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Development of Advanced Analysis Methods for Experimental Data on Fouling Phenomena in Heat Exchangers in real operating condition
No full textL’absence d’outils dédiés, permettant aux industriels d’agir efficacement sur les phénomènes d’encrassement des échangeurs thermiques est à l’origine de cette étude. L’objet de la thèse est de construire une méthodologie pour permettre d’évaluer in situ les paramètres caractéristiques de l’effet d’encrassement, de mettre en œuvre et de valider ensuite des méthodes d’analyse de ces données pour en extraire un outil de prédiction des effets d’encrassement à partir de la connaissance d’un nombre réduit de données de fonctionnement. Cette démarche réalisée pour différents systèmes thermohydrauliques identifiés et instrumentés privilégie des processus d’encrassement dans des récupérateurs thermiques sur fumées et gaz de combustion ainsi que sur des eaux chargées. Nous concentrerons nos efforts sur les phénomènes d’encrassement d’échangeurs en environnement réel, en insistant sur le développement des méthodologies d’identification des cinétiques d’encrassement et sur les démarches de validation pour des cas concrets. Enfin, une application de programme de maintenance, par différentes stratégies de nettoyage limitant les dégradations de l’efficacité des installations étudiées, sera conduite : elle permettra d’identifier les stratégies les plus adaptées. La finalité de la démarche étant destinée à terme, pour une installation quelconque, de développer un outil expert à partir d’un nombre réduit d’informations. Celui-ci permettrait d’évaluer la cinétique d’encrassement de l’équipement thermique pour une période future et d’élaborer une pratique de maintenance dans la perspective d’une réduction des coûts énergétiques et des coûts d’intervention.The lack of dedicated tools, enabling at industrials to act effectively on the fouling phenomena in heat exchanger is the origin of this study. The purpose of the thesis is to develop a methodology in order to assess - in situ -at the characteristic parameters of the fouling effects, implement and then validate the data analysis methods to extract a fouling effects prediction tools from the knowledge of a limited number of operating data. This approach realized for different identified and instrumented thermohydraulic systems favors the fouling process in heat exchangers on charged water. We will focus on the phenomena of fouling of heat exchangers in a real environment, with emphasis on the development of methodologies to identify the fouling kinetic's and on the approach for validation of practical and concrete cases. Finally, application of a maintenance program by different cleaning strategies limiting the degradation of the efficiency of the facilities studied will be conducted: it will identify the most appropriate strategies. The purpose of the initiative, intended to run for any installation, is to develop an expert tool from reduced amount of information. This tool assesses to evaluate the kinetics of fouling of the thermal equipment for a future period and develop a maintenance practice from the perspective of reducing energy costs and costs of intervention
Use of Phase Change Materials in buildings : comprehensive reviews, experiments, parametric study and physical analyzes
No full textLes bâtiments sont considérés comme des facteurs clés qui affectent la demande énergétique mondiale et ont des effets importants sur les émissions de gaz à effet de serre résultant des dispositifs de chauffage et de refroidissement intégrés. La transformation des rénovations et la création de nouveaux compartiments commerciaux et résidentiels visent à répondre aux exigences des constructions vertes durables et des bâtiments à énergie nette zéro développés pour soutenir le confort thermique et le bien-être humain. Une méthode consiste à intégrer le stockage d'énergie thermique à chaleur latente, en particulier les matériaux à changement de phase (MCP) dans les bâtiments: de manière active et passive. Le projet actuel présente une revue bien approfondie sur l’utilisation du MCP dans les bâtiments pour le chauffage, refroidissement et les applications hybride. Il a été démontré que les combinaisons et l'hybridation possibles de différentes applications MCP peuvent améliorer l'efficacité énergétique des bâtiments. Deux nouveaux prototypes modulaires avancés identiques, équipés de conteneurs de macro-encapsulation PCM à conductivité thermique améliorée, ont été proposés et mis en œuvre. L'étude se concentre sur des recherches expérimentales pour des systèmes de chauffage par le sol hydroniques/électriques actifs intégrés à des plaques PCM d'huile de coco (CO) impliquant des analyses paramétriques, thermiques et économiques. A partir les résultats obtenues expérimentalement, il a été constaté que l’utilisation correcte du PCM peut conduire à des économies, des conforts thermiques souhaités, et une efficacité énergétique élevée.Buildings are considered key factors that affects global energy demand and have significant effect on greenhouse gas emissions resulting from integrated heating and cooling devices. Transforming renovations and establishing new commercial and residential compartments are directed to meet the requirements of sustainable green constructions and further developed Net Zero Energy Buildings sustaining thermal comfort and human welfare. To fulfill this goal, one method is integrating latent heat thermal energy storage particularly Phase Change Materials (PCM) in buildings: actively and passively. The current research project recent work on the use of PCM in buildings for heating, cooling and hybrid applications. It was shown that possible combinations and hybridization of different PCM applications can enhance building energy efficiency. Two identical new advanced modular prototypes, equipped with enhanced thermal conductivity PCM macro-encapsulation containers, were proposed and implemented. The study focuses on experimental investigations for active hydronic/electrical radiant floor heating systems integrated with coconut oil (CO) PCM plates involving parametric, thermal and economic analyses. According to the experimental results, it was found that proper utilization of CO-PCM plates coupled to a controlled active system leads great economy, to high comfortable conditions and high energetic efficiency
Conception et optimisation topologique des dissipateurs thermiques pour le refroidissement de dispositifs électroniques avec plusieurs sources de chaleur
No full textLes dispositifs électroniques génèrent souvent de la chaleur en différents points. Sans un refroidissement efficace, les points chauds et la surchauffe entraînent une augmentation du taux de défaillance, une détérioration des performances et des menaces pour la sécurité des composants électroniques. L'objectif principal de cette thèse est de concevoir et d'optimiser la structure des dissipateurs de chaleur par convection monophasique en minimisant la température maximale pour apporter une solution innovante à ces problèmes. Deux méthodes d'optimisation ont été développées et appliquées : l'optimisation de la taille des entrées de chaque canaux enfin de distribuer de façon optimum les fluide dans le dissipateur de chaleur à canal droit d’une part, et l'optimisation topologique de la configuration sur l’ensemble des canaux d'écoulement basée sur l'algorithme génétique (GATO). L’influence des paramètres, tels que les valeurs des pics de flux de chaleur, la vitesse d'entrée, la résolution matricielle d'un domaine de conception et la fraction de fluide a été étudiée numériquement. Ensuite, les approches d'optimisation proposées ont été validées expérimentalement en testant un dissipateur thermique à canal droit de référence (RSC), un dissipateur thermique à canal droit optimisé (OSC) et un dissipateur thermique GATO. En outre, les indicateurs de performance complets obtenus à partir des modèles validés expérimentalement des trois dissipateurs thermiques ont été comparés. Enfin, l’influence de différents objectifs d’optimisation pour la méthode GATO a été étudiée.The heat-generating surface with multiple heat sources is frequently encountered in modern power electronic devices. Efficient cooling techniques are especially needed to prevent the overheating of these devices, so as to avoid consequences like performance deterioration, failure rate increase, reduced lifetime and safety threats. The main objective of this PhD thesis is to design and optimize the structure of heat sinks for single-phase convective cooling of a heat-generating surface under multiple-peak heat flux. Two optimization methods have been developed and applied in this study: one is the size optimization of channel inlets for tailoring the fluid flow distribution in straight channel heat sinks and another is the topology optimization of the global flow channel configuration based on the genetic algorithm (GATO). The impacts of design and operation parameters on the effectiveness of both optimization methods are numerically evaluated, with performance comparison to reference parallel straight channel heat sinks. After that, experimental validations of the proposed optimization approaches have been done by testing different heat sink prototypes using PIV and infrared thermography. Both the numerical and experimental results indicate that the GATO heat sink shows the best cooling performance under the tested conditions. Finally, different objective functions have been tested with the GATO method and the obtained results are further compared and discussed to showcase its effectiveness and robustness
A new mixer using chaotic advection mechanism for viscous Newtonian and yield stress fluids
No full textDans le but de mélanger les fluides visqueux avec une dépense énergétique minimale, nous proposons un nouveau mélangeur actif en ligne basé sur le principe de mélange par advection chaotique. Nous démontrons par des simples arguments théoriques que, par un choix judicieux des paramètres de contrôle, le mélange pourrait être efficace. Cette étude théorique est validée par des simulations numériques dans le cas des écoulements de fluide newtonien à faible nombre de Reynolds. Le comportement rhéologique des fluides de travail, le fluide newtonien (Emkarox) et le fluide à seuil (Carbopol), utilisés lors de l'étude expérimentale, est caractérisé. En parallèle, un dispositif expérimental est dimensionné et construit dans le cadre de la thèse. Lors d'un écoulement de fluide newtonien, les mesures de champs de vitesse, obtenues par la méthode · de vélocimétrie par image de particules (PIV), ont permis de mettre en évidence le régime d'advection chaotique. Le mélange de deux fluides est quantifié à partir des cartographies de mélange obtenues par la méthode de fluorescence induite par laser (LIF). Cette étude a montré que l'écoulement est plus chaotique ainsi que le mélange est plus homogène lorsque les particules de fluide passent plus de temps dans le mélangeur afin qu'elles soient suffisamment soumis au processus d'étirement et de repliement. Une étude similaire est réalisée avec des écoulements de Carbopol permettant de mettre en évidence l'influence de la rhéologie du fluide sur le degré du chaos et sur l'homogénéité du mélange.In order to mix highly viscous fluids with minimal energetic input, we propose a new active inline mixer based on the principle of mixing by chaotic advection. We demonstrate by simple scaling arguments that, by a judicious choice of the controlling parameters, mixing could be efficient. This theoretical study is validated by numerical simulations in the case of Newtonian fluid flows at low Reynolds number. The rheological behavior of the working fluids, the Newtonian (Emkarox) and the yield stress (Carbopol) fluids, used in the experimental study, is characterized. Jn parallel, an experimental device is designed ·and built in the framework of this thesis. During a Newtonian fluid flow, velocity field measurements, obtained by the particle image velocimetry (PIV) method, highlighted the chaotic advection regime. Mixing of two fluids is quantified using the mixing patterns obtained by the laser induced fluorescence (LIF) technique. This study showed that the flow is more chaotic and the mixing is more homogeneous when the fluid particles spend more time in the mixer so that they are sufficiently subjected to the stretching and folding mechanism. ., A similar study is carried out with Carbopol flows to analyze the influence of the fluid rheology on the degree of chaos and on the homogeneity of the mixing
Experimental Studies of Advanced/Hybrid Heat Recovery Systems applied to Industrial Appliances
No full textL'étude des solutions énergétiques durables et de la gestion efficace de la chaleur résiduelle est cruciale dans le monde d'aujourd'hui, car la consommation d'énergie continue de s'inquiéter de plus en plus des conséquences environnementales. Compte tenu de l'augmentation prévue de la consommation d'énergie dans le monde, il est urgent d'adopter de nouvelles méthodes de production d'électricité et de récupération de la chaleur résiduelle. Ce projet de doctorat visait à aborder ce problème en explorant l'utilisation de diverses technologies de récupération de chaleur, en combinaison avec différentes sources d'énergie, pour améliorer la durabilité industrielle et la gestion de l'environnement. Le projet a étudié le potentiel des systèmes hybrides pour améliorer l'efficacité énergétique et réduire les émissions de carbone en effectuant des essais expérimentaux, la modélisation thermique et l'analyse économique. Il a pour but de faciliter l'adoption de pratiques énergétiques durables dans les milieux industriels en incorporant diverses sources et technologies de récupération de chaleur, telles que les générateurs thermoélectriques et les échangeurs. Les résultats et les suggestions de l'étude ont fourni des informations utiles sur l'optimisation des systèmes de récupération de chaleur résiduelle. Toutefois, cette étude sert de cadre pour des recherches futures dans la discipline de la gestion de l'énergie et l'intégration des énergies renouvelables.The study of sustainable energy solutions and effective waste heat management is crucial in the present world, as consumption of energy continues in increasing concerns about environmental consequences. Given the predicted increase in global energy consumption, there is an urgent need for novel methods of energy generation and the recovery of waste heat. This PhD project aimed to tackle this problem by exploring the use of diverse heat recovery technologies, in combination with different energy sources, to enhance industrial sustainability and environmental stewardship. The project investigated the potential of hybrid systems to improve energy efficiency and decrease carbon emissions by conducting experimental tests, thermal modeling, and economic analysis. It intended to facilitate the adoption of sustainable energy practices in industrial settings by incorporating various heat recovery sources and technologies, such as thermoelectric generators and heat exchangers. The study's results and suggestions provided useful insights into optimizing waste heat recovery systems. However, this study serves as a framework for future research in the discipline of energy management and the integration of renewable energy
Les techniques législatives de résolution des conflits familiaux
No full textNational audienceno abstrac
Les techniques législatives de résolution des conflits familiaux
No full textNational audienceno abstrac
Thermo-spectroscopic tomography by 3D imaging for the study of plasma torches
No full textCe travail de thèse s’inscrit dans le cadre d’un projet ADEME IGAR (Injection de Gaz Réducteur) multi-partenaires qui consiste à étudier, développer et valider ce nouveau concept de procédé. En effet, ces dernières années, un enjeu majeur pour l’industrie sidérurgique est la réduction d’émission de gaz à effet de serre. Une des solutions envisagées dans les hauts-fourneaux est l’injection d’un gaz réducteur chauffé par le biais de torches à plasma. Dans ce sens, un des objectifs scientifiques de ce travail de thèse est la mesure de température, de concentrations et de flux au sein des torches à plasma qui sont des milieux en conditions extrêmes à cause des hautes températures et des fortes puissances mises en jeu.Afin d’aborder de tels milieux hétérogènes et extrêmes, il devient nécessaire de développer une instrumentation optique et sans contact pour obtenir par des méthodes tomographiques des champs volumiques de température, de concentration et de flux au sein de flammes à l'échelle du laboratoire.Par conséquent, le principal verrou de ce travail de thèse est le développement de méthodes d’imagerie quantitative. Dans un premier temps, les travaux se sont focalisés sur le développement d’un fluxmètre imageur quantitatif hyperspectral en conditions extrêmes. Ce travail est basé sur la compréhension et la modélisation du transfert de chaleur au sein du capteur, du développement d’une méthode inverse basée sur le filtre de Wiener permettant d’estimer spatialement et quantitativement le flux d’excitation. Ces méthodes ont été accompagnées d’une métrologie rigoureuse afin d’assurer une maîtrise complète de l’outil.Une fois ce capteur développé, des méthodes de type Flying spot pour effectuer de l'imagerie 3D hyperspectrale par transformée de Radon ont pu être mises en oeuvre. Ce nouveau concept d’imagerie a permis de réaliser des tomographies 3D hyperspectrales (visible, infrarouge et térahertz) sur des objets de formes complexes et spectralement hétérogènes. Enfin dans un second temps, une plateforme expérimentale basée sur de la spectroscopie infrarouge couplée à des caméras thermiques refroidies a été mise en place pour réaliser l’imagerie tomographique thermospectroscopique. Cette mesure basée sur une méthode à deux images et une tomographie de type Radon a permis d’obtenir simultanément les champs volumiques de température et de concentration sur des flammes de micro-torches de laboratoire ainsi que différentes grandeurs physiques (absorptivité, émissivité, transmissivité) liées à la composition chimique des flammes.En conclusion, les méthodes développées dans cette thèse, à savoir le développement de fluxmètres et de techniques de mesure thermospectroscopiques 3D à l’échelle du laboratoire, permettront une meilleure compréhension des processus opto-thermo-chimiques au sein des torches à plasma et plus généralement au sein de milieux hétérogènes.This thesis is part of a multi-partner ADEME IGAR (Injection of Reducing Gas) project which consists of studying, developing and validating this new process concept. In recent years, a major challenge for the steel industry has been to reduce greenhouse gas emissions. One of the solutions envisaged in blast furnaces is the injection of a reducing gas heated by plasma torches. In this context, one of the scientific objectives of this thesis is the measurement of temperature, concentration and flux within plasma torches, which are environments under extreme conditions due to the high temperatures and high powers involved.In order to study this kind of heterogeneous and extreme environment, it is necessary to develop optical and non-contact instrumentation to obtain temperature, concentration and flux volume fields of flames on a laboratory scale using tomographic methods.Therefore, the main challenge of this thesis work is the development of quantitative imaging methods. Initially, the work was focused on the development of an hyperspectral quantitative imaging fluxmeter under extreme conditions. This work is based on the understanding and modelling of the heat transfer within the sensor, the development of an inverse method based on the Wiener filter allowing the spatial and quantitative estimation of the excitation flux. These methods were accompanied by rigorous metrology to ensure complete control of the tool.Once this sensor was developed, Flying spot methods for 3D hyperspectral imaging by Radon transform have been implemented. This new imaging concept made it possible to carry out hyperspectral 3D tomography (visible, infrared and terahertz) on spectrally heterogeneous objects with complex shapes. Finally, in a second phase, an experimental platform based on infrared spectroscopy coupled with cooled thermal cameras has been established to perform thermospectroscopic tomographic imaging. This measurement, based on a two-image method and a Radon-type tomography, made it possible to simultaneously obtain the temperature and concentration volume fields on laboratory micro-torch flames as well as various physical quantities (absorptivity, emissivity, transmissivity) related to the chemical composition of the flames.In conclusion, the methods developed in this thesis, namely the development of fluxmeters and 3D thermospectroscopic measurement techniques on a laboratory scale, will allow a better understanding of the opto-thermo-chemical processes within plasma torches and more generally within heterogeneous media
Characterisation of elastic turbulence in a serpentine micro-channel
No full textInternational audienceA systematic experimental investigation of the onset, development, and statistical and scaling properties of elastic turbulence in a curvilinear micro-channel of a dilute solution of a high molecular weight polymer is presented. By measurements of time series of high spatial resolution flow fields performed over a time 320 times longer than the average relaxation, we show that the transition to elastic turbulence occurs via an imperfect bifurcation. Slightly above the onset of the primary elastic instability, rare events manifested through a local deceleration of the flow are observed. By measurements of the spatial distributions and statistics of the second invariant of the rate of strain tensor, we show that the main prediction of the theory regarding the saturation of root mean square of fluctuations of the velocity gradients is qualitatively verified though a quantitative agreement could not be found. A systematic analysis of the statistics of the fluctuations of flow fields in terms of spatial and temporal correlations, power spectra, and probability distributions is presented. The scaling properties of structure functions of the increments of the velocity gradients are discussed. Our experimental findings call for further developments of the theory of elastic turbulence in bounded flow channels
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