Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
Les systèmes de réfrigération magnétique autour de la température ambiante sont une solution alternative à la réfrigération par gaz compressé. Ces appareils ont atteint le stade de l'industrialisation, préalable à une prochaine mise sur le marché pour des puissances aujourd'hui limitées. La réfrigération, basée sur la compression/détente, est confrontée à des environnements contraignants sans véritable solution alternative, alors que le froid magnétique peut apporter des solutions crédibles au remplacement des compresseurs. Après un rappel du contexte et de l'effet magnétocalorique, l'article se focalise sur les spécifications marchés, les contraintes d'industrialisation et de coûts, et les prototypes rotatifs industrialisés et leurs composants. Des perspectives d'évolution vers des puissances plus élevées sont avancées.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Christian MULLER : Directeur de recherche dans le domaine du froid magnétique - Président de la société Cooltech Applications
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Guillaume BRUMPTER : Ingénieur conception en systèmes de froid magnétique - Ingénieur en mécanique de l'ENIM,Cooltech Applications
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Lhassan ELOUAD : Docteur en sciences - Ingénieur de recherches pour les sciences fondamentales - Ingénieur essais, Cooltech Applications
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Jean-Baptiste POLMARD : Ingénieur en mécanique énergie – UHP Nancy 1 - Ingénieur de recherches - Ingénieur essais, Cooltech Applications
INTRODUCTION
Le domaine de la réfrigération et de la climatisation recouvre des secteurs d'applications larges, multiples et diversifiés (tant industriels que grand public). C'est également un marché fortement porteur, en progression régulière de 2 à 4 % par an.
Le froid, nécessaire à l'économie et à la société moderne pour l'alimentation, la santé et le confort (réfrigération, climatisation…) est majoritairement produit par des systèmes basés sur le principe thermodynamique classique de compression et de détente d'un fluide.
Cette technologie, datant des années 1880, est mature et bien maîtrisée. Elle est régulièrement confrontée à un environnement réglementaire et sociétal qui devient très contraignant. (voir articles [BE 9 720] et [BE 9 723]).
Le froid magnétique peut apporter des réponses crédibles aux industriels et utilisateurs en recherche de solutions alternatives aux systèmes de compression de gaz (compresseurs à gaz actuels).
Les systèmes de réfrigération magnétique autour de la température ambiante ont atteint le stade du développement industriel.
1881. Découverte par Warburg de l'effet magnétocalorique. Propriétés des matériaux = variation de température sous l'action d'un champ magnétique.
1949. Prix nobel de chimie. Reconnaissance scientifique = élargissement et intérêt accru pour des travaux de recherche.
1980. Preuve du concept. Écarts de température (spans) importants et mesurés de plus de 45 oC avec du gadolinium en utilisant des aimants supraconducteurs (B > 7 T).
1994. Progression des performances des aimants permanents de type NdFeB (Néodyme Fer Bore) permettant des applications industrielles et des innovations importantes dans le froid magnétique (par exemple : B > 1,2 T avec des aimants standard).
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Contexte
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8. Conclusions
L'effet magnétocalorique, qui était un phénomène physique observé et connu depuis 1881 est maintenant utilisé dans les premiers appareils industrialisés de froid magnétique qui répondent à des spécifications utilisateurs.
Les sociétés qui travaillent sur le froid magnétique sont très actives. Elles déposent de nombreux brevets et sont engagées dans des opérations d'industrialisation de la technologie.
Les développements techniques et scientifiques entrepris ces trois dernières années ont permis de progresser fortement sur les différents éléments clés d'un appareil de froid magnétique, à savoir :
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les alliages magnétocaloriques pour lesquels trois familles principales se démarquent : les alliages de type LaFeSi, les alliages en MnFeP et les alliages de Gd ( GdTb ou GdEr) ;
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les systèmes magnétiques qui utilisent des aimants permanents standard avec des coûts compatibles avec une application commerciale ;
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la conception « rotation continue » des appareils qui permet de diminuer leur consommation électrique et d'augmenter leurs puissances et compacité ;
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le cycle magnétocalorique de type AMRR Brayton et ses dérivés, largement utilisé pour accroître l'écart thermique entre les sources jusqu'à plus de 45 K par T.
D'autres éléments de la chaîne thermique sont également développés : des échangeurs thermiques industriels adaptés aux spécifications du froid magnétique, l'utilisation de caloporteurs standard très efficaces, des modes de régulations thermiques progressifs…
Le champ des développements est encore largement ouvert pour permettre au froid magnétique de se propager vers des puissances thermiques et des spans plus importants, couvrant ainsi une plus large palette d'applications.
C'est dans ce contexte que la société Cooltech a développé un produit industrialisé standard et modulaire (projet MagCop–Oséo-ISI) pour des applications « vitrines réfrigérées » pour le maintien de la chaîne du froid dans les supermarchés et magasins d'alimentation.
En parallèle, une ligne d'assemblage a été réalisée et installée dans les locaux de la société Cooltech Applications pour permettre une montée progressive en capacité de production, capable de répondre aux demandes de ces vastes marchés....
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - NIELSEN (K.K.), TUSEK (J.), ENGELBRECHT (K.), SCHOPFER (S.), KITANOVSKI (A.), BAHL (C.R.H.), SMITH (A.), PRYDS (N.), POREDOS (A.) - Review on numerical modeling of active magnetic regenerators for room temperature applications. - Int. J. Refrigeration, 34(3), p. 603-616 (2011).
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(2) - PETERSEN (T.F.), PRYDS (N.), SMITH (A.), HATTEL (J.), SCHMIDT (H.), KNUDSEN (H.-J.H.) - Two-dimensional mathematical model of a reciprocating room-temperature Active Magnetic Regenerator. - Int. J. Refrigeration, DOI:10.1016/j.ijrefrig.2007.07.009 (2007).
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(3) - BOUCHARD (J.) et al - Model of a porous regenerator used for magnetic refrigeration at room temperature. - Int. J. Heat Mass Transfer, DOI:10.1016/j.ijheat mass transfer, 2008.08.031 (2008).
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(4) - TAGLIAFICO (G.), SCARPA (F.), CANEPA (F.) - A dynamic 1-D model for a reciprocating active magnetic regenerator : influence of the main working parameters. - Int. J. Refrigeration, 33, p. 286-293 (2010).
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(5) - ALLAB (F.), KEDOUS-LEBOUC (A.), YONNET (J.P.), FOURNIER (J.M.) - A magnetic field source system for magnetic refrigeration and its...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
Flux 3D http://www.cedrat.com/fr/software/flux.html
Fem 4.0 http://www.femm.info/wiki/HomePage
CFX http://www.ansys.com/Products/Simulation+Technology/Fluid+Dynamics/Fluid+Dynamics+Products/ANSYS+CFX
Comsol http://www.comsol.com/
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THERMAG : conférence internationale sur le froid magnétique, organisé par l'IIFIIR, a lieu tous les deux ans http://thermagv.grenoble.cnrs.fr
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