées ont montré que la gestion d'un mélange eau-huile est particulièrement délicate. Le choix d'opérer sans lubrification a été réalisé et une attention particulière s'est portée sur la lubrification sèche des volutes de l'expanseur. Des essais expérimentaux ont permis de mettre en évidence les propriétés tribologiques de divers couples de matériaux. La définition des matériaux du joint radial et des volutes de l'expanseur a donc pu être réalisée.Finalement, cet expanseur a pu être testé sur un banc d'essais. Ce banc a également permis de tester plusieurs autres composants du moteur à cycle de Rankine. Les performances de ces composants ont pu être mesurées lors d'essais stabilisés et ils ont également permis de calibrer des modèles semi-empiriques. Ces modèles peuvent être utilisés dans l'évaluation des performances du système de récupération. / Automotive manufacturers seek every possibility to reduce passenger car fuel consumption due to several constraints such as legislative, environmental or economical ones. Waste heat recovery is one of those possibilities and, among the waste heat recovery solutions, Rankine cycle heat engines provide numerous advantages.A complete state of the art and a comparison based on calibrated semi-empirical models justified the choice of a Rankine cycle heat engine as the waste heat recovery technology to be investigated in this thesis. The simulation of different technologies also provided some orders of magnitude of the achievable fuel consumption reduction.The expander of the Rankine cycle heat engine is one of the key element of the system. No commercially available expander is suitable for a waste heat recovery application on passenger cars. Therefore, a new expander has been sized and manufactured. A detailed model of the scroll expander has been built in order to size the expander.The working fluid of the Rankine cycle heat engine is water and previous experimental works have shown that a mix of steam and lubricating oil is not easy to manage. Dry lubrication has therefore been chosen and experimental test have been run to study tribological properties of different couples of materials. Those tests allowed to choose the material of the involute and the tip seal of the expander.Finally, the expander has been tested in a Rankine cycle heat engine. Other components of the Rankine cycle heat engine have also been tested. Performances of those components have then been measured in steady conditions. These measurements allowed the calibration of semi-empirical models that can therefore be used to evaluate the performance of the system.