Contribution to the development of an innovative heat pump based on the magnetocaloric effect : thermal and fluidic study of the regenerative exchanger
Contribution au développement d’une pompe à chaleur innovante basée sur l’effet magnétocalorique : étude thermique et fluidique de l’échangeur régénérateur
Résumé
Magnetic refrigeration is seen as a potential candidate to replace compression refrigeration machines. In this type of system, the active magnetic regeneration cycle (AMR) is set up to magnetize and demagnetize magnetocaloric materials (MCM) as well as the oscillating flow used to achieve heat transfer between the coolant and MMC. Many existing studies focus mainly on prototype design and the development of innovative materials to optimize the energy performance of the system. However, certain physical phenomena, which are less studied in the literature, can also affect the efficiency of the system.During this thesis, we focused on two particular aspects: the characterization of magnetocaloric materials (CARMA project) and the visualization of oscillating flows (VÉO project).The objective of the CARMA project is to measure the evolution of the thermal properties of the magnetocaloric material as a function of the temperature without / under a magnetic field. The challenge of this investigation is to properly measure the properties around its transition point where the change in magnetic behavior of the material takes place. According to the literature review on thermal metrology, the periodic photothermal radiometric (PTR) method was chosen because of its high precision. After validating the feasibility of the chosen method by numerical simulation, we developed a materials characterization test bench. Samples of magnetocaloric materials were characterized without / under a magnetic field. The measurement results are close to those published in the literature. The comparisons that have been carried out also prove the reliability of the results.The VÉO project is dedicated to the visualization of velocity fields in rectangular section channels of oscillating flows generated by a pump and two pairs of solenoid valves. With this last hydraulic system, we have generated different flow patterns. LDV (Laser Doppler Velocimetry) and PIV (Particles Image Velocimetry) have been selected as appropriate techniques for measuring the change in the velocity field over time. The experimental results obtained showed complex phenomena little studied in the literature. We see that there are very similar dynamics in velocity fields of the same flow rate but for different frequencies.Modifications to the CARMA project test bench are planned in order to be able to perform the simultaneous measurement of thermal properties and to create a more relevant prototype. For the VÉO project, the next step is the study of heat transfer in oscillating flows.
La technique de réfrigération magnétique est considérée comme une candidate potentielle pour remplacer les machines frigorifiques à compression. Dans ce type de système, le cycle de régénération magnétique active (AMR) est mis en place pour magnétiser et démagnétiser des matériaux magnétocaloriques (MMC) ainsi que l’écoulement oscillant utilisé pour réaliser le transfert de chaleur entre le fluide caloporteur et le MMC. Nombre d’études existantes se concentrent principalement sur la conception de prototypes ou le développement de matériaux innovants afin de pouvoir optimiser la performance énergétique du système. Cependant, certains phénomènes physiques, qui sont moins étudiés dans la littérature, pourraient également affecter l’efficacité du système.Au cours de cette thèse, nous nous sommes concentrés sur deux aspects particuliers : la caractérisation de matériaux magnétocaloriques (projet CARMA) et la visualisation d’écoulements oscillants (projet VÉO).L’objectif du projet CARMA est de mesurer l’évolution des propriétés thermiques du matériau magnétocalorique en fonction de la température sans / sous champ magnétique. Le défi de cette investigation est de mesurer proprement les propriétés autour de son point de transition où le changement de comportement magnétique du matériau a lieu. Selon l’étude bibliographique sur la métrologie thermique, la méthode périodique photothermique radiométrique (PTR) a été choisie en raison de sa haute précision. Après validation de la faisabilité de la méthode choisie par simulation numérique, nous avons développé un banc d’essai de caractérisation de matériaux. Des échantillons de matériaux magnétocaloriques ont été caractérisés sans / sous champ magnétique. Les résultats de mesures sont proches de ceux publiés dans la littérature. Les comparaisons qui ont été menées prouvent également la fiabilité des résultats.Le projet VÉO est consacré à la visualisation de champs de vitesses dans des canaux de section rectangulaire d’écoulements oscillants générés par une pompe et deux paires d’électrovannes. Avec ce dernier système hydraulique nous avons généré différentes configurations d’écoulement. La LDV (Laser Doppler Velocimetry) et la PIV (Particules Image Velocimetry) ont été retenues comme les techniques appropriées à la mesure de l’évolution de champ de vitesse au cours du temps. Les résultats expérimentaux obtenus ont montré des phénomènes complexes peu étudiés dans la littérature. On constate qu’il existe des dynamiques très similaires dans les champs de vitesse de même débit mais pour des fréquences différentes.Des modifications sur le banc d’essai du projet CARMA sont prévues afin de pouvoir réaliser la mesure simultanée des diverses propriétés thermiques et de créer un prototype plus pertinent. Pour le projet VÉO, l’étude du transfert thermique dans un écoulement oscillant est la prochaine étape.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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