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INTRODUCTION
La validation d’un modèle numérique nécessite de pouvoir comparer ses résultats avec des résultats expérimentaux. Seule une bonne convergence de ces données permet, dans une gamme de fonctionnement donnée, de valider le modèle. Nous avons donc développé un démonstrateur permettant d’obtenir les débits, températures et vitesses expérimentales des fluides dans un canal de géométrie similaire au canal du modèle numérique. Ce canal est composé de matériaux magnétocaloriques sur ses parois et sur lequel nous pouvons réaliser des mesures thermiques. La mise en place d’un circuit hydraulique ad hoc et d’un système magnétique novateur nous permet de contrôler les conditions d’écoulement et de température du fluide traversant ce canal en lui appliquant des variations du champ magnétique. L’intérêt de ce banc d’essai complémentaire au prototype est, en plus de valider le modèle numérique développé, de mieux cerner le comportement potentiel des fluides au sein du prototype au sein duquel de telles mesures ne sont pas possibles, pour le moment.
4.1/ DEVELOPPEMENT D’UN DEMONSTRATEUR
MAGNETOCALORIQUE
UN SYSTEME MAGNETIQUE INNOVANT Choix de technologie
La première problématique rencontrée lors du développement d’un démonstrateur dont le but est d’étudier l’effet magnétocalorique est de créer une source de champ magnétique variable. Il existe plusieurs solutions techniques afin de créer ce champ magnétique :
- les électroaimants,
- les bobines supraconductrices.
Ces deux premières solutions permettent de générer un champ variable où, selon le dimensionnement du système, on peut régler l’amplitude du champ, sa fréquence et la forme d’évolution temporelle du champ magnétique (trapézoïdale, sinusoïdale…). Un tel système est extrêmement intéressant pour étudier le comportement de l’effet magnétocalorique en fonction des variations de champ magnétique, mais il est extrêmement onéreux et le temps de développement et de sa mise en place reste assez long.
- Les aimants permanents en mouvement par rapport aux matériaux.
La dernière solution permet de générer un champ magnétique variable pour lequel la fréquence est modulable. L’amplitude est dépendante de la nature des aimants permanents et la forme d’évolution est figée par la conception du système. Généralement l’évolution du champ a une forme se rapprochant d’une courbe trapézoïdale. L’avantage de ce système est que l’on réduit le nombre de consignes d’entrée, le système ne possédant qu’un seul actionneur permettant de générer le mouvement des aimants par rapport aux matériaux magnétocaloriques.
113 Conception d’un système générant la variation de champ magnétique
L’utilisation d’aimants permanents comme source du champ magnétique induit une difficulté majeure. Les aimants doivent être en mouvement relatif par rapport aux matériaux magnétocaloriques. Ces derniers étant, entre autres, notre objet d’étude dans le démonstrateur, les différents points de mesures thermiques se situent principalement à leur niveau. Il n’était donc pas pertinent de mettre en mouvement le système contenant ces matériaux afin de pouvoir garder une prise de mesures aisée.
La mise en mouvement des aimants peut être faite de différentes manières : - linéaire par l’utilisation d’un vérin,
- rotative par la mise en place d’aimants sur une roue.
Ces solutions, bien que réalisables, présentent de nombreux inconvénients. En effet il faut garantir une orientation homogène du champ magnétique par rapport aux matériaux afin d’optimiser l’effet magnétocalorique. De plus, afin de garantir un passage par un champ magnétique nul, il est important de concevoir un système où le champ magnétique est induit dans 2 sens différents. Ainsi, pour un entrefer composé d’aimants permanents, cela suppose d’utiliser 2 paires d’aimants afin d’obtenir un cycle décrit en figure 4.1. où τ représente une période d’aimantation/désaimantation.
Figure 4.1 : Aimantation dans l’entrefer durant 2 cycles
Enfin le mouvement des aimants présente un risque. En effet, ceux-ci doivent se déplacer à des fréquences élevées et l’espace entre le matériau et l’entrefer doit être le plus petit possible afin de garantir le champ le plus élevé possible. Ainsi le matériau doit être maintenu dans un alignement « parfait » avec l’entrefer afin d’obtenir le meilleur effet magnétocalorique, mais aussi pour éviter que celui-ci n’entre en collision avec les aimants lors de leur déplacement.
Afin d’éviter un mouvement du matériau par rapport aux aimants, nous avons fait le choix d’utiliser un circuit magnétique composé d’un côté d’un entrefer où le matériau est mis en place et reste fixe par rapport à cet entrefer, et de l’autre côté d’un rotor composé d’aimants permanents permettant d’induire (ou non) un champ magnétique dans le circuit magnétique et donc dans l’entrefer. La figure 4.2 montre une esquisse du circuit magnétique avec son entrefer et le rotor comportant les aimants permanents.
Matériaux
Entrefer
114 Figure 4.2 : Circuit magnétique
L’étude de ce circuit magnétique a été réalisée par la société de R&D Novelté System. L’objectif est d’obtenir une forme du champ magnétique très particulière dans l’entrefer, fidèle à ce que nous cherchons à obtenir dans une pompe à chaleur, avec des phases où le système induit un fort champ magnétique sur le matériau et des phases où celui-ci est désaimanté. Le dimensionnement a été réalisé grâce à des simulations 2D du champ magnétique sous le logiciel FEM. La figure 4.3 montre la courbe théorique du champ magnétique obtenue dans l’entrefer.
Figure 4.3 : Champ magnétique voulu dans l’entrefer
L’entrefer doit faire l’objet alternativement d’un champ magnétique élevé puis faible. Pour cela, le rotor comporte des « courts-circuits » permettant de dévier le champ magnétique des aimants permanents afin d’éviter que celui-ci ne passe dans l’entrefer.
-1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 0 45 90 135 180 225 270 315 360 C h a m p m a g n é ti q u e ( T ) Position angulaire (°)