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Article

1 - PRODUCTION DU FROID : CONTEXTE ET ALTERNATIVES

2 - EFFETS ET MATÉRIAUX MAGNÉTOCALORIQUES

3 - CYCLE DE RÉFRIGÉRATION

4 - PRINCIPE DES SYSTÈMES DE RÉFRIGÉRATION MAGNÉTIQUE : LES SYSTÈMES AMR

5 - SYSTÈME DE RÉFRIGÉRATION MAGNÉTIQUE

6 - CONCLUSION

7 - GLOSSAIRE

Article de référence | Réf : RE28 v2

Système de réfrigération magnétique
Réfrigération magnétique : des principes fondamentaux aux applications

Auteur(s) : Morgan ALMANZA, Martino LoBue, Afef Lebouc

Date de publication : 10 juin 2023

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RÉSUMÉ

Cet article introduit les principes de fonctionnement de la réfrigération magnétique, il se positionne entre un article des techniques de l’ingénieur orienté sur les matériaux [K733] et un autre sur les systèmes [BE 9 830]. Il se caractérise par une approche thermodynamique qui va aller de la description des matériaux jusqu'aux systèmes.

Cet article apportera avant tout au lecteur une approche lui permettant de comprendre les architectures de réfrigération magnétique exploitées aujourd’hui, tout comme les systèmes à régénérateur actif.

Après une introduction sur la production du froid et la consommation énergétique qu’elle engendre, nous introduisons l’effet et les matériaux magnétocaloriques tels qu'ils sont exploités dans des cycles thermodynamiques et la réalisation de systèmes de réfrigération magnétique.

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ABSTRACT

Magnetic refrigeration from working principles towards applications

The paper introduces the working principle of magnetic cooling, it hinges from a paper oriented towards magnetocaloric materials [k733] and one oriented towards cooling system [BE 9 830]. Based on thermodynamic analysis, it makes a strong link between materials and systems. This paper aims to understand advantages and limitations of magnetic cooling devices studied today.

After an introduction of the cooling context as well as its related energy consumption, magnetocaloric effect and magnetocaloric materials are described based on thermodynamic. Then, we explain how cooling is reached through thermodynamic cycle and how devices work.

Auteur(s)

  • Morgan ALMANZA : Maître de conférence, Université Paris-Saclay, École Normale Supérieure Paris-Saclay, Laboratoire SATIE, Gif-sur-Yvette, France

  • Martino LoBue : Directeur de recherche, Université Paris-Saclay, CNRS, Laboratoire SATIE, Gif-sur-Yvette, France

  • Afef Lebouc : Directrice de recherche, Université Grenoble-Alpes, CNRS, Grenoble INP, Laboratoire G2Elab, F-38000 Grenoble, France

INTRODUCTION

La réfrigération magnétocalorique ou simplement magnétique s’appuie sur l’effet magnétocalorique (EMC). L’EMC est une propriété présente dans tous les matériaux magnétiques qui correspond à un échauffement associé à son aimantation et à un refroidissement suivant sa désaimantation, soit une variation réversible de température liée à une variation du champ magnétique dans des conditions adiabatiques. C’est autour de la température de transition de phase magnétique, ferromagnétique-paramagnétique par exemple, que la variation de température est la plus importante. On appelle « matériaux magnétocaloriques » (MMC) les matériaux où cet effet est important.

Dans un contexte de besoin de technologie de réfrigération propre et efficace, la réfrigération magnétique à température ambiante apparaît comme une solution de rupture, permettant de réaliser des systèmes plus efficaces, moins polluants et faciles à recycler, car mettant en œuvre des réfrigérants solides, et essentiellement de l’eau comme fluide caloporteur. Même si l’EMC est connu depuis plus d’un siècle, la recherche dans ce domaine n’a réellement démarré qu’il y a 25 ans environ suite à la découverte de nouveaux matériaux à EMC géant autour de la température ambiante.

Historiquement, l’article des TI (Allab et al.), datant d’environ 20 ans, se présentait comme un état de l’art global de l’époque sur cette thématique émergente qu’était la réfrigération magnétique. Depuis, et compte tenu des avancées dans les différents domaines, des articles plus spécifiques ont été publiés dans cette collection, nous pouvons citer, en particulier [K 733] et [BE 9 830], dédiés respectivement aux matériaux magnétocaloriques et aux systèmes de réfrigération magnétique.

Cet article propose une approche thermodynamique pour comprendre, comment l’effet magnétocalorique est exploité afin d’obtenir un effet de réfrigération. Grâce à cette approche, il offre un point de vue transversal entre ces articles. Plus spécifiquement, ce document s’attache à transmettre aux lecteurs les principes, plus qu’une description détaillée des matériaux et des systèmes.

Après une introduction sur le contexte du froid aux niveaux national et mondial au § 2, l’approche proposée se décline en quatre axes, détaillés aux § 3, 4, 5 et 6 :

  • analyse de l’EMC et recherche de matériau à haut pouvoir magnétocalorique. Dans cette partie du chapitre 3, nous introduisons l’effet magnétocalorique, son observation, les différentes méthodes de caractérisations qu’elles soient directes et indirectes. Après une description thermodynamique de ce comportement, deux facteurs de mérite seront introduits : la variation de la température adiabatique ΔTadia et la variation de l’entropie ΔSisotherm respectivement dans des conditions adiabatiques et isothermes. Enfin, nous ferons un état de l’art des matériaux ayant une transition magnétique du 1er et 2e ordre qui sont disponibles à l’échelle industrielle ou du laboratoire en précisant leurs intérêts et leurs limites et nous présenterons les familles les plus intéressantes qui se dégagent pour une intégration effective dans un système de réfrigération ;

  • analyse et modélisation des cycles thermodynamiques. Ici, nous discuterons des cycles élémentaires puis de leurs associations pour amplifier l’écart de température. L’introduction de la thermodynamique à temps finie va permettre de prendre en compte l’échange thermique, un élément indispensable pour estimer la puissance froide. Dans ce cadre, nous pourrons estimer les performances des systèmes de réfrigération et surtout mieux comprendre les éléments limitants. Ensuite, nous introduisons les techniques pour amplifier l’écart de température, soit avec un système à régénération actif, soit avec un système à étagement ;

  • modélisation du régénérateur actif (AMR). Cette architecture est la plus utilisée, à la fois parce qu’elle bénéficie du bon transfert de chaleur fluide/solide, mais aussi parce qu’elle permet de moduler l’amplification des écarts de température pour s’adapter aux points de fonctionnement, tout en réduisant les irréversibilités (les pertes) liées aux transferts de chaleur. Grâce à une modélisation du système qui se concentre sur le cœur de son fonctionnement, nous illustrerons ses principes ;

  • conception, réalisation de dispositifs de réfrigération magnétique. Un système de réfrigération magnétique est un système complexe qui doit être considéré dans sa globalité en tenant compte de l’imbrication et des interactions entre les différents éléments. Cette complexité résulte du matériau magnétocalorique MCM, de sa mise en œuvre dans le régénérateur, de la source de champ et de son interaction avec ce dernier, du fluide caloporteur et de la gestion du cycle aimantation/désaimantation, du cycle thermodynamique, sans oublier les échangeurs. Les performances du système résulteront de l’ensemble de ces éléments. Nous développerons dans cette dernière partie, ces différents points en s’appuyant sur notre expérience dans ce domaine et les travaux réalisés au niveau international.

Points clés

Domaine : Énergies, froid industriel, froid : cryogénie, applications industrielles et périphériques

Sciences fondamentales, caractérisation et propriétés de la matière, propriétés électriques et électrochimiques des matériaux, magnétocaloriques

Degré de diffusion de la technologie : Recherche et développement

Technologies impliquées : Matériaux magnétocaloriques, réfrigération magnétique

Domaines d’application : Production de froid (air conditionné, réfrigérateur, congélateur) ou pompe à chaleur

Principaux acteurs français :

Centre de compétence : Côté système : les laboratoires G2Elab de l’université Grenoble-Alpes, le Femto-ST de l’université de Franche-comté.

Côté matériaux : synthétisés par plusieurs laboratoires, l’institut Néel de l’université Grenoble-Alpes, le CRISMAT de l’université Caen Normandie.

Industriels : La société Magnoric (anciennement Ubiblue) développe des systèmes de réfrigération ou des pompes à chaleur.

Erasteel a aussi développé des procédés de fabrication de matériau à l’échelle industrielle.

Autres acteurs dans le monde : De nombreux laboratoires et industriels y travaillent en Europe, l’université de Ljubljana en Slovénie, le Technical University of Denmark et la société, MagnoTherm Solutions GmbH, pour le développement des systèmes.

Contact : Morgan Almanza, [email protected]

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KEYWORDS

refrigeration   |   regeneration   |   thermodynamic cycles   |   magnetocaloric effect   |   actif magnetic regenerator

VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-re28


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5. Système de réfrigération magnétique

De nombreux prototypes de réfrigération magnétique à température ambiante , ont été développés à différentes échelles, en allant de quelques watts aux kilowatts et sur des écarts de températures de quelques degrés à quelques dizaines de degrés. En France, depuis les systèmes précurseurs du G2Elab, la société Ubiblue, anciennement Cooltech Applications, a réalisé un prototype avec environ 15 kW avec un écart de température autour de 20 °C et une efficacité relative de 60 % et à partir de Gadolinium .

Ici, il est important de remarquer que ces caractéristiques sont atteintes simultanément.

Des régénérateurs avec des matériaux du premier ordre ayant plusieurs températures de transition sont nettement plus complexes à mettre en œuvre car la régénération est plus difficile à produire mais aussi parce que la fatigue des matériaux peut réduire la durée de vie du système. La figure 22 montre une photo du système de Ubiblue ayant réalisé plus de 5 millions de cycles.

On rappelle que, pour l’efficacité relative, il faudra bien considérer les températures après les échangeurs et non les températures en sortie de régénérateur. Néanmoins, les laboratoires ne développant pas toujours l’ensemble d’un système, c’est-à-dire jusqu’à l’échangeur avec l’air par...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - IEA -   The Future of Cooling.  -  PDF téléchargeable à ce lien : https://iea.blob.core.windows.net/assets/0bb45525-277f-4c9c-8d0c-9c0cb5e7d525/The_Future_of_Cooling.pdf

  • (2) - PECHARSKY (V.K.), GSCHNEIDNER (K.A.) -   iant Magnetocaloric Effect in Gd5(Si2Ge2).  -  Physical Review Letters, 78(23), p. 4494-97 (1997). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.78.4494

  • (3) - ZIMM (C.), JASTRAB (A.), STERNBERG (A.), PECHARSKY (V.), GSCHNEIDNER JR (K.), OSBORNE (M.), ANDERSON (I.) -   Description and Performance of a Near-Room Temperature Magnetic Refrigerator.  -  In : Advances in Cryogenic Engineering, edited by Peter Kittel, p. 1759-66. Advances in Cryogenic Engineering 43, Springer US (1998). http://link.springer.com/chapter/10.1007/978-1-4757-9047-4_222

  • (4) - BERTOTTI (G.) -   Hysteresis in Magnetism: for Physicists, Materials Scientists and Engineers.  -  San Diego: Academic Press (1998).

  • (5) - HEINE (V.) -   The Thermodynamics of Bodies in Static Electromagnetic Fields.  -  Mathematical Proceedings of...

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