Etude expérimentale d'un régénérateur magnétique actif à plaques de gadolinium pour des cycles magnétocaloriques appliqués aux pompes à chaleur.

par Bertrand Bichat

Thèse de doctorat en Sciences de l'ingénieur

Sous la direction de Valérie Paul-Boncour et de Thomas Mazet.

Thèses en préparation à Paris Est , dans le cadre de École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec Institut de Chimie et des Matériaux Paris Est (laboratoire) et de Chimie Métallurgique des Terres Rares (equipe de recherche) depuis le 01-11-2011 .


  • Résumé

    - Objectif : L'objectif de cette thèse est d'aborder le développement d'une pompe à chaleur basée sur l'effet magnétocalorique depuis le choix du matériau jusqu'à la conception d'un prototype. Le travail à réaliser s'appuiera sur deux domaines de compétences complémentaires en collaboration avec l'ICMPE à Thiais, le LETh, CEA-LITEN à Grenoble et l'IJL à Nancy. Le premier concernera les aspects matériaux et peut se découper en plusieurs étapes : -La synthèse, la caractérisation et la mise en forme de matériaux ayant des propriétés magnétocaloriques dans le domaine de température adapté pour l'application. Le second domaine concerne les aspects de similitude thermodynamique, l'optimisation des transferts thermiques, la conception et la réalisation du prototype. - Contexte : Les demandes croissantes en énergie au niveau mondial et les réserves limitées en énergie fossile nécessitent de trouver des solutions alternatives, en utilisant non seulement davantage d'énergie renouvelable, mais aussi en améliorant l'efficacité énergétique des systèmes existants. Dans le cadre de l'habitat, l'utilisation de pompe à chaleur (PAC) pour le chauffage domestique ne cesse d'augmenter. L'utilisation de l'effet magnétocalorique (EMC) pourrait constituer une alternative prometteuse et innovante aux systèmes de vapeur-compression commercialisés actuellement. L'effet magnétocalorique correspond au changement adiabatique de température ou au changement isotherme d'entropie d'un solide placé dans un champ magnétique variable. Il est en général maximum aux températures de transition magnétique. Les avantages des PAC magnétiques par rapport aux PAC traditionnelles seraient notamment une meilleure efficacité énergétique, l'absence de gaz à effet de serre, des systèmes plus compacts, moins bruyants et de plus grande longévité. -Méthodes : Part I : Matériaux -Synthèse d'alliages métalliques produits par fusion (four à arc ou à induction), métallurgie des poudres ou broyage mécanique suivi d'un traitement thermique approprié. -Caractérisation par diffraction des rayons X, microsonde de Castaing, DSC, ATG -Etude des propriétés magnétiques par mesures magnétiques (PPMS), Spectroscopie Mössbauer, diffraction neutronique. -Détermination de l'EMC par mesure de la variation d'entropie magnétique et de la variation adiabatique de température. -Mise en forme par Spark Plasma Sintering Part II: Prototype de PAC - Analyse thermodynamique du fonctionnement d'une pompe à chaleur magnétocalorique et comparaison avec les systèmes à compression mécanique de vapeur. - Conception sommaire puis détaillée d'un prototype de pompe à chaleur. - Modélisation du couplage des phénomènes magnétocaloriques et des transferts de chaleur. - Réalisation d'un prototype et caractérisation de son fonctionnement. - Résultats attendus : Les résultats attendus pour cette thèse correspondent à l'optimisation des performances de matériaux magnétocaloriques et leur utilisation dans un prototype de pompe à chaleur magnétocalorique. Les résultats obtenus pendant la thèse se traduiront en termes de publications, de communications à des conférences nationales et internationales et si possible de brevets.

  • Titre traduit

    Experimental study of an active magnetic regenerator with gadolinium plates for magnetocaloric cycles applied to heat pumps.


  • Résumé

    - Objective : The objective of this thesis is to develop a heat pump based on magnetocaloric effect from the material shaping until the prototype design. The work will be concern two domain of competence: The first part will concern material science with the synthesis, characterisation and shaping of materials with interesting magnetocaloric properties working above room temperature (0-70°C) for the warming application (air or water). The second part concerns the aspect of thermodynamic similitude, the optimisation of thermal transfer, the conception and realisation of the prototype. - Context: The increasing energy demand at a world scale and the limits in fossil energy resources imply to find alternative solutions, with the use of more renewable energy but also by increasing the energy efficiency of existing systems. In the case of housing, the use of heat pump for domestic heating is continuously grooving. The use of magnetocaloric effect (MCE) in heat pump constitutes a promising and innovating alternative to the classical systems which are actually in the market and are based on vapour-compression of a fluid (like HCFC). The MCE is an intrinsic property of magnetic materials which corresponds to an adiabatic temperature change (ΔTad) or an isothermal magnetic entropy variation (ΔSM) of the material in a changing magnetic field. The MCE often peaks at the magnetic transition and scales with the magnetic moment. The advantages of a magnetic heat pump compared to a conventional heat pump will be better energy efficiency, absence of green house gas, more compact and less noisy systems. - Methods : Part I: materials -Alloys synthesis by arc or induction melting, powder metallurgy or mechanical alloying followed by an appropriate thermal treatment. -Characterisation by X ray diffraction, microprobe analysis -Study of magnetic properties by magnetic measurements (PPMS), neutron diffraction -Determination of MCE by measuring the entropy variation and the adiabatic temperature variation. -Shaping by Spark Plasma Sintering. Part II: Heat pump - Thermodynamic analysis of a magnetic heat pump work and comparison with vapor-compression system. - Conception of the heat pump prototype -Modelisation of the coupling between magnetocaloric effects and heat transfer -Realisation of the prototype and characterization of the operating procedure - Expected results: The expected results for this thesis correspond to the development of a magnetic heat pump. The obtained results will be published in international Journal, presented in National and international conferences and if possible patented.