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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Conclusions
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7. Perspectives d'évolution des systèmes vers des puissances plus élevées
La technologie du froid magnétique a le potentiel pour atteindre des puissances de plusieurs centaines de kilowatts, puissances nettement plus élevées que les puissances actuelles des appareils existants.
Pour augmenter la puissance, on peut :
-
utiliser des alliages magnétocaloriques plus performants ;
-
augmenter la fréquence de fonctionnement de l'appareil ;
-
avoir une masse d'alliages magnétocaloriques plus élevée par appareil ;
-
utiliser des champs magnétiques supérieurs à 1,3 T ;
-
optimiser les cycles magnétocaloriques.
On distingue plusieurs axes d'évolution.
Axe 1. Ajuster la puissance extraite par les échangeurs thermiques compromis entre le pourcentage de l'EMC prélevé et la préservation du gradient thermique dans les AMR.
Axe 2. Optimiser la conception thermo-hydraulique pour diminuer les postes de consommation d'énergie et les « échauffements » dus aux pertes de charges hydrauliques dans le but de monter en fréquence.
Axe 3. Augmenter la puissance interne : champ magnétique plus intense, matériaux magnétocaloriques plus performants, porosité réduite des AMR, surface d'échange interne augmentée.
Axe 4. Améliorer l'intégration avec l'application utilisateurs et optimiser la chaîne thermique globale.
Axe 5. Réaliser un scale-up des dimensions pour des puissances allant jusqu'à plusieurs dizaines de kilowatts.
La figure 31 donne l'image d'une machine actuelle.
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Perspectives d'évolution des systèmes vers des puissances plus élevées
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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(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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