Approche multiphysique pour la conception optimale de régénérateurs magnétocaloriques innovants

Multiphysic approach to the optimal design of innovative active magnetocaloric regenerator

• Auteur / Autrice : Ali Ismail
• Direction : Yannick Bailly, Thierry Barrière, Stefan Giurgea
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique
• Date : Soutenance le 24/05/2022
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon)
• Partenaire(s) de recherche : Site de préparation : Université de Franche-Comté (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Afef Kedous-Lebouc
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christian Bahl
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Diogo Queiros-Condé, Benjamin Ducharne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réfrigérateurs

Pompes à chaleur

Fluides caloporteurs

Transfert de chaleur

Effet magnétocalorique

Mots clés libres

Magnétocalorie

Gadolinium

Modélisation thermodynamique. magnétostatique. fluidique

Couplage multiphysique

Magnetocaloric

Gadolinium

Thermodynamic, magnetostatic. fluidic modeling

Multiphysical coupling

Résumé

Pour limiter l’utilisation des machines à compression utilisant des gaz à effet de serre, des alternatives à base de matériaux actifs sont proposées. L’une d’elles exploite l’effet magnétocalorique qui induit une élévation de la température du matériau lorsqu’il est immergé dans un champ magnétique, et réciproquement une diminution de sa température lorsqu’il en est extrait. Cela fournit une technologie de production de chaud et de froid magnétique qui nécessite d’être optimisée. Le cœur d’un système magnétocalorique est un échangeur régénérateur actif qui subit des cycles d’aimantation, désaimantation et transfère une puissance calorifique entre deux sources de chaleur généralement grâce à un fluide caloporteur.Ce travail réalise une approche multi-physique pour la conception optimale de régénérateurs magnétocaloriques innovants. Cette dernière aboutit à un modèle 1,5D qui prend en compte les effets thermodynamiques du matériau actif, la structuration du champ d’aimantation au sein du matériau due au champ magnétique imposé, les transferts de chaleur au sein du matériau, les échanges de chaleur avec le fluide caloporteur et enfin les échanges de chaleur avec les sources thermiques. C’est donc une approche multiphysique relatant tous les phénomènes mis en jeu qui est proposée.Les modèles thermodynamique et thermo-fluidique sont validés par des mesures expérimentales issues d’autres travaux de la littérature ou réalisés au laboratoire. Après validation, le modèle 1,5D s’avère très flexible et très rapide comparativement à d’autres approches, notamment 3D en volumes finis. Il permet alors d’explorer facilement un grand nombre de configurations de régénérateurs pour comprendre et optimiser leur géométrie, les conditions de fonctionnement, ou l’influence du choix des matériaux magnétocaloriques. Cela ouvre des perspectives importantes vers la mise au point de machines magnétocaloriques, pompes à chaleur ou réfrigérateurs, potentiellement à même d’être substituées aux technologies actuelles.

To limit the use of compression machines using greenhouse gases, alternatives machines based on active materials are proposed. One of them exploits the magnetocaloric effect which induces temperature increase in the material when it is immersed in a magnetic field, and conversely a decrease of its temperature when it is extracted. This provides a magnetic technology for heat and cold production that requires to be optimized. The heart of a magnetocaloric system is an active regenerative heat exchanger which undergoes magnetization / demagnetization cycles, and transfers calorific power between two heat sources generally thanks to a heat transfer fluid.This work realizes a multi-physics approach for the optimal design of innovative magnetocaloric regenerators. The latter results in a 1.5D model which takes into account the thermodynamic effects through the active material, the 3D distribution of the magnetization fields within the material due to the imposed magnetic field, the heat transfers within the material, the heat exchanges with the fluid, and finally the heat exchanges with the heat sources. It is therefore a multiphysical approach relating all the phenomena involved in a machine that it is proposed.The thermodynamic and thermo-fluidic models have been validated by experimental measurements taken from other works in the literature or carried out in the laboratory. After validation, the 1.5D model turns out to be very flexible and very fast compared to other approaches, in particular 3D finite volumes methods. It then makes it possible to easily explore a large number of regenerator configurations in order to understand and optimize their geometry, the operating conditions, or the influence of the choice of the magnetocaloric materials. This opens up important prospects for the development of magnetocaloric machines, heat pumps or refrigerators, potentially leading to being substituted to current technologies.