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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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1. Contexte
1.1 Environnement et réglementation
Les six gaz à effet de serre majeurs (GES) mentionnés dans le protocole de Kyoto (CO2 , CH4 , N2O, HFC, PFC, SF6) doivent être pris en compte de manière plus sérieuse et leur émission considérablement réduite.
Les HFC (hydrofluorocarbures, frigorigènes synthétiques qui ont remplacé (s) les HCFC, hydrochlorofluorocarbures) sont largement utilisés dans les équipements de froid, climatisation et pompes à chaleur.
À noter qu'ils sont visés par un projet européen de réduction des émissions débutant dès 2016 et de bannissement (européen) qui doit s'échelonner entre 2020 et 2025. Les problèmes environnementaux ainsi que la prise de conscience mondiale sur le réchauffement de la planète sont des facteurs clés pour faire avancer la protection de l'environnement.
Conscients de ces enjeux alarmants, les États adoptent des politiques volontaristes pour réduire leurs émissions (tableau 1).
Les réponses actuelles en matière de réfrigération/climatisation consistent en l'utilisation de gaz réfrigérants qui sont l'objet d'une segmentation importante dépendant notamment du secteur d'application (à l'exception de certains gaz comme le CO2 et les HC pour les appareils domestiques).
Aujourd'hui, cette technique est fondée sur l'expansion/ compression de gaz réfrigérants spécifiques. Le transfert d'énergie est réalisé par un fluide réfrigérant soumis à un cycle thermodynamique (voir article [BE 9 733]).
L'utilisation de frigorigènes synthétiques dans les systèmes de réfrigération courants (HFC…) induit des fuites inévitables de ces gaz qui ont un effet nocif sur l'atmosphère (pendant le transport, l'installation, la maintenance). Par ailleurs, ces systèmes consomment une part importante d'énergie mécanique ou électrique pour assurer leurs fonctions.
En outre, ces systèmes sont caractérisés en fonctionnement par des bruits et vibrations. Les autres alternatives peinent à occuper les segments actuels couverts par les systèmes à gaz compressés alors que de nombreuses solutions de substitution sont testées,...
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BIBLIOGRAPHIE
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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/
HAUT DE PAGE
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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