La réfrigération magnétique est une alternative pertinente dans un contexte où les gaz réfrigérants sont soumis à des restrictions environnementales. Ces restrictions nécessitent l'évolution de la technologie actuelle ou bien l'émergence d'une nouvelle, d'où l'opportunité pour la réfrigération magnétique de prouver son potentiel. En effet, elle pourrait s'avérer énergiquement plus efficace et avec des densités de puissance supérieure. Ces travaux de thèse apportent des réponses sur le potentiel de la réfrigération magnétique. Dans cette logique, la thermodynamique et le magnétisme, outils indispensables à notre étude, sont développés dans le cas des matériaux à effet magnétocalorique. Puis, nous verrons que les caractérisations de ces derniers sont en mesure de fournir des modèles matériaux cohérents et réalistes, si des précautions sont prises. L'effet magnétocalorique étant limité en termes de variation de température, nous allons étudier différentes structures de réfrigération. Enfin, des modèles numériques sont développés pour permettre d'optimiser les structures à régénérations actives, qui sont les plus utilisées. Ces modèles doivent permettre de dimensionner des systèmes proches de leurs optimums. / Magnetic refrigeration is a relevant alternative in consideration of environmental restrictions of refrigerants gases. These restrictions require to improve the current technology or to pave the way for a new one, hence the opportunity for magnetic refrigeration to demonstrate its potential. Indeed, it could be energetically efficient and with higher power densities. This work aims to estimate the potential of magnetic refrigeration. Magnetism and thermodynamic, essential tools for our study, are developed in a case of magnetocaloric effect. With some care, we show that material characterizations are able to give consistence and relevant model. Magnetocaloric effect suffers of small temperature variations; therefore structures that increase the temperature span and give competitive system are studied. Finally numerical models are developed to optimize active magnetic regenerators, which are currently the most used. These models are used to calculate and design systems close to their optimum.

My doctoral thesis deals with study and analyse of Stirling thermodynamical cycle. Cycle that is composed of two isochoras and two isotherms. I describe functional principle of Stirling engine and all its parts, constructional variations of pistons system and possible engine working modes. Next chapter contains analyse of engine constructional parameters. Measuring of torque and load characteristics, p - V schemes and output work for various engine inputs is part of this analyse. There is composed mathematical engine characterization by means of Schmidt theory in chapter five. Mathematical characterization is consequently applied to engine model. Theoretical analysis and practical measurement were base for concepts, realization and verification of constructional correction. One part of my thesis is attended to design of new lamella for regenerative exchanger. For optimal lamella constructional proportions were used computational algorithm and simulations. There is concept of cogeneration unit with Stirling engine and its benefits check in last chapter. General theoretical and practical analyse of workable Stirling engine is result of my thesis. Analyse in this extent was not nowhere publishing yet. Design of regenerative exchanger lamella is then practical input of my thesis.

No description available.

La réfrigération magnétique est une technologie émergente grâce à des avantages considérables par rapport aux technologies de réfrigération classiques. Cette technologie basée sur l’effet magnétocalorique offre d’importants avantages environnementaux car d’une part l’efficacité théorique des cycles utilisés est supérieure à celle des technologies classiques et d’autre part son fonctionnement ne nécessite pas une utilisation de gaz/vapeur `a fort effet de serre. En revanche des verrous scientifiques restent à lever, Le modèle multi-physique proposé dans cette thèse à pour but d’améliorer la précision de calcul. Il consiste à coupler un modèle 3D magnétostatique résolu par la méthode des éléments finis, un modèle magnétocalorique analytique et un modèle thermo-fluidique résolu par méthode des différences finies. Parallèlement, un banc d’essais a été conçu, optimisé et réalisé, ce banc permettra de faire des mesures fines des différents phénomènes qui interagissent dans la réfrigération magnétique. / The magnetic refrigeration technology is a promising alternative technology to the production of cold. The work of this thesis deals with studying and designing a magnetic refrigeration prototype. A multiphysic model is developed, this model taking into account several magnetic and magnetocaloric aspect that never dealt in the literature. It is used to investigate the influence of a range of parameters on the performance of the AMR. A new test bench of magnetic refrigeration is also designed, it is based on a particular electromagnet that was optimally realized. The magnetic performances are showed and concord with design prevision. Finally, suggestions for future works are provided based on the knowledge presented here.

Certaines missions d'astrophysique embarquent des détecteurs infrarouges ou X qui sont refroidis à des températures subkelvin via un système cryogénique qui comporte soit un bain d'hélium (comme pour Herschel), soit un réfrigérateur Joule-Thomson (comme pour Planck) pour le pré-refroidissement de l'étage subkelvin. Un doigt froid à tube à gaz pulsé ayant les mêmes performances qu'un Joule-Thomson pourrait offrir un certain nombre d'avantages pour les futures chaines cryogéniques (pas de pré-refroidissement nécessaire, simplicité d'intégration, fiabilité accrue).L'objectif de cette thèse concerne l'étude et la réalisation d'un doigt froid à tube à gaz pulsé 4K qui pourrait remplacer une machine Joule-Thomson. Deux principaux axes d'étude ont été menés parallèlement : des études sur les matériaux régénérateur et des études de performances. Des développements technologiques portant sur le régénérateur (étude et mise en forme de différents matériaux ayant des anomalies de chaleur spécifique à basse température) ont été menés afin d'améliorer les performances d'un doigt froid à tube à gaz pulsé haute fréquence (30Hz) travaillant avec de l'hélium 4.Cette thèse a permis d'obtenir la meilleure performance mondiale en terme de température limite en utilisant de l'hélium 4 et avec un pré-refroidissement à 20K. Une température limite de 3,86K a été obtenue et une puissance froide de 25mW est disponible à 5K. Cette thèse a également permis d'étudier l'effet du gaz réel sur le comportement de la machine, en particulier grâce à des mesures de profils de température du régénérateur. Cinq configurations différentes de régénérateur (variation de la répartition de chaleur spécifique le long du régénérateur froid) ont été testées. Elles ont permis de mieux comprendre le rôle de la répartition de la chaleur spécifique dans le régénérateur. Ces différentes mesures ont été complétées avec des études de fluctuations de températures pariétales réalisées à l'aide d'une centrale d'acquisition rapide (toutes les millisecondes). / Some astrophysics missions embark infrared or X detectors which are cooled down to subkelvin temperatures using a cryogenic cooling system that features helium bath (like for the Herschel satellite) or a Joule-Thomson cryocooler (like for the Planck satellite) for the precooling of the subkelvin cooling stage. A pulse tube cold finger which would have the same performances as a Joule-Thomson cryocooler could offer some advantages for future cryogenic chains (no need of precooling, simplicity of integration, increased reliability).The goal of this PhD is the making and the study of a pulse tube cold finger working at temperature around 4K which could replace a Joule-Thomson cryocooler. Two main lines have been worked on simultaneously : studies on materials for the cold regenerator and studies on the cold finger performances. Technological developments on the cold regenerator (including study and shaping of different materials with specific heat anomalies at low temperature) have been performed to enhance the performances of a cold finger working at high frequency (30Hz) with helium 4.The work done during this PhD led to the best no-load temperature never achieved using helium 4 and with a precooling of 20K. A no-load temperature of 3.86K has been obtained and 25mW of cooling power are available at 5K. In addition the effect of real gas on the cryorefrigerator operation has been studied in particular thanks to the measurement of regenerator thermal profiles. Five configurations with different regenerator fillings (variation of the distribution of the specific heat along the cold regenerator) have been tested. These five tests led to a better understanding of the role of the distribution of the specific heat in the regenerator. These measurements have been completed with studies of regenerator wall temperature fluctuations recorded thanks to a fast data acquisition system (each millisecond).

Les travaux présentés dans cette thèse concernent un nouveau procédé de stockage d'électricité à échelle industrielle, sous forme de stockage de chaleur sensible. La chaleur est stockée dans deux échangeurs gaz-solide de grande taille appelés régénérateurs qui sont reliés à une paire de turbomachines (compresseur et turbine) formant ainsi un cycle thermodynamique. Selon le sens d'écoulement du fluide caloporteur, ce cycle est de type « pompe à chaleur » en stockage ou « moteur thermique » en déstockage. La modélisation complète du procédé a permis de caractériser son comportement dans un cas industriel, et de mettre en évidence les tendances principales du système. Les performances prévues se rapprochent de celles des installations existantes les plus adaptées au stockage massif d'électricité, telles que le stockage hydraulique gravitaire. Une étude CFD a permis l'optimisation d'une géométrie de canal à obstacles destinée à intensifier l'échange thermique dans les régénérateurs et qui sera testée expérimentalement à la suite de cette thèse. Les préparatifs de cette expérience sont abordés et ses objectifs sont explicités. / Les travaux présentés dans cette thèse concernent un nouveau procédé de stockage d'électricité à échelle industrielle, sous forme de stockage de chaleur sensible. La chaleur est stockée dans deux échangeurs gaz-solide de grande taille appelés régénérateurs qui sont reliés à une paire de turbomachines (compresseur et turbine) formant ainsi un cycle thermodynamique. Selon le sens d'écoulement du fluide caloporteur, ce cycle est de type « pompe à chaleur » en stockage ou « moteur thermique » en déstockage. La modélisation complète du procédé a permis de caractériser son comportement dans un cas industriel, et de mettre en évidence les tendances principales du système. Les performances prévues se rapprochent de celles des installations existantes les plus adaptées au stockage massif d'électricité, telles que le stockage hydraulique gravitaire. Une étude CFD a permis l'optimisation d'une géométrie de canal à obstacles destinée à intensifier l'échange thermique dans les régénérateurs et qui sera testée expérimentalement à la suite de cette thèse. Les préparatifs de cette expérience sont abordés et ses objectifs sont explicités.

La technologie de la réfrigération magnétique présentée dans ce manuscrit constitue une alternative prometteuse à la technologie de production de froid. Le travail effectué a porté tout d’abord sur une étude de la production de froid magnétique et un état de l’art de cette technologie émergente. Nous nous sommes fixés pour objectif de dimensionner et réaliser un réfrigérateur magnétique qui se présente sous la forme d’un actionneur intégré. Le dimensionnement a été réalisé par le biais d’un modèle à éléments finis. Il s’agit d’un dispositif présentant deux entrefers, dont un suffisamment large pour pouvoir accueillir un régénérateur magnétocalorique au sein duquel la valeur de l’induction est la plus élevée possible tout en offrant un profil d’induction de forme trapézoïdale. La réalisation du démonstrateur sur la base des étudeseffectuées par éléments finis constitue la première étape vers la réalisation d’un réfrigérateur magnétique intégré pouvant être logé dans une automobile. Pour finir, et afin d’améliorer encore les performances de notre dispositif, une optimisation de l’inducteur électromagnétique a été effectuée par le biais d’un modèle à éléments finis couplé à un algorithme d’optimisation. / The magnetic refrigeration technology is a promising alternative technology to the production of cold. The work carried out focuses on the technology of magnetic refrigeration, a state of the art of this emerging technology has also been done. A magnetocaloric regenerator is placed in the air gap of the motor. It is necessary to design a motor with an air gap wide enough and where the induction will be as high as possible in order to insert the magnetocaloric regenerator. The regenerator is a hollow cylinder whose dimensions are adapted to the air gap of the synchronous machine. It is intended to contain the magnetocaloric material. The design of the electric motor is made in order to obtain a maximal variation of induction ΔB in the air gap and a temperature difference ΔT as large as possible, improving the magnetocaloric performance of the prototype. The profile of induction should also be as close as possible to a rectangular signal. The realization of the demonstrator based on the finite element studies is the first step towards the realization of integrated magnetic refrigerator which can be housed in an automobile. Finally, and in order to improve the performance of our device, an optimization of the electromagnetic inductor was carried out with a finite element model coupled to an optimizationalgorithm.

This dissertation about the Stirling engine deals with the history and formation of the heat engine. At the beginning of this work, fundamental parts and their functions are described, elucidating the principle of operation explained by the thermodynamic cycle and subsequently comparing the ideal and the real Stirling cycle and last but not least provides various modifications whilst describing their differences. The mathematical model of the Stirling engine is processed by Schmidth’s theoretical analysis and thereafter is created in PScad v46. The process of creating a model is shown in one of the chapters of this dissertation. The results were taken into account in the design of 3D models in Inventor Professional by Autodesk. The work concludes with the evaluation of the computational model and its functionality as well as the documentation of the 3D model.

[EN] This PhD thesis studies the application of the magnetic refrigeration technology in the air-conditioning system of automobiles. Thermal models of each of the components of such a system have been developed with the purpose of determining accurately its global performance. A dynamic one-dimensional model of a parallel-plate active magnetic regenerator (AMR) has been developed. The model is based in a new numerical scheme that reduces the computation time by 88% compared to the most commonly employed method. The model reproduces very accurately the passive regenerator cases with analytic solution and has been thoroughly validated against experimental results of both passive regenerator and AMR tests. The inclusion in the model of the magnetocaloric properties experimentally measured with a sample of the employed material, the demagnetizing effect, the fluid flow maldistribution and the losses to the ambient in the experimental setup have all been keys to obtain a good agreement with the experiments. The influence of the uncertainties and simplifications assumed when modelling these physical phenomena has been analyzed in detail, which has allowed the validation of different approaches. Besides, a dynamic model of the air-conditioning (AC) system of an electric vehicle has been developed. Thermal models of each of the system components have been included, namely the cabin, the hydraulic loops with the air-to-coolant heat exchangers and the electric auxiliaries. The modelling methodology employed is based on the combination of the conservation equations with the semi-empirical fitting of the global heat transfer coefficient. Excellent validation results have been obtained with experimental results in a wide range of operating conditions. The vehicle model has been employed to obtain the cooling and heating demand of a commercial full electric minibus, as well as the working temperatures. A broad optimization study has been carried out with the AMR model with the purpose of determining the design and working parameters of such a refrigerator that fulfil the cooling requirements of the vehicle with a minimum combined total system mass (affecting the weight of the vehicle and the economic cost) and electric consumption. The electric demand of the electrical AC auxiliaries has also been considered. Additionally, the heating performance of the optimal designs has been calculated. The application of AMR refrigerators in mobile air-conditioning systems is analyzed in comparison to the features of current vapor-compression systems. / [ES] En la presente tesis doctoral se ha estudiado la aplicación de un refrigerador magnético en un sistema de aire acondicionado para automóviles. Con el fin de determinar las prestaciones de dicho sistema de manera global y precisa, se ha desarrollado un modelo térmico de cada uno de sus componentes. Por un lado, se ha desarrollado un modelo dinámico unidimensional de regenerador magnético activo (AMR) de placas planas paralelas, basado en un nuevo esquema numérico que reduce el tiempo de cálculo hasta en un 88% respecto al esquema más empleado. El modelo reproduce con gran exactitud los casos de regenerador con solución analítica y ha sido validado exhaustivamente con resultados experimentales funcionando como regenerador pasivo y como AMR. Para obtener buenos ajustes ha sido clave la inclusión en el modelo de las propiedades magnetocalóricas medidas experimentalmente con una muestra del material empleado, el efecto desmagnetizante, la mala distribución del fluido y las pérdidas hacia el ambiente del montaje experimental. La influencia de las incertidumbres y las simplificaciones en el modelado de estos fenómenos se ha analizado detalladamente, lo cual ha permitido validar diferentes aproximaciones. Por otro lado, se ha desarrollado un modelo dinámico del sistema de aire acondicionado de un vehículo eléctrico. Se incluye el modelo térmico de la cabina, los bucles hidráulicos para la distribución de la potencia térmica con los intercambiadores de calor agua-aire y los auxiliares eléctricos. La metodología empleada para el desarrollo de estos modelos, basada en la combinación de ecuaciones de conservación con el ajuste semi-empírico de los coeficientes globales de transmisión de calor, ha producido excelentes resultados de validación con resultados experimentales en un amplio rango de condiciones de funcionamiento. El modelo del vehículo se ha empleado para obtener la demanda de refrigeración y calefacción de un minibús eléctrico comercial, así como las temperaturas de funcionamiento del sistema. Con el modelo de AMR se ha llevado a cabo un amplio estudio de optimización para determinar los parámetros de diseño y de funcionamiento de dicho refrigerador que cubren las necesidades de refrigeración del vehículo una masa del conjunto del sistema y un consumo eléctrico mínimos, incluyendo el consumo de los auxiliares. Adicionalmente se han calculado las prestaciones de calefacción de las combinaciones óptimas. La aplicabilidad de este sistema en automóviles se analiza en comparación con un sistema equivalente de compresión de vapor. / [CA] En aquesta tesi doctoral s'ha estudiat l'aplicació d'un refrigerador magnètic en un sistema d'aire condicionat per a automòbils. A fi de determinar les prestacions d'aquest sistema de manera global i precisa, s'ha desenvolupat un model tèrmic de cadascun dels components. D'una banda, s'ha desenvolupat un model dinàmic unidimensional de regenerador magnètic actiu (AMR) de plaques planes paral·leles, basat en un nou esquema numèric que redueix el temps de càlcul fins d'un 88% respecte a l'esquema més emprat. El model reprodueix amb gran exactitud els casos de regenerador amb solució analítica, i ha sigut validat exhaustivament amb resultats experimentals funcionant com a regenerador passiu i com a AMR. Per a obtenir bons ajustos ha sigut clau la inclusió en el model de les propietats magnetocalòriques mesurades experimentalment amb una mostra del material emprat, l'efecte desmagnetitzador, la mala distribució del fluid i les pèrdues cap a l'ambient del muntatge experimental. La influència de les incerteses i les simplificacions en la modelització d'aquests fenòmens s'ha analitzat detalladament, la qual cosa ha permès validar diferents aproximacions. D'altra banda, s'ha desenvolupat un model dinàmic del sistema d'aire condicionat d'un vehicle elèctric. S'hi inclouen el model tèrmic de la cabina, els bucles hidràulics per a la distribució de la potència tèrmica amb els bescanviadors de calor aigua-aire i els auxiliars elèctrics. La metodologia emprada per al desenvolupament d'aquests models, basada en la combinació d'equacions de conservació amb l'ajust semiempíric dels coeficients globals de transmissió de calor, ha produït excel·lents resultats de validació amb resultats experimentals en un ampli rang de condicions de funcionament. El model del vehicle s'ha emprat per a obtenir la demanda de refrigeració i calefacció d'un minibús elèctric comercial, així com les temperatures de funcionament del sistema. Amb el model d'AMR s'ha dut a terme un ampli estudi d'optimització per determinar els paràmetres de disseny i de funcionament de la refrigeradora esmentada que cobreixen les necessitats de refrigeració del vehicle, una massa del conjunt del sistema i un consum elèctric mínims, incloent el consum dels auxiliars. Addicionalment s'han calculat les prestacions de calefacció de les combinacions òptimes. L'aplicabilitat d'aquest sistema en automòbils s'analitza comparant-la amb la d'un sistema equivalent de compressió de vapor. / Torregrosa Jaime, B. (2016). Modelling and analysis of an air-conditioning system for vehicles based on magnetocaloric refrigeration [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/68503 / TESIS / Premios Extraordinarios de tesis doctorales

This work deals with the structural design of the Stirling engine beta modifications for increasing the thermal efficiency of the regenerator. This work is an attempt to propose a regenerator, or propose ways of working fluid through the heater and the heat exchanger to cool the chamber. All using different design elements. Furthermore, this work deals with stress analysis using computer software.