MODELISATION NUMERIQUE DE LA REGENERATION MAGNETIQUE ACTIF

Etat de l’art sur les modèles numériques existants: les modèles, les méthodes et les résultats

                   Etant une nouvelle technologie, les systèmes de réfrigération magnétique sont en développement continu depuis les dernières années avant la sortie sur le marché. Aujourd’hui, nous avons déjà passé la phase de la construction de prototypes pour valider cette technologie et nous sommes déjà à la phase d’optimisation des dispositifs préindustriels. Dans cette étape, l’optimisation des paramètres de fonctionnement est très importante. La modélisation numérique nous permet de mieux comprendre le fonctionnement d’une RMA en faisant des analyses de sensibilité des paramètres comme la géométrie de matrice du régénérateur, l’épaisseur du solide, la hauteur du canal de fluide, le type de fluide, la fréquence du mouvement, la vitesse du fluide, etc. Toutes ces analyses sont difficiles à faire sur des dispositifs expérimentaux parce qu’ils nécessitent plusieurs configurations des dispositifs. Pour mieux simuler le comportement des dispositifs du régénérateur de la réfrigération magnétique, il est nécessaire d’avoir à disposition des modèles fiables, pouvant prendre en compte plusieurs couplages phénomènes physiques comme les transferts thermiques, le magnétisme, la mécanique des fluides, la thermodynamique et la physique des solides. Une revue des principaux modèles existants est faite par Nielsen et al. [01]. Ensuite, nous ferons un bilan des principaux modèles numériques présentés dans la littérature et une comparaison de ceux-ci du point de vue des méthodes et des résultats. Il existe plusieurs approches dans la modélisation de la RMA. Les modèles en régime permanent sont des modèles simples, qui peuvent produire une estimation de performance en termes de puissance froide en fonction de la différence de température, en fonction de la vitesse d’écoulement, de la géométrie, de la fréquence, etc. Les modèles en régime transitoire fournissent une description plus complexe du fonctionnement de la RMA. Etant donné que la variation du champ magnétique et l’écoulement de fluide sont intrinsèquement dépendants du temps et sont couplés avec le transfert de chaleur entre le fluide et le solide, ces modèles simulent ces phénomènes physiques à un niveau plus fondamental. Ensuite, nous allons analyser des modèles en régime transitoire, qui sont les plus répandus dans la littérature. Les modèles 1D, en général, supposent que l’écoulement de fluide et la conduction thermique (s’ils sont inclus) se produisent uniquement dans le sens d’écoulement du fluide. La plupart des modèles 1D négligent la conduction thermique intra-particules et nécessitent l’application d’un coefficient de transfert de chaleur entre le fluide et la matrice solide. Développées plus récemment, les modèles 2D de la RMA prennent en compte le champ des vitesses, qui sont établis dans la direction de l’écoulement du fluide. En général, ils prennent également en compte la conduction thermique en 2D (perpendiculaire et parallèle avec l’axe d’écoulement du fluide). Les équations pour le fluide et pour la matrice solide ne sont pas directement couplées par un coefficient de transfert de chaleur, mais ils sont reliés par une condition aux limites supplémentaires qui définit le contact thermique entre le fluide et le solide. Cette approche est physiquement plus appropriée parce que, dans ce cas, les résultats ne dépendent pas de la précision de la corrélation du coefficient de transfert de chaleur. Cependant, en raison d’une répartition aléatoire des particules dans le lit de la RMA, les modèles 2D peuvent être appliquées uniquement pour des régénérateurs avec des structures ordonnées (plaques parallèles, des canaux carrés, etc.) En général, un modèle 3D entièrement développé pourrait être appliqué à n’importe quelle géométrie

Les différentes approches pour réaliser la RMA

                La RMA est un dispositif multi-échelle (micro-échelle, mini-échelle et macro-échelle) et multi-physique (magnétisme, fluidique et thermique).
 L’approche micro-échelle au sein du régénérateur est représentée par le magnétisme, où l’effet magnétocalorique se passe au niveau des spins des électrons des atomes du matériau magnétocalorique c’est-à-dire :
-Lorsqu’on applique un champ magnétique, les moments magnétiques s’alignent et la température du matériau augmente,
– En absence du champ magnétique, les moments magnétiques sont dirigés de façon aléatoire, d’où le matériau se refroidit,
 L’approche macro-échelle est représentée par le transfert de la chaleur ;
 L’approche mini-échelle est représentée par la fluidique dans la géométrie du régénérateur.
Le fonctionnement d’une RMA est basé sur l’utilisation de l’effet magnétocalorique qui représente la réponse thermique d’un matériau lorsqu’il est placé dans un champ magnétique. En prenant en compte simultanée et couplée de ces trois phénomènes physiques: thermique, fluidique et magnétisme.

L’influence des paramètres thermophysiques

                   Les matériaux magnétocaloriques sont les éléments actifs d’un système de réfrigération magnétique, éléments qui font à la fois la production de la chaleur ou le stockage de la chaleur, en fonction de chaque étape du cycle AMRR. L’intérêt porté sur ces matériaux reste sur la variation de la température ΔTad et d’entropie ΔS qui doivent être aussi grand que possible pour des valeurs basées de l’intensité de champ magnétique, mais aussi sur d’autres aspects comme une température de Curie proche de la température d’utilisation, une plage large de variation d’entropie et de température, des valeurs très faibles ou nulles de hystérésis thermique et magnétique, une conductivité thermique adaptée pour assurer un gradient thermique au sein du régénérateur et une résistivité électrique élevée pour limiter les courants de Foucault (c’est le courant électrique créé dans une masse conductrice, soit par la variation au cours du temps d’un champ magnétique extérieur traversant ce milieu « le flux du champ à travers le milieu », soit par un déplacement de cette masse dans un champ magnétique constant. Ils sont une conséquence de l’induction magnétique). A part de ces aspects qualitative des matériaux, dans la conception d’un système de réfrigération magnétique, il existe aussi d’autres aspects dont on doit tenir compte comme les caractéristiques de fabrication et fonctionnement (malléabilité, ductilité, résistance à la corrosion, non-toxicité, durabilité mécanique, etc.) et les caractéristiques technicoéconomiques (coût de fabrication bas, abondance et disponibilité, etc.). La plupart des prototypes de réfrigération magnétique d’aujourd’hui utilisent comme matériau magnétocalorique des terres rares, comme gadolinium et ses alliages. A cause de sa disponibilité limitée et de son comportement corrosif dans les milieux aquatiques, la recherche s’oriente aujourd’hui vers les matériaux avec des propriétés thermiques élevées mais aussi qui doivent être disponibles, abondants, facilement recyclables et leur extraction ainsi que leur production devront se faire avec des couts environnementaux et énergétiques réduits.

CONCLUSION

                   Pour conclure, Le modèle numérique de la RMA est une matrice poreuse des matériaux magnétocaloriques, traversée par un fluide caloporteur en mouvement alternatif, dans un procédé cyclique. Son fonctionnement et ses équations caractéristiques et les transferts thermiques sont identiques à ceux du régénérateur passif. Mais, la circulation alternative de fluide et la présence de fluide leur différencient. En effet magnétocalorique, qui est une propriété intrinsèque des matériaux magnétiques et se traduit par une variation instantanée et réversible de leur température et entropie lorsqu’ils sont soumis à une variation de champ magnétique. Cet effet réversible est maximal à la température de transition de la phase ferromagnétique à la phase paramagnétique, appelée température de Curie et est la conséquence de la diminution de l’entropie magnétique suite à l’alignement des spins électroniques sous l’application du champ magnétique. Cette réaction est exothermique à cause de l’augmentation de l’entropie électronique et de réseau. Tandis que, Le fluide transport thermique aux deux extrémités du régénérateur se trouvent les échangeurs thermiques (l’échangeur de chaleur chaud – HHEX et l’échangeur de chaleur froid –CHEX) qui réalisent l’alimentation en fluide et la connexion avec les sources thermiques. Dans ce travail de mémoire, nous avions conçu un modèle numérique multi-physique et multi-échelle d’une RMA destiné à simuler en 2D, le comportement d’un système de réfrigération magnétique à température ambiante utilise le cycle de réfrigération par régénération magnétique active (AMRR). Le modèle numérique simulé par conçu est validé par l’étude comparative des résultats expérimentaux d’un prototype. Cela nous a permis de reproduire de façon relativement fidèle le comportement d’un dispositif de la RMA expérimentale. Cette technologie nouvelle, modèle numérique, possède plusieurs avantages tels que l’absence de polluants atmosphériques, la faiblesse du niveau des bruits, la recyclabilité totale des matériaux et surtout le rendement énergétique supérieur à celui de l’effet Peltier. Pour élargir la recherche, nous suggérons d’étudier le comportement du système toute en mettant en évidence la nécessité de mettre en rapport les caractéristiques géométriques de la RMA avec les paramètres de fonctionnement afin d’avoir des écarts de températures adaptées à chaque application.

Table des matières

REMERCIEMENTS
LISTE DES ABREVIATIONS ET ACRONYMES
Liste des symboles Latins
Liste des symboles Grecs
Liste des indices et exposants
Liste des constantes physiques
Abréviations
INTRODUCTION
Chapitre premier : ETAT DE L’ART
1.1.Situation bibliographique
1.1.1.Etat de l’art sur les modèles numériques existants: les modèles, les méthodes et des résultats
1.1.2. Présentation de notre travail
Chapitre 2 : MATERIELS ET METHODES
2.1.Les matériels et les phénomènes physiques réagissant dans la RMA
2.1.1.Les différentes approches pour réaliser la RMA
2.1.2. Présentation et configuration du système
2.2.Méthodologie et implémentation du modèle numérique
2.2.1. La méthodologie du modèle numérique
2.2.2. L’implémentation du modèle numérique
Chapitre 3: RESULTATS
3.1.Les quatre étapes de simulations pour effectuer un cycle d’AMRR
3.1.1. L’aimantation
3.1.2. L’écoulement de fluide de l’échangeur froid vers l’échangeur chaud
3.1.3. La désaimantation
3.1.4. L’écoulement de fluide de l’échangeur Chaud vers froid
3.2.L’évolution thermique du système
3.2.1.La distribution 2D des températures du système au cours d’un cycle d’AMRR
3.2.2. L’évolution de la température finale du système en fonction du temps pour les deux échangeurs
3.3.Validation du programme
Chapitre 4 : RECOMMANDATIONS
4.1.Le Recommandations
4.1.1. L’amélioration de la performance de la RMA
4.1.2. Les avantages de cette modèle numérique
Conclusion

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