No description available.

Low-grade heat, either in the form of waste heat or natural heat, represents an extremely promising source of renewable energy. A cost-effective method for recovering the low-grade heat will have a transformative impact on the overall energy scenario. Efficiency of heat engines deteriorates with decrease in hot-side temperature, making low-grade heat recovery complex and economically unviable using the current state-of-the-art technologies, such as Organic Rankine cycle, Kalina cycle and Stirling engine. In this thesis, a fundamental breakthrough is achieved in low-grade thermal energy harvesting using thermomagnetic and thermoelectric effects. This thesis systematically investigates two different mechanisms: thermomagnetic effect and thermoelectric effect to generate electricity from the low-grade heat sources available near ambient temperature to 200°C. Using thermomagnetic effect, we demonstrate a novel ultra-low thermal gradient energy recovery mechanism, termed as PoWER (Power from Waste Energy Recovery), with ambient acting as the heat sink. PoWER devices do not require an external heat sink, bulky fins or thermal fluid circulation and generate electricity on the order of 100s μW/cm3 from heat sources at temperatures as low as 24°C (i.e. just 2°C above the ambient) to 50°C. For the high temperature range of 50-200°C, we developed the unique low fill fraction thermoelectric generators that exhibit a much better performance than the commercial modules when operated under realistic conditions such as constant heat flux boundary condition and high thermally resistive environment. These advancements in thermal energy harvesting and waste heat recovery technology will have a transformative impact on renewable energy generation and in reducing global warming. / PHD / Energy is essential to life. While most living organisms utilize natural resources directly to meet their energy requirements, humans need electricity. Unarguably, electricity has made our lives easy; however, it is an expensive form of energy. Every year, a tremendous amount of fossil fuels is burnt to meet the ever-growing energy demand. While we are concerned due to the escalating energy prices, depleting fossil resources, and negative environmental impact, it is devastating to know that more than half of the useable energy generated from various renewable and non-renewable sources are ultimately discarded to atmosphere as byproduct, mostly in form of wasted heat. Utilizing waste heat, particularly when it occurs at low temperature, is usually complex and cost-ineffective. A cost-effective method for recovering the low-grade heat will have a transformative impact on the overall energy scenario. In this thesis, a fundamental breakthrough is achieved in developing the new/improved thermal energy harvesting methods to generate electricity from low-grade heat.

Nous proposons d'exploiter la convection thermomagnétique, phénomène caractéristique des Ferro fluides, pour améliorer les transferts de chaleur dans les transformateurs. Les équations régissant le système se composent des équations de Navier-Stokes dans l'approximation de Boussinesq, de l'équation de la conservation de l'énergie et des équations de la magnétostatique. Les simulations sont menées avec notre code de recherche parallélisé SFEMaNS (Spectral/Finite Element for Maxwell and Navier-Stokes) pour des géométries axisymétriques, utilisant une décomposition spectrale dans la direction azimutale et des éléments finis de Lagrange dans le plan méridien. Afin de résoudre ce problème spécifique, divers développements sont apportés à SFEMaNS, tels que l'implémentation des forces magnétiques de Kelvin et de Helmholtz. Le code est d'abord appliqué au refroidissement d'un solénoïde dans une cuve cylindrique contenant de l'huile de transformateur ou un ferrofluide à base d'huile de transformateur. Les résultats montrent que l'utilisation du ferrofluide diminue la température maximale du système grâce à la convection thermomagnétique et au changement des propriétés thermophysiques du fluide. L'influence de différents paramètres (fraction volumique de nanoparticules, présence d'un cœur ferromagnétique, propriétés magnétiques des nanoparticules) est étudiée. En particulier, les simulations confirment l'intérêt des nanoparticules magnétiques à faible température de Curie. Nous montrons également sur cet exemple que deux densités de force magnétique égales à un gradient près, telles que les forces de Kelvin et de Helmholtz, donnent le même écoulement. Un bon accord qualitatif est trouvé entre les résultats numériques et expérimentaux utilisant de l'huile de transformateur ou du ferrofluide. Le code est ensuite appliqué au refroidissement d'un système proche d'un transformateur de 40 kVA (20 kV/400 V). Les résultats montrent à nouveau une réduction de la température maximale grâce au ferrofluide. / We propose to make use of thermomagnetic convection, a characteristic phenomenon of ferrofluids, to improve heat transfer in transformers. The governing equations consist in the Navier-Stokes equations under the Boussinesq approximation, the energy conservation equation and the magnetostatics equations. The simulations are performed with the in-house parallel code SFEMaNS (Spectral/Finite Element for Maxwell and Navier-Stokes) for axisymmetric geometries, using a spectral decomposition in the azimuthal direction and Lagrange finite elements in the meridian plane. In order to solve this specific problem, various developments are brought to SFEMaNS, such as the implementation of the Kelvin and Helmholtz magnetic forces. The code is first applied to the cooling of a coil in a cylindrical tank containing either transformer oil or transformer oil-based ferrofluid. The results show that the use of the ferrofluid reduces the maximum temperature in the system due to thermomagnetic convection and the change of the fluid thermophysical properties. The influence of different parameters (volume fraction of nanoparticles, presence of a ferromagnetic core, nanoparticle magnetic properties) is investigated. In particular, the simulations confirm the benefit of magnetic nanoparticles with a low Curie temperature. We also show on this example that two magnetic body forces equal up to a gradient, such as the Kelvin and Helmholtz forces, give the same flow. A good qualitative agreement is found between the numerical and experimental results using transformer oil or ferrofluid. The code is then applied to the cooling of an electromagnetic system close to a 40 kVA (20 kV/400 V) transformer. The results show again a reduction of the maximum temperature when using ferrofluid.

Ce travail de thèse avait pour but de sélectionner et de mettre en forme des matériaux pour la récupération thermomagnétique de la chaleur fatale de basse énergie (T ≤ 232 °C). L’effet thermomagnétique s’explique par la variation de l’aimantation d’un matériau en fonction du champ magnétique appliqué et aussi de sa température. Cet effet permet, au travers de matériaux spécifiques, de convertir l’énergie thermique en énergie magnétique. Ce travail retient quatre types de composés intermétalliques avec des températures de Curie dans la gamme 50-150 °C. Les composés dérivés du ternaire LaFe13-χSiχ et trois séries de composés pseudobinaires Y2Fe17-xCoχ, Fe5-xMnχSn3 et Fe5-xMnχSi3. Les résultats de la littérature montrent que, pour le type LaFe13-χSiχ, la substitution du fer par le cobalt et l’hydruration du composé permettent d’élever la TC jusqu’à la gamme ciblée. Trois nuances ont été commandées au près d’Erasteel, et mises en forme par coulage en bande après mélange avec un polymère. Les autres composés ont été synthétisés au laboratoire. Les propriétés magnétiques et thermomagnétiques des composés ayant une TC dans la gamme ciblée ont été mesurées. Trois nuances de la série Y2Fe17-xCoχ ont été synthétisées en grande quantité et mises en forme par frittage naturel et par SPS. En parallèle des travaux sur les matériaux, un démonstrateur reposant sur le principe de la roue de Curie a été fabriqué. Des simulations thermiques et magnétiques complètent ce travail. Cette dernière partie montre l’importance de la thermique dans les systèmes de récupération thermomagnétique de la chaleur / This PhD work aimed to select and shape suitable materials for thermomagnetic recovery of low energy fatal heat (T ≤ 232 °C). Thermomagnetic effect is explained as a consequence of the magnetic field and temperature dependence of the magnetization. This effect enables specific materials to convert heat into magnetic energy. This work laid emphasis on four types of intermetallic compounds with TC in 50-150 °C range. Derivatives compounds of LaFe13-χSiχ ternary alloy and three pseudo-binaries series Y2Fe17-xCoχ, Fe5-xMnχSn3 and Fe5-xMnχSi3. Publications show that, for LaFe13-χSiχ type, substitution of iron by cobalt and hydruration make the TC rise to the targeted range of temperature. Three nuances have been ordered to Erasteel and shaped by tape casting. All of the other compounds have been synthesized by ourself.Magnetic and thermomagnetic properties of compounds matching the targeted temperature range were measured. We synthesised large quantity of three nuances of Y2Fe17-xCoχ and they were sintered by thermal treatment following cold compression forming or SPS direct method. A thermomagnetic heat recovery demonstrator, relying on the Curie wheel principle, was made in the laboratory. We carried out thermal and magnetic simulations of the thermomagnetic heat recovery system. We enlightened the paramount importance of thermal engineering for the design of thermomagnetic heat recovery systems

Diese Arbeit stützt sich auf die theoretische und experimentelle Untersuchung der Thermodiffusion im Magnetfeld. Bei magnetischen Flüssigkeiten als kolloidalen Suspensionen versteht man unter der Thermodiffusion einen durch einen Temperaturgradienten angestoßenen unidirektionalen Partikeltransport, der zur Separation des Fluids führt. Beschrieben wird die Thermodiffusion theoretisch über das Konzentrationsprofil der Partikel in Abhängigkeit von Zeit und Ort in einer Fluidschicht. Die Experimente detektieren die Separation des Fluids über die Konzentrationsdifferenz zwischen zwei Fluidkammern. Die Bestimmung des Soret-Koeffizienten erfolgt über einen Datenfit zwischen experimentellen und theoretischen Daten. Für das kerosinbasierte Ferrofluid EMG905 wurden zwei Effekte festgestellt. Bei kleinen Magnetfeldstärken wandern die Partikel zum kalten Rand der Schicht (ST>0), bei steigenden Feldstärken kehrt sich diese Richtung um (ST<0). Die Ergebnisse der Untersuchungen zur Thermodiffusion gehen dann in eine lineare Stabilitätsanalyse einer Ferrofluidschicht bei anliegendem Temperaturgradienten und Magnetfeld ein. Dabei wird festgestellt, dass die kritische Rayleigh-Zahl als charakteristische Größe zum Einsetzen von Konvektion von dem Soret-Koeffizienten abhängt. Ist letzterer positiv, wird das Einsetzen von Konvektion begünstigt, ist er wiederum negativ, so kann Konvektion vollständig unterdrückt werden.

Diese Arbeit stützt sich auf die theoretische und experimentelle Untersuchung der Thermodiffusion im Magnetfeld. Bei magnetischen Flüssigkeiten als kolloidalen Suspensionen versteht man unter der Thermodiffusion einen durch einen Temperaturgradienten angestoßenen unidirektionalen Partikeltransport, der zur Separation des Fluids führt. Beschrieben wird die Thermodiffusion theoretisch über das Konzentrationsprofil der Partikel in Abhängigkeit von Zeit und Ort in einer Fluidschicht. Die Experimente detektieren die Separation des Fluids über die Konzentrationsdifferenz zwischen zwei Fluidkammern. Die Bestimmung des Soret-Koeffizienten erfolgt über einen Datenfit zwischen experimentellen und theoretischen Daten. Für das kerosinbasierte Ferrofluid EMG905 wurden zwei Effekte festgestellt. Bei kleinen Magnetfeldstärken wandern die Partikel zum kalten Rand der Schicht (ST>0), bei steigenden Feldstärken kehrt sich diese Richtung um (ST<0). Die Ergebnisse der Untersuchungen zur Thermodiffusion gehen dann in eine lineare Stabilitätsanalyse einer Ferrofluidschicht bei anliegendem Temperaturgradienten und Magnetfeld ein. Dabei wird festgestellt, dass die kritische Rayleigh-Zahl als charakteristische Größe zum Einsetzen von Konvektion von dem Soret-Koeffizienten abhängt. Ist letzterer positiv, wird das Einsetzen von Konvektion begünstigt, ist er wiederum negativ, so kann Konvektion vollständig unterdrückt werden.