Réfrigérateur à élastiques

<note tip> Début du projet : 10/01/2020
Fin du projet : 14/05/2020
Voici notre article complet. Il comporte deux pages de documents supplémentaires.

En cliquant ici, vous accéderez à notre vidéo de présentation. Et ici vous pouvez trouver les réponses que l'on a proposées à trois questions portant sur notre étude.</note>

• *Membres de l’équipe : * BACRY Marin (marin.bacry@etu.sorbonne-universite.fr) * DA COSTA Thomas (thomas.da_costa.1@etu.sorbonne-universite.fr) * DE PIHNO DIAS Nicolas (nicolas.de_pinho_dias@etu.sorbonne-universite.fr) * DOUIN Gaspard (gaspard.douin@etu.sorbonne-universite.fr) * FLAHARTY Jessy (jessy.flaharty@etu.sorbonne-universite.fr) Enseignant référent : ANTOINE Charles (antoine@lptmc.jussieu.fr) ===== Introduction au projet ===== ==== Objectifs ==== Nous cherchons à étudier l’effet élastocalorique d’élastiques en caoutchouc appliqué à un système de refroidissement (« réfrigérateur à élastique »). Nous chercherons notamment à construire notre modèle à partir de la vidéo https://www.youtube.com/watch?v=lfmrvxB154w, afin d’avoir une référence pour une approche quantitative du problème. ==== L'effet élastocalorique ==== Les matériaux élastocaloriques tels que le caoutchouc sont des solides dont la température varie sous l'application et la libération d'une contrainte mécanique : lorsqu'on les tend adiabatiquement, leur température augmente ; lorsque l'on relâche la contrainte, ils se refroidissent. Voici une illustration à l'échelle microscopique de l'effet élastocalorique pour des polymères tels que le caoutchouc, que l'on peut retrouver dans la thèse de Z. J. Xie. Nous chercherons alors à utiliser cet effet afin d'apporter une source froide au sein d'une enceinte fermée (détente de l'élastique) et à avoir une source de chaleur chaude à l'extérieur de cette enceinte (élastique tendu). ===== Diagramme de Gantt ===== ===== Journal de bord ===== Ici nous écrirons en détails tout ce que nous avons fait durant ces semaines de projet. Les extraits les plus pertinents seront résumés et appronfondis dans les parties suivantes. Journal de bord ===== Étude théorique ===== Vous trouverez ici des modèles élaborés afin de décrire notre système : un modèle de thermostatistique pour décrire la variation de température d'un élastique, un modèle de transfert thermique pour caractériser les échanges de chaleur entre notre machine et l'extérieur, et un modèle permettant de déterminer la vitesse de rotation de la roue selon nos conditions expérimentales. ===== Travail expérimental ===== Vous trouverez ici une description de nos expériences visant à caractériser la variation de température des élastiques en caoutchouc naturel grâce à l'effet élastocalorique, du protocole aux résultats. Ces expériences ont notamment déterminé notre choix d'élastique pour la machine et les dimensions qu'elle devrait avoir, ainsi que la nécessité d'un temps d'homogénéisation. Vous trouverez ici une description de l'élaboration du prototype , de la recherche bibliographique sur les matériaux aux dimensions du système et aux machines alternatives envisagées. Cette partie explique tout notre processus de réflexion, il est important de la lire pour comprendre la forme finale du prototype. Vous trouverez ici les étapes de construction de notre prototype et sa version finale, avec des schémas pour le décrire. ===== Brouillon ===== Ici l'on peut trouver le brouillon de notre article. ===== Bibliographie ===== RÉFÉRENCE VIDÉO : * A refrigerator that works by stretching rubber bands, Ben Krasnow, Applied Science, 2016 ÉTUDE LA PLUS UTILE : * Effet élastocalorique dans le caoutchouc naturel, Zhong Jian Xie, 2016 $$ $$ Élasticité et Effet élastocalorique : * Compréhension des mécanismes de cristallisation sous tension des élastomères en conditions quasi-statiques et dynamiques, Nicolas Candeau, 2014 * Effet élastocalorique dans le caoutchouc naturel et le terpolymère : mécanismes responsables de la variation de température et bilan énergétique sous déformation, Yukihiro Yoshida, 2016 * Modélisation de la cristallisation des élastomères sous sollicitation mécanique par champ de phase, Rabia Laghmach, 2014 J'ai enlevé les liens qui parlent de l'élasticité “non linéaire” des élastiques parce que c'était trop “peu sérieux”. Il nous faudrait une référence ou n'importe quoi d'autre (démonstration ?) pour dire qu'on ne peut pas utiliser la loi de Hooke. * Thermal Fluctuations and Rubber Elasticity Xiangjun Xing et al. 2007 * Vulgarisation de l'effet Article sur un système élastocalorique utilisant un alliage métallique à mémoire de forme (et donc pas des élastiques en caoutchouc) Le système de tension/détente et d'échange thermique réalisé est toutefois intéressant (je vais retrouver les images) * A review of elastocaloric cooling: Materials, cycles and system integrations Suxin Qian et al. La conclusion, la fin de l'article est cependant intéressante parce qu'elle porte sur la réalisation de systèmes à réfrigération élastocalorique et donne des conclusions sur des prototypes réalisés par le passé. Citation en fin de papier sur les systèmes de réfrigération élastocalorique utilisant des élastiques en caoutchouc. ELLE EST SIGNIFICATIVE DES DIFFICULTES PHYSIQUES DE REALISATION “It is also worthy to mention that heat pumps with elastomers have also been reported in the past. The major drawback is the lifetime of elastomers. A proof-of-concept single-crankdriven prototype using rubber band was built and the system temperature lift was reported to be around 1 K (Gerlach et al.,2002). It was also claimed that the friction between the rubber and other parts resulted in non-trivial heat generation and neutralized significant amount of available cooling. A summary of the development of elastomer heat pumps is available by Fischeret al. (1994). Based on the current state-of-the-art, a few prospects for the next generation elastocaloric cooling prototypes are proposed. * Air should not be used as a primary HTF. * HTF involved, at least HTF for HR/regeneration. * Compression mechanism to achieve low hysteresis and better fatigue life (Chluba et al., 2015). * Work recovery with conjugated SMA bed design as a standard feature. * Minimum friction in any design. * High cycling frequency (>0.5 Hz). * Both mobile SMA with steady HTF network or stationary SMA with cyclic HTF network should be further investigated.” aussi “As pointed byOssmer et al. (2015), air has a very large heattransfer time constant, and should not be used as a HTF.” HTF désigne Heat Transfer Fluid, le fluide servant à faire l'échange thermique avec l'objet à refroidir. Notre HTF est l'air par simplicité de système. HR, Heat Recovery et aussi en page 17, la table 4 listant les problèmes à surmonter pour réaliser un bon prototype (je ne mets pas l'image ici, c'est surtout pour se repérer sur le document et travailler dessus). Une des études dont la première citation fait référence, le système qui donne la baisse de température de 1 K. * Analysis Of Elastomer Refrigeration Cycles Gerlach et al. Il y a une petite analyse thermodynamique qui je crois ne nous correspond pas (isothermique), et des infos intéressantes pour l'intro dans la partie Backhround Les modèles de cristallisation font tous référence à celui de Flory. Il est décrit ici, mais j'ai du mal à le lire aussi, personnnellement * P. Flory, Molecular Theory of Rubber Elasticity, 1984 * Nematic elastomers: From a microscopic model to macroscopic elasticity theory, Xiangjun Xing et al, 2008 La description mathématique dans l'article est plus difficile, je pense qu'on pourrait s'en passer, mais à vous de voir. Et pour ça, je ne pense pas qu'on en ait besoin non plus mais je vous le laisse pour que vous puissiez confirmer https://en.wikipedia.org/wiki/Rubber_elasticity * Documents que l'on aurait voulu voudrait obtenir (ils n'ont pas de DOI tel que l'on puisse les obtenir via sci-hub): https://bibnum.ensta.fr/6705/; https://www.jstor.org/stable/24927777?seq=1 THE AMATEUR SCIENTISTC. L. Stong Scientific American Vol. 224, No. 4 (April 1971), pp. 118-124 $$ $$ Influence de la torsion : Article : https://www.scientificamerican.com/article/a-simple-twist-of-thermodynamics-could-lead-to-greener-refrigeration/ Papier plus détaillé : Résumé par ce site internet, publié dans le journal Science, accessible ici. $$ $$ Modèle entropique, limites du modèle de la chaîne idéale, contributions extérieures au modèle entropique : * Article de vulgarisation avec explication simple mais efficace du modèle entropique * TP contenant un modèle de chaine entropique * Modèle de chaine entropique * Courbes modèle entropique * Non-gaussian chain statistics and finite extensibility in liquid crystal elastomers (Jamie M. Taylor, 2016) * Entanglement effects in elastomers : macroscopic vs microscopic properties (Sandra Schlögl et al., 2014) * Matériaux polymères : propriétés mécaniques et physiques (Hans-Henning Kausch, Nicole Heymans, Christopher John PLUMMER, Pierre Decroly) * Julie Diani, Bruno Fayolle, Pierre Gilormini. A review on the Mullins effect. European PolymerJournal, Elsevier, 2009, pp.601-612 $$ $$ Transfert et conductivité thermique : * Module de Young * Conductivité thermique du PMMA * Conductivité thermique du bois : * source 1 * source 2 * source 3 * Conductivité thermique de la laine de verre : * source 4 * source 5 * Cours sur le coefficient d'échange h * Cours de transfert thermique de Sophie Mergui, Sorbonne Université : Conduction Convection