Un modèle pour concevoir des systèmes de réfrigération sans gaz

Publié par Redbran le 13/05/2020 à 13:00
Source: CNRS INSIS
Des chercheurs du laboratoire ElyTMaX ont développé un modèle d'aide à la conception de systèmes de réfrigération basés sur un matériau calorique, et non plus sur un gaz. Ce modèle a été validé avec un dispositif expérimental utilisant un caoutchouc naturel. Les résultats sont publiés dans un numéro spécial du Journal of Applied Physics.


Réfrigération élastocalorique utilisant du caoutchouc naturel. Le mouvement du fluide combiné avec la variation de température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant...) temporelle du caoutchouc permet de générer un gradient de température de plusieurs degrés entre les deux extrémités du système (mesure par des thermocouples insérés dans la colonne de fluide en mouvement cyclique). Cette expérience permet d'appuyer l'approche de modélisation, cette dernière étant développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de courbure. On peut aussi la décrire comme l'enveloppe de la famille des droites normales à la courbe.) pour concevoir et améliorer les performances de ce type de systèmes de réfrigération régénératifs. © ELyTMaX.

Les systèmes de réfrigération actuels, utilisés pour la conservation des aliments, mais aussi pour assurer la fiabilité (Un système est fiable lorsque la probabilité de remplir sa mission sur une durée donnée correspond à celle spécifiée dans le cahier des charges.) des systèmes électroniques, reposent sur des cycles de compression-détente d'un gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend à occuper tout le...). Ces systèmes ont un impact environnemental (L'impact environnemental est l'ensemble des modifications de l'environnement, qu'elles soient négatives ou positives, dues à un organisme ou à un produit.) non négligeable, et sont difficilement intégrables dans des dispositifs embarqués. Une solution alternative consisterait à utiliser des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) caloriques, qui ont la capacité de produire un refroidissement quand ils sont soumis à une force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale...) cyclique (magnétique, électrique ou mécanique). Des chercheurs du laboratoire ElyTMaX (Science & Engineering Lyon, Tohoku Materials & systems under eXtreme conditions), une unité mixte internationale (CNRS/ Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa...) de Lyon/Tohoku University), ont axé leurs travaux sur un système de réfrigération basé sur un caoutchouc élastocalorique dans le cadre du projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours...) ANR ECPOR.

Son principe: le caoutchouc, dont la température évolue sous l'action d'une contrainte mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de...) cyclique (sinusoïdale), est mis en contact avec un fluide caloporteur qui se déplace lui-aussi cycliquement. La température du fluide a ainsi tendance à suivre les oscillations de température du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière...) calorique. La vitesse (On distingue :) du fluide, combinée à ses oscillations de température, entraîne un flux de chaleur (Le flux de chaleur est une transmission de chaleur (ou énergie thermique) à travers un corps. Le flux de chaleur s'exprime en W/m2.) net dans une direction.

Pour mieux comprendre le fonctionnement de ce type de dispositifs, les chercheurs ont développé un modèle de simulation. Au prix de quelques simplifications, ils ont pu mettre au point (Graphie) un modèle analytique, construit à partir des équations de transfert de chaleur (Un transfert de chaleur qu'il convient d'appeler transfert thermique ou transfert par chaleur est un transit d'énergie sous forme microscopie désordonnée.) à travers le système de réfrigération. Ce type de modèle, comparé par exemple à un modèle du type "éléments finis", permet d'étudier l'impact des différents paramètres sur les performances (la puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) de réfrigération). Les simulations effectuées à l'aide de ce modèle ont ainsi révélé que la faible conductivité thermique (La conductivité thermique est une grandeur physique caractérisant le comportement des matériaux lors du transfert de chaleur par conduction. Cette constante apparaît par exemple dans la loi de Fourier...) du caoutchouc n'est pas en soi un problème, et peut être compensée par l'optimisation de la géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et, depuis le XVIIIe siècle, les...) du système. Par ailleurs, le modèle a mis en évidence un point clé pour une conception optimale: l'épaisseur du matériau et l'épaisseur de la couche limite (La couche limite est une zone d'interface entre un corps et le fluide environnant lors d'un mouvement relatif entre les deux. On y observe les effets de la viscosité....) thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur suivant différents...) (à l'interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface désigne ainsi ce que chaque élément a besoin de connaître...) entre le matériau et le fluide) doivent être du même ordre de grandeur, faute de quoi la puissance de réfrigération chute rapidement.


Banc expérimental. © ELyTMaX.

Le modèle de simulation a été validé avec un dispositif expérimental de réfrigération utilisant un caoutchouc élastocalorique. Il est constitué d'un tube de caoutchouc de 5 mm de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre est aussi la longueur de ce segment. Pour indiquer...) (et 25 mm de longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur...) initiale), soumis à des élongations cycliques. Une pompe (Une pompe est un dispositif permettant d'aspirer et de refouler un fluide.) fait circuler de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) dans le tube. Les températures sont mesurées par une caméra (Le terme caméra est issu du latin : chambre, pour chambre photographique. Il désigne un appareil de prise de vues animées, pour le cinéma, la télévision ou la vidéo.) infra-rouge. Plusieurs expérimentations ont montré la concordance entre les mesures effectuées et les résultats de simulation, et en particulier l'existence d'une fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on...) optimale de déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de défense déplaçant la valeur, et finalement le...) du fluide, pour une géométrie donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction, d'un événement, etc.).

Les chercheurs veulent maintenant compléter leur modèle, notamment en prenant en compte des écoulement plus complexes du fluide. Ils souhaitent aussi créer un dispositif expérimental de plus grande taille, afin d'aboutir à une véritable preuve de concept.

Référence:
Regenerative cooling using elastocaloric rubber: Analytical model and experiments featured,
G. Sebald, A. Komiya, J. Jay, G. Coativy and L. Lebrun.
Journal of Applied Physics 127, 094903 (mai 2020)
DOI: 10.1063/1.5132361

Contacts:
- Communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle, groupale...) que l'animal (communication intra- ou inter- espèces) ou la machine (télécommunications,...) INSIS - insis.communication at cnrs (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).).fr
- Gaël Sebald - ElyTMaX - gael.sebald at cnrs.fr
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