Caractérisation d’un micro-échangeur de chaleur implanté dans un régénérateur magnétocalorique
Le département ÉNERGIE de l’Institut FEMTO-ST développe depuis quelques années des recherches autour de la production de froid et chaleur à haute efficacité grâce aux propriétés magnétocaloriques de certains matériaux autour de température ambiante. Cette technologie offre d’importants avantages environnementaux car l’efficacité théorique des cycles magnétocaloriques actifs à régénérateur (AMR) utilisés est supérieure à celle des technologies classiques à compression de vapeur ; de plus, contrairement à ces dernières, son fonctionnement n’utilise pas de gaz à effet de serre.
L’analyse du cycle AMR pour différentes formes d’onde du champ magnétique et de la vitesse du fluide caloporteur est un levier essentiel pour concevoir et mettre en œuvre des applications de chauffage et de refroidissement efficaces basées sur l’effet magnétocalorique. La modélisation des phénomènes multi-physiques qui se produisent à l’intérieur-même des régénérateurs magnétocaloriques actifs nécessite le couplage de modèles magnétostatique, magnétocalorique et thermo-fluidique.
Le régénérateur magnétocalorique utilisé dans notre système est composé de quatorze plaques de gadolinium et deux micro-échangeurs de chaleur identiques. Ces derniers ont été conçus au laboratoire et fabriqués par fusion laser de micro-billes inox pour être placés aux deux extrémités du régénérateur magnétocalorique actif afin d’échanger rapidement et efficacement sa puissance magnétocalorique. De forme rhombique à courants croisés non-brassés, ils comportent 5 micro-canaux transversaux et 6 micro-canaux longitudinaux à surfaces micro-structurées pour en augmenter l’efficacité sans augmentation des pertes de charge.
Après fabrication, ils ont d’abord été testés au sein du laboratoire afin de caractériser leurs performances thermiques et dynamiques, notamment les puissances échangées, ainsi que les paramètres KSF, NUT, DTML et l’efficacité. Afin de déterminer au mieux ces paramètres, le micro-échangeur est équipé à chaque entrée/sortie d’un support permettant de mesurer la température et la pression des écoulements par thermocouples de type K et micro-capteurs de pression de marque Kulite de type XTL-140M.
Dans cet article, après une présentation détaillée des micro-échangeurs, nous développons l’analyse théorique ainsi que les mesures expérimentales paramétriques conduisant à leur efficacité thermique en écoulement unidirectionnel. La comparaison des résultats expérimentaux et des expressions théoriques est excellente.