CNRS Froid Magnetique

1Afef Lebouc – PIE CNRS "Froid Magnétique" – Nantes 16-18 Novembre 20091

Colloque Energie Nantes, 16 – 18 Novembre 2009

PR08-1.1-6

“FROID MAGNETIQUE”

Vincent Hardy (CRISMAT)Bernard Chevalier (ICMCB), Cyrille Train (CIM2),

Daniel Fruchart (Institut Néel) & Afef Lebouc (G2Elab)


Contexte de la production de froid– 15 % de la consommation d'énergie électrique

mondiale : climatisation bâtiments, véhicules, conservation (frigo, congèle), froid industriel …

– Marché mondial de 39 Mds $ (chiffre ADEME)

Enjeux environnementaux– impact sur l’environnement (effet de serre)– efficacité énergétique limitée

2 voies possibles :– Autre fluide frigorigène (ammoniaque, CO2…)– Rupture technologique : thermoélectricité,

thermoacoustique, réfrigération magnétique

Contexte de l’étude


EMC & réfrigération magnétique

Objectifs du projet "Froid magnétique"

Principaux résultats à mi-parcours

Perspectives

Plan de l’exposé



FeSi NO, 50 Hzinfluence du poinçonnage

historique- découvert en 1881 par Warburg, expliqué en 1918 par Weiss & Piccard

- utilisé depuis les années 1930 pour atteindre # 0 K- technologies associées au monde de la cryogénie -1998 : 1er démonstrateur pour la réfrigération à Tambiante

propriété intrinsèque des matériaux magnétiquesaimantation échauffementdésaimantation refroidissement

Chaud FroidChaud FroidChaud FroidChaud FroidChaud FroidChaud Froid

Aimantation & désaimantation adiabatiques


couplage magnétothermiqueS = Smagn.+ Sréseau +Sélectron

Processus adiabatique : ∆S=0

- aimantation : ∆Smagn ∆Sréseau T

- désaimatation :∆Smagn ∆Sréseau T

effet maximal autour de la température de transition

matériaux à EMC géant à Tamb.


Τ0

Τ0 + ∆T

T

TC

EMCaimantation

X

Etat désaimanté Etat aimanté



équivalence cycle magn. & cycle thermodyn.

applications & avantages - réfrigération, climatisation, refroidissement- haut rendement : COPmagn. = 2 COPthermodyn.

- pas de gaz à effet de serre

compression du gazéchauffementéchange avec la source chaudedétente du gazrefroidissementéchange avec la source froide

Aimantation du mat.échauffementéchange avec la source chaudeDésaimantation refroidissementéchange avec la source froide


Recherche & caractérisation structurale de nouveaux matériaux à EMC géant : intermetalliques, oxydes & composés moléculaires

Métrologie des grandeurs de base :détermination de ∆S & EMC par des mesures magnétiques dans le cas des matériaux à transition de phase du 1er ordre

Comportement global en fonctionnement “réfrigération” : étude du matériau dans un bloc réfrigérant et mise en œuvre du cycle AMRR “Active magnetic regenerative refrigeration cycle"

Objectifs du projet


Résultats : matériaux Critère de performance

- Tc proche de Tambiante- ∆Sm élevé, large plage de T- EMC ou ∆T élevé

Matériau de référence : GdTc = 294K, ∆Sm = 2.5 J/kgKT, ∆T = 2.2 K/T

Plusieurs pistes explorées :intermetalliques : GdCoSi,GdNiSi, LaFeSi, LaFeSiH, oxydes : EuO, PrCaCoO, EuSrMnO, Composées moléculaires : PBA, matériaux nanostructurés

étude fondamentale, étude de faisabilité, mise en évidence des problèmes de synthèse, ajustement de Tc,,…

1st order

2nd order


Résultats : matériaux

composés ferromagnétiques comparables voire plus performants que le gadolinium

température de Curie ajustable moins onéreux et moins oxydables que Gd


Nouvelle approche d’évaluation de ∆S pour les matériaux du 1er ordre à partir des mesures indirectes, oxyde Eu0.58Sr0.42MnO3

Résultats : métrologie magnétocalorique

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8Méthodes "standard"

à partir de MT(H) à partir de MH(T) à partir de CH(T)

∆S

(J.

kg-1.K

-1)

T (K) 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

0-5T

MH(T) MT(H) CH(T)

∆S

(J.

kg-1.K

-1)

T (K)0 1 2 3 4 5

0

1

2

3Ferro

Down

Upbis

Up 55 K

M (µ B

/f.u

.)

µ0H (T)

Courbes M(H,T) Méthodes standards Nouvelle méthode


(a) aimantation adiabatique :échauffement du matériau de ∆T0 (EMC)

(b) circulation du fluide : échange avec le matériau gradient de température

(c) désaimantation adiabatique :refroidissement du matériau de ∆T0

(d) circulation du fluide en sens inverse :amplification du gradient

Résultats : bloc réfrigérant

Cycle AMRR : cycle spécifique permettant d’atteindre avec des matériaux à EMC modeste des écarts de températures élevés entre la source chaude et la source froide


Modélisation analytique

Modélisation numérique avec "FLUENT"– régénérateur en plaques– outil spécifique mettant en œuvre des fonctions

utilisateurs pour gérer les différentes étapes du cycle

bonne représentation du comportement du cycle & de l’établissement du gradient

des informations sur le coefficient d’échange, profil de vitesse, …

modèle de référence pour tester & valider les modèles analytiques en cours d’étude

284

286

288

290

292

294

296

298

300

302

304

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

cycles (N)

Te

mp

eratu

re

(K

)

Cold source

Hot source



Dispositif de tests du matériau dans un bloc réfrigérant– structure basée sur le premier

démonstrateur– robustesse & répétabilité améliorées– plage de réglage élargie ∆T # 7 °C pour un EMC = 1.5 °C

analyser le cycle & optimiser ses paramètres, valider les modèles, tester & évaluer différents blocs réfrigérants : matériau & forme



Poursuite les travaux actuels sur les matériaux à EMC géant

Caractérisation par méthode calorimétrique directe & comparaison avec la méthode indirecte

Test de quelques matériaux dans le démonstrateur PrSrMnO , GdNiSi, FeSiLaH – élaboration d’une quantité suffisante : 100 à 200 g– mise en œuvre & réalisation du bloc réfrigérant

Modélisation analytique & numérique, comparaison avec l’expérience

Perspectives


Colloque Energie Nantes, 16 – 18 Novembre 2009

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