Contribution à l’analyse thermique d’un dispositif de réfrigération magnétique pour la liquéfaction de l’hydrogène

Abstract

L’hydrogène, sous la pression atmosphérique, devient liquide à 20.3K. Sa liquéfaction nécessite l’extraction d’une quantité de chaleur de 4914 kJ/kg. Cette liquéfaction est réalisée par des cycles conventionnels, basé sur la compression et la détente d’un gaz, ou par des effets magnétocaloriques (EMC) de certains matériaux magnétiques, à travers des cycles appelés cycles à régénération magnétique actives (cycles AMR). C’est dans ce contexte que la présente étude a été réalisée afin d’étudier la faisabilité d’appliquer la réfrigération magnétique à la liquéfaction de l’hydrogène. Elle porte essentiellement sur l’analyse thermique et l’évaluation des performances d’un dispositif magnétique pour la liquéfaction de l’hydrogène. Un tel dispositif est composé de plusieurs cycles AMR placés en cascade (système à multi-étages). La première partie du travail a été consacrée à la modélisation du cycle AMR en considérant les équations de conservation de l’énergie entre le fluide et le matériau magnétique (lit régénérateur). A cet effet, un code numérique, basé sur la méthode des différences finies, a été développé pour résoudre le modèle mathématique résultant et déterminer la puissance frigorifique générée par le cycle. Dans la deuxième partie, une analyse approfondie du liquéfacteur magnétique a été menée. Le nombre d’étages, le volume du matériau magnétique à mettre en place ainsi que l’efficacité du système ont été évalués. Le modèle numérique a été couplé avec une méthode de simulation permettant l’utilisation du code de simulation commercial Aspen Hysys afin d’établir rapidement et rigoureusement les bilans de matière et énergétiques. Le travail a été conclu par une comparaison avec un système de liquéfaction conventionnel (cycle de Claude). Pour un liquéfacteur AMR composé de 6 étages opérant avec des matériaux magnétiques purs (Gd, Dy, Tb et Ho), le coefficient de performance (COP) trouvé est de 0.096. Cette valeur est très proche de l’efficacité du cycle de Claude étudié et pour lequel un COP de 0.106 a été trouvé.