Contribution to the study of ejector expansion heat pump cycle: modelling and experimental approach

Doctorant : Cong YOU

Laboratoire INSA : CETHIL

Ecole doctorale : ED162 : Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique de Lyon

This research addresses environmental concerns in the Heating, Ventilation, Air Conditioning, and Refrigeration (HVAC&R) industry by exploring carbon dioxide (CO2) as an eco-friendly alternative. The challenges of CO2, including its low critical temperature and high critical pressure, lead to its predominant use in transcritical mode, resulting in significant irreversibility during expansion. To overcome this, the study proposes the substitution of conventional expansion valves with ejectors in the transcritical CO2 heat pump cycle.

The ejector accelerates high-pressure CO2 through a nozzle, facilitating the mixing of low-pressure vapor from the evaporator and improving pressure recovery. Scientific validation confirms a reduction in compression work, establishing the ejector-based configuration as a more efficient alternative. Despite potential advantages, ejectors introduce complexities related to two-phase flow and sonic shock waves, necessitating simulation and experimental studies for enhanced performance.

The thesis conducts a comprehensive investigation, beginning with a review of refrigerant trends and a comparison of ejector technology with alternatives. Thermodynamic models are introduced, addressing key aspects such as isentropic efficiency, with novel data post-processing techniques proposed. The research introduces a 1-D homogeneous equilibrium model for the ejector region, validated and applied for parametric analysis and geometry design. This model is compared with 0- D thermodynamic models. Additionally, an experimental test facility provides insights into ejector performance across varying evaporation pressures.

In summary, this research significantly contributes to understanding transcritical CO2 heat pump cycles, specifically focusing on ejector technology. The integration of theoretical models and experimental studies offers essential insights for optimizing ejector design and operational parameters, meeting the evolving needs of the HVAC&R industry and promoting sustainable refrigeration applications.

5-Hydroxymethylfurfural (HMF) en chimie fine: reactions multicomposantes vers les 1,5-benzodiazepines et les 1,4- dihydropyridines

Doctorante : Jingjing JIANG

Laboratoire INSA : ICBMS

Ecole doctorale :  ED206 : Chimie de Lyon

Parmi les molécules de la plateforme furannique renouvelable biosourcée, le 5- hydroxyméthylfurfural a retenu notre attention en raison de sa riche réactivité chimique et de sa facile disponibilité à partir des sucres. Dans cette thèse, je me suis concentrée sur l'utilisation de molécules de plateforme furaniques issues de la biomasse, en particulier le 5-HMF, pour construire des hétérocycles azotés, par le biais de réactions à plusieurs composants qui présentent une économie d’atome avantageuse.

Une première approche a été l’application d’une cycloaddition multicomposante [4+2+1] dans la construction des 1,5-benzodiazépines cycliques. Utilisant de nouvelles conditions réactionnelles, cette réaction économe en atome combine le 5-HMF (ou ses dérivés) avec des o- phénylènediamines et des alcynones en présence d’acétate d'ammonium. L’application de ce protocole à un large éventail de substrats a conduit à une bibliothèque de benzodiazépines diversement substituées qui sont désormais disponibles pour être intégrées dans la chimiothèque de l'ICBMS pour de futures évaluations biologiques et biochimiques.

La deuxième aprtie de cette these a concerné l’utilisation du 5-HMF dans la synthèse de des dihydropyridine de Hantzsch. NH4OAc à la fois comme source d'azote et comme promoteur doux. Tout d'abord, des 1,4-dihydropyridines symétriques ont été préparées par réaction de 5-HMF, de deux molécules de β-cétoesters/β-dicétones et d'acétate d'ammonium dans des conditions sans solvant avec d'excellents rendements. Par la suite, nous avons étudié une version à quatre composants visant la formation sélective d’1,4-dihydropyridines dissymétriques, en remplaçant les 2 équivalents de β-cétoester par 1 équivalent de β-cétoester et un équivalent de 5,5-diméthyl-1,3- cyclohexanedione. Ce processus s’est révélé efficace soit sans solvant soit dans l’éthanol. Ainsi, l’application de cette reaction à divers substrat a conduit à une series de nouvelles 1,4- dihydropyridines symétriques ou dissymétriques comportant une entité furyl comme substituant qui seront intégrées dans des évaluations biologiques et biochimiques dans le cadre des projets développés par la chimiothèque de l’ICBMS.

Modifications chimiques de polysaccharides en milieu aqueux pour générer de nouveaux matériaux biosourcés fonctionnels

Doctorant : Laurent REMY

Laboratoire INSA : IMP

Ecole doctorale : ED34 Matériaux de Lyon

La modification chimique de polysaccharides, par des procédés conjuguant efficacité et durabilité, est une stratégie de choix pour valoriser la biomasse. A ce titre, les réactions multicomposant (RMC) sont des voies de fonctionnalisation très attrayantes permettant de lier chimiquement plusieurs précurseurs en conditions monotopes, sans catalyseurs ni agents de couplage. Nous nous sommes intéressés à la carboxyméthylcellulose (CMC), dérivé éther de la cellulose, diffusé à grande échelle, et soluble dans l'eau de par la présence de fonctions acide carboxylique qui facilitent également sa modification chimique, en particulier par les RMC utilisées dans le cadre de ce travail de thèse. Deux RMC ont été exploitées et appliquées à la CMC : la réaction d’Ugi à quatre composants (U-4CR) et celle de Passerini à trois composants (P-3CR) toutes deux réalisées dans l’eau et sous des conditions douces. Notamment, par la réaction de Passerini nous avons généré : i) une nouvelle famille de dérivés fonctionnels et/ou réactifs, à base de CMC doublement modifié par des cétones de structure variée (cétones non substituées, pyruvate, acétoacétate, lévulinate, diacétone acrylamide) et par un isonitrile aliphatique, ainsi que ii) des matériaux hybrides à base de CMC, à savoir des hydrogels chimiques et physiques. Des hydrogels réticulés chimiquement thermosensibles ont été obtenus par un processus de « grafting through » en conditions radicalaires, entre un macromonomère de CMC modifié par Passerini avec une cétone fonctionnalisée méthacrylate et des comonomères à base de méthacrylate d’éthylène glycol. Les hydrogels physiques, présentant également un comportement thermosensible, ont été générés à partir de copolymères greffés de CMC porteurs à la fois de segments de PEG- co-PPG (Jeffamine) à LCST et d’aldéhydes aliphatiques. La réponse en température de ces systèmes a été étudiée de façon approfondie et l’impact de paramètres externes et structuraux a été élucidé par DSC, rhéologie, et par des expériences de SAXS. Nous avons notamment mis en évidence tout le bénéfice apporté par la double fonctionnalisation Passerini.

Valorisation de la fraction fine des Mâchefers d'Incinération des Déchets non-Dangereux dans des matériaux cimentaires aérés

Doctorante : Manon BROSSAT

Laboratoire INSA : DEEP

Ecole doctorale : ED 206 : Chimie de Lyon

La fraction fine des MIDND (particules mesurant moins de 2 mm) représente 30 à 40 % de la masse des MIDND. Elle est rarement valorisée, notamment à cause des teneurs élevées en éléments traces métalliques qu’elle contient. Sa composition chimique et sa granulométrie en font néanmoins une candidate intéressante pour être utilisée comme matière première secondaire dans des matériaux cimentaires. De plus, la présence d’aluminium métallique dans les MIDND pourrait permettre son utilisation en tant qu’agent porogène pour la production de matériaux aérés. Cette thèse porte dans un premier temps sur la caractérisation physico-chimique de la fraction fine des MIDND en vue de son utilisation comme agent porogène, et vise notamment à évaluer la quantité et la réactivité de l’aluminium métallique. La démarche expérimentale de formulation des matériaux cimentaires est divisée en trois étapes. Les paramètres influençant les propriétés d’intérêt ont tout d’abord été identifiés au cours d’une étude sur pâte de ciment. L’optimisation de ces paramètres de formulation est réalisée sur mortier et est accompagnée de caractérisations physiques, microstructurales et environnementales. Les formulations jugées optimales ont alors été mises en œuvre sur bétons afin de vérifier la validité de la démarche expérimentale. Les résultats montrent que cette démarche permet de produire effectivement des mortiers et des bétons de MIDND avec des masses volumiques, résistances à la compression et conductivité thermique comparables à celles des matériaux aérés de référence. Les pores des matériaux avec MIDND diffèrent de ceux des matériaux aérés de référence par leur plus petite taille et par leur forme irrégulière. Les tests de lixiviation à l’échelle des bétons et de mortiers ont démontrés de faible relargage en polluants, compatibles, pour la grande majorité des matériaux, avec les seuils environnementaux définis par l’Arrêté du 18 novembre 2011 et le Soil Quality Decree.

Planning Problems in a Multi-Tethered-Robot System

Doctorante : Xiao PENG

Laboratoire INSA : CITI
Ecole doctorale : ED512 : Infomaths

Multiple robot systems are widely applied in our real life. As a special type of mobile system, tethered robots play a crucial role in special contexts, particularly in challenging conditions, where cables provide stable access to power and network connectivity. However, constraints imposed by cables also introduce new challenges for motion planning in these applications. This thesis focuses on planning problems for a team of tethered robots, addressing two major problems: non-crossing Anonymous Multi-Agent Path Finding (AMAPF) and Multiple Tethered Coverage Path Planning (MTCPP).

The goal of non-crossing AMAPF is to find a set of non-crossing paths such that the makespan is minimal. The study is carried out in two cases, considering whether the robots are treated as point-sized or not. This hypothesis significantly influences the computation of makespan. The problem is abstracted to the Euclidean Bipartite Assignment problem and we show that bounds can be efficiently computed by solving linear assignment problems. We introduce a variable neighborhood search method to improve upper bounds, and a Constraint Programming model to compute optimal solutions. The approach is experimentally evaluated on three different kinds of instances.

The MTCPP problem is addressed by initially partitioning the workspace into equitable connected subregions, enabling each robot to operate independently in its assigned area. We propose an approach based on the additively weighted Voronoi diagram, ensuring an equitable partitioning that enforces relative star-convexity of each subregion to the associated anchor point, thereby avoiding cable entanglement. For the coverage path planning of each robot, the Spanning Tree Coverage method is shown to effectively solve the problem while respecting cable constraints.

Unidirectional High-Ratio DC-DC Converter for Renewable Energy Sources

Doctorant : Pierre LE METAYER

Laboratoire INSA : AMPERE

Ecole doctorale : ED160 EEA

Les travaux réalisés au cours de cette thèse se concentrent sur le thème du convertisseur DC-DC pour les applications d’énergies renouvelables connectées à un réseau moyenne tension DC. La palette de sujets abordées s’étend de la définition des exigences auxquelles un tel convertisseur doit répondre jusqu’aux propositions d’implémentations matérielles le permettant, en passant par la sélection de la topologie la plus adaptée ainsi que par l’adaptation de son contrôle. Les différents points étudiés sont accompagnés de validations expérimentales utilisant différentes maquettes. Un prototype complet de convertisseur DC-DC 1.2 kV - 6.6 kV 83 kW est notamment construit et opéré à pleine puissance et tension.

 

Transferts et processus associés aux résidus de médicaments humains et vétérinaires et aux biocides des boues urbaines et des lisiers utilisés comme fertilisants

Doctorante : Noémie PERNIN

Laboratoire INSA : DEEP

Ecole doctorale : ED162 : Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique de Lyon

Les boues urbaines contiennent des résidus pharmaceutiques et des biocides divers, partiellement traités dans les stations d’épuration. Le lisier contient des pharmaceutiques vétérinaires et des biocides utilisés pour le nettoyage des installations d’élevage. Les boues comme les lisiers sont épandus comme fertilisant pour l’agriculture. Des traces de résidus pharmaceutiques humains et vétérinaires, ainsi que des biocides sont ainsi présents dans de nombreuses rivières et aquifères, et dans les sols agricoles en France et dans le monde entier.
La thèse est consacrée à l'évaluation des transferts et des processus associés (dégradation, infiltration, adsorption, etc.) liés aux résidus pharmaceutiques et aux biocides provenant à la fois des boues des stations d'épuration urbaines et des lisiers épandus sur les champs comme engrais pour l'agriculture. Elle fait partie du projet Telesphore réalisé sur l'observatoire SIPIBEL. L'objectif principal est d'évaluer la contamination possible par les produits pharmaceutiques et les biocides des sols et des eaux souterraines due à l'épandage de produits résiduaires organiques (PRO) comme fertilisants. La partie expérimentale est bâtie sur trois échelles d’étude (i) des essais en microcosme pour caractériser la sorption à des sols et des mélanges sol/PRO (ii) des essais en conditions contrôlées sur colonnes de sol pour évaluer les transferts verticaux et (iii) des campagnes in situ sur des lysimètres (Fig. 1) soit en condition réelle d’épandage, soit en taux d’application élevé de PRO. Les paramètres de sorption obtenus par les essais en microcosme sont utilisés pour la modélisation sur HYDRUS 1D du transfert réactif des essais sur colonnes de sol.

 

Numerical assessment of heat stress in dwellings and immediate surroundings: development of a Microclimate Zonal Model coupled to Buildings models

Doctorante : Flavia BARONE

Laboratoire INSA : CETHIL

Ecole doctorale : ED 162 : MEGA

La persistance des épisodes de surchauffe urbaine affecte directement l’exposition aux stress thermique tout particulièrement en milieu urbain. Le but de cette thèse est donc de développer une méthodologie numérique pour évaluer le stress thermique quotidien et saisonnier dans le logement et son environnement proche. L’exposition est étudiée selon une approche eulérienne, par rapport à un lieu fixe, et une approche lagrangienne, par rapport au déplacement de l’individu. Ainsi, la thèse introduit les concepts de stress thermique, définit les indicateurs nécessaires et identifie les variables climatiques influentes ainsi que leurs échelles spatiales et temporelles. L’absence d’une approche de modélisation appropriée au stress thermique aux échelles spatiales et temporelles ciblées, conduit à développer et coupler un modèle zonal de microclimat (McZM) avec un modèle de bâtiment. Le McZM repose sur une interpolation linéaire des débits massiques obtenus avec un précalcul CFD k-epsilon RANS stationnaire. Les simulations CFD sont également utilisées pour prédire les vitesses du vent spatialisées, les coefficients de transfert convectifs et les coefficients de pression. Le McZM inclut un modèle de sol et des modèles radiatifs pour les calculs du rayonnement solaires et de grandes longueurs d’ondes, ainsi que pour le calcul de la température radiante moyenne. Pour les écoulements dans le bâtiment, un modèle de pression couplé au McZM et au modèle de de bâtiment est développé. Les composants des modèles sont soumis à une validation par comparaison avec d’autres modèles ou des données expérimentales. Une application du modèle sur un ilôt à Confluence, confirme les avantages de l’utilisation d’une approche spatialisée dans l’évaluation du stress thermique. Ce cas permet également d’évaluer les avantages relatifs de la mise en œuvre de différentes mesures de rafraîchissement sur le stress thermique.
Des perspectives d’amélioration du McZM actuel et de son processus de validation son suggérées.
 

Algorithmes d'apprentissage pour le cyclisme urbain : modèles implicites et infrastructure dynamique

Doctorant : Lucas MAGNANA

Laboratoire INSA : CITI

Ecole doctorale : ED512 : InfoMaths

Le développement de nouvelles technologies ainsi qu'une prise de conscience des dangers du dérèglement climatique ont permis entre autres une augmentation du nombre de cyclistes dans les villes au cours des 20 dernières années. Cela s'est naturellement accompagné de nouveaux moyens de récupérer des données comportementales de cyclistes, diversifiant et multipliant les jeux de données existants. L'objectif de cette thèse est d'utiliser certaines données comportementales de cyclistes ainsi que des algorithmes récents d'intelligence artificielle pour créer des outils innovants d'aide aux politiques urbaines d'incitation au cyclisme. Dans un premier temps, un état de l'art des différentes sources de données de comportements de cyclistes est dressé. Cet état de l'art permet, entre autres, de se rendre compte des difficultés d'utilisation accompagnant chaque source. Celui-ci est aussi l'occasion de justifier les sources de données utilisées ensuite. Dans un second temps, une méthode de création de modèles de choix d'itinéraire implicites est développée à partir de traces GPS. Les modèles créés avec cette méthode permettent de générer un itinéraire cyclable à partir d'une origine et d'une destination. Le développement d'un modèle commence par l'identification des segments de route préférés par les cyclistes ayant généré les traces GPS. Un réseau de neurones artificiels choisi ensuite un groupe de segments de route préférés pertinents à partir d'une origine et d'une destination. Une pondération de graphe routier est ensuite effectuée à l'aide des segments de route sélectionnés pour générer un itinéraire cyclable. Enfin, un feu de signalisation intelligent permettant de sécuriser le passage des cyclistes à l'intersection qu'il régule est développé. L'utilisation de l'intelligence artificielle permet de séparer les flux de vélos et de véhicules motorisés en limitant l'impact sur le trafic à l'intersection. Les simulations dans lesquelles ce feu est testé ont un volume de véhicules réaliste grâce à l'utilisation de données de compteurs.

Analysis and application of low-cost magnetostrictive materials for small-scale energy harvesting

Doctorante : Yuanyuan LIU

Laboratoire INSA : LGEF

Ecole doctorale : ED160 : EEA

À l'ère de l'Internet des Objets, les dispositifs autonomes sans fil dépendent principalement des piles, présentant des problèmes tels que la pollution, l'autodécharge et le remplacement fréquent. Par conséquent, une solution alternative rentable et durable est nécessaire. Notamment, la conversion d’énergie ambiante sous une forme électrique est une voie populaire dans les communautés scinetifiques et industrielles. En ce sens, les vibrations constituent une source d'énergie attractive en raison de leur disponibilité et leur densité d’énergie. Dans ce travail, la conversion magnétostrictive est sélectionnée en raison de la robustesse des matériaux.
Ce travail est structuré en trois composantes principales, chacune abordant un aspect spécifique de la récupération d'énergie : les transducteurs magnétostrictifs, les structures mécaniques et l'interface électrique. Tout d'abord, les matériaux magnétostrictifs sont étudiés et leur capacité de conversion d'énergie est évaluée afin de trouver une solution présentant un bon compromis entre coût et densité énergétique. Cette étude permet de mettre en avant le Metglas 2605SA1, matériau offrant des niveaux de couplages acceptables, tout en ayant un faible coût.
Deuxièmement, une structure mécanique est conçue pour un échantillon composé de feuilles de Metglas. Bien qu'une structure formée de deux poutres soit présentée dans la littérature, ses performances mécaniques nécessitent une exploration plus approfondie. Cette recherche examine des aspects tels que la forme du mode et la fréquence naturelle. De plus, la densité d'énergie récupérée est dérivée de manière expérimentale.
Enfin, une interface électrique est conçue sur la base d’un circuit oscillant. Le défi principal de cette interface est d’assurer un fonctionement à partir de la faible sortie en tension du transducteur magnétostrictif. Par conséquent, l'objectif principal est d’assurer une augmentation de la tension. Après la validation de l’interface électrique, l'ensemble du système, où le circuit est intégré à la struture comprenant le Metglas comme transducteur, est validé de manière expérimentale.