Máquina de enfriamiento magnética

 

 

Máquina de enfriamiento magnética

Máquina de enfriamiento magnética para aplicación domestica

Resumen

En este trabajo se presenta un nuevo tipo de refrigerador magnético alternativo  trabajando con imanes de alta remanencia y permanentes como la fuente del campo magnético. El campo magnético simulado y medido en el espacio de aire de la máquina es de unos 1,45 Tesla. Inicialmente, el metal gadolinio (Gd) fue utilizado como refrigerante magnetocalórico. Sus actuaciones magnetocalóricas y su calidad se verificaron experimentalmente en un banco de pruebas desarrollado y confirmado por los cálculos teóricos basados en la teoría de campo medio (MFT). Para alcanzar altos valores de la diferencia de temperatura entre el calor y las fuentes de frío (rango de temperatura), un nuevo tipo de ciclo de Activo de la Refrigeración Magnética (AMR) se llevó a cabo. Sin embargo, con el fin de reducir el consumo de energía y luego incrementar el rendimiento termodinámico del sistema magnético, una configuración especial de los materiales magnetocalórico es desarrollada. Los resultados numéricos de las fuerzas magnéticas aplicadas en la nueva configuración se dan y son analizadas en detalle. La máquina desarrollada está diseñada para producir una potencia de refrigeración entre 80 y 100 Vatios con un rango de temperatura de más de 20°C. Los resultados obtenidos demuestran que el enfriamiento magnético es una alternativa prometedora para reemplazar los sistemas tradicionales.

Palabras clave: refrigeración magnética, efecto magnetocalórico, sistema de refrigeración magnético, la optimización del sistema, la refrigeración magnética activa,

1. Introducción

El impacto de los refrigerantes sintéticos en el medio ambiente, así como las obligaciones de seguridad jurídica impulsan la industria de la refrigeración a buscar nuevas formas de eliminación por completo de los gases de efecto invernadero o para disminuir su carga en numerosas instalaciones. Con el fin de se libertar de los refrigerantes sintéticos, las industrias están continuamente en busca de nuevas tecnologías respetuosas del medio ambiente y adecuadas que permitirán el alto ahorro de energía, por lo tanto la reduccir las emisiones indirectas de CO2. Durante los últimos quince años, ambos, a saber, la reducción de la carga de los refrigerantes en las instalaciones y el uso de los refrigerantes recursos naturales, no inflamables, respetuosos del medio ambiente han sido las opciones preferidas por muchos usuarios finales. La investigación sobre tecnologías de refrigeración del futuro se orienta en la tecnología de refrigeración indirecta como por ejemplo, Cambio de Fase de Lechadas (PCS), la tecnología de compresor de vapor CO2, la refrigeración termoeléctrica, refrigeración termo-acústica y refrigeración magnética (RM).

Desde el descubrimiento de la alta polarización de imanes permanentes de Nd-Fe-B, el efecto magnetocalórico gigante en Gd5Ge2Si2 y la evolución  del rendimiento superior de los sistemas de refrigeración magnéticos cerca de la temperatura de la sala, estudios intensivos fueron motivados sobre los materiales magnetocalóricos y dispositivos de refrigeración magnéticos. La refrigeración magnética (RM) se basa en el efecto magnetocalórico (MCE). Esta propiedad intrínseca de algunos materiales magnéticos fue descubierta por Warburg en 1881 [1]. Se define como la respuesta de algunos materiales magnéticos a un campo magnético variable que se manifiesta como lo cambio de la entropía isotérmica  _s y cambio de temperatura adiabática _Tad (ver Fig. 1). Cuando un campo magnético se aplica a material magnético cerca de la región de fase de transición, los momentos magnéticos cambian su estado de pedidos y como consecuencia la entropía magnética. En condiciones adiabáticas, este cambio en la entropía magnética se compensa con una modificación en parte  de la red (vibración de átomos) de la entropía total que aumenta o disminuye la temperatura del material dependiendo del signo del campo aplicado y la naturaleza de orden magnética en el refrigerante.

Figura 1: Cambio de temperatura adiabática con magnetización por gadolinio puro

El origen de la MCE se explicó de forma independiente por Debye y Giauque [2, 3], y señaló que las bajas temperaturas podrían ser alcanzadas mediante una sal paramagnética. En 1933 [4], Giauque y MacDougall han logrado con éxito temperaturas por debajo de 1 Kelvin por el uso de la desmagnetización de la refrigeración. Brown fue el primero en demostrar la viabilidad del RM cerca de la temperatura ambiente [5]. En 1976, obtuvo una diferencia de temperatura de 46 K entre el extremo caliente y frío de un refrigerador sencillo con usando 158 g de metal gadolinio y un campo aplicado de 7 Tesla. El fluido portador que consiste en una mezcla de 80% de agua y 20% de alcohol etílico solución fue utilizada como fluido de transferencia de calor. En comparación con la refrigeración clásica, la refrigeración magnética es una técnica segura en relación al medio ambiente (ausencia de CFC y HCFC) con muchas ventajas, tales como eficacia alta, poco ruido, baja presión y configuración compacta.

La moderna tecnología de refrigeración magnética nació cuando Zimm et al desarrollaron máquinas que operaban con éxito demostrando que esta tecnología es viable y competitiva para aplicaciones de uso doméstico e industrial a gran escala. La primera prueba (alternativo) operada con un campo magnético de 5 Tesla con un imán superconductor [6]. Con 10 K de rango de temperatura (entre 281 y 291 K), él alcanzó una potencia de refrigeración de 600 W, un coeficiente de rendimiento (COP), de 10 y máximo de 60% del rendimiento de Carnot. El  COP representa una relación entre la energía de enfriamiento (Qcool) y la entrada total de energía (W). Vale la pena señalar que el COP del refrigerador tradicional es de 30 a 40% de eficiencia de Carnot [7, 8 y 9].

El segundo prototipo desarrollado por Zimm et al [10] fue una máquina rotativa trabajando con algunos compuestos raros a base de tierra como refrigerante magnetocalórico magnetizado y desmagnetizado a través de un campo magnético de 1.5 Tesla producido por una fuente magnética basado sobre imanes permanentes de Nd-Fe-B (PM). La potencia de refrigeración obtenida fue de 50 W a 0 K de rango de temperatura y 25 K como la diferencia de temperatura máxima entre la fuente caliente y fría. Más tarde, varios manifestantes fueron reportados en la literatura. Para obtener más información, consulte Gschneidner et al [11].

El material magnetocalórico es una clave importante para el desarrollo de la tecnología de la refrigeración magnética. Sin embargo, hasta hoy el principal material utilizado en prototipos de refrigeración magnética es el metal de gadolinio (Gd) y sus aleaciones. Esto se atribuye esencialmente a su buen desempeño magnetocalórico a temperatura ambiente, buenas propiedades mecánicas, baja histéresis, la disponibilidad en el mercado y su capacidad para responder a las varias necesidades de ingeniería. Sin embargo, el elevado coste y la inestabilidad química limitan el uso de Gd como refrigerante en una aplicación a gran escala. Con el objetivo de sustituir a Gd, un gigante MCE fue descubierto en materiales de transición de primer orden Gd5(Ge1-xSix)4 [12]. Unos años más tarde, varias otras familias de materiales MC fueran informados y encontrados presentando alto nivel de MCEs en grandes rangos de temperatura:: desde la temperatura ambiente a las bajas temperaturas. Estos incluyen series como MnAs1-xSbx [13] MnFeP1-xAsx [14], LaFe13-xSix [15, 16]  y sus derivados. Desde el punto de vista práctico, los materiales LaFe13-xSix parecen ser los más prometedores en los sistemas de refrigeración magnética debido a su alta MCE, bajo costo y baja histéresis. En nuestro laboratorio, muchos esfuerzos se centran en el desarrollo, la mejora y la aplicación de esta familia, en colaboración con socios industriales y académicos. En este trabajo se presentan los resultados iniciales de un sistema de refrigeración magnética preindustrial. Esta máquina fue diseñada y desarrollada teniendo en cuenta el diseño, mercado y los requisitos de rendimiento termodinámico.

2. Fuente del campo magnético

Además de los refrigerantes magnéticos, la optimización de los imanes permanentes para generar un alto campo magnético es una clave importante para el desarrollo de tecnologías de refrigeración magnética. En los sistemas de refrigeración magnética, la fuente del campo magnético es equivalente al compresor en los sistemas de ciclo de compresión convencional. En los sistemas magnéticos, cuanto mayor es el campo magnético generado, mayor es la temperatura y el cambio de entropía de la sustancia de trabajo y como consecuencia el sistema más potente puede ser. Considerando el rendimiento magnetocalórico de los materiales disponibles, un campo magnético aplicado superior a 1 Tesla es necesario.

Figura 2: Distribución del campo magnético a lo largo del eje de la fuente magnética dada para diferentes valores de altura de aire vacío.

Para aplicaciones industriales, es decir, refrigeradores del supermercado, aire acondicionado de edificio, licuefacción de gas, etc, imanes superconductores se pueden utilizar para alcanzar el nivel de inducción hasta 8-10 Tesla con la restricción de utilizar helio líquido o un cryocooler para mantener la bobina superconductora, cerca de 4 K. Sin embargo, como ha señalado Gschneidner et al [11] para aplicaciones domésticas y pequeños sistemas de refrigeración, el imán superconductor está fuera de cuestión y el diseño de matrices de imanes permanentes de bajo costo con alta inducción es un aspecto importante de la comercialización de RM en el mercado de consumo. Con las máquinas PM, la energía térmica es inducida sin consumo de electricidad, sólo se requiere un actuador para magnetizar y desmagnetizar los materiales magnetocalóricos. En la literatura, varios tipos de fuentes de flujo magnético se informaran [17, 18]. Para lo que fue desarrollado por Lee et al [17], el campo magnético de un PM con abertura lateral puede asistir a 3 T con un espacio de aire de 5,8 mm.

Para la máquina que se presenta aquí, una fuente magnética innovadora es desarrollada y diseñada. A última se basa en un teorema de rotación modificado por Halbach y se puede utilizar para ambos: sistemas magnéticos alternativos y rotatorios. En el primer paso del proceso, empezamos el diseño optimizado de la geometría de la nueva fuente estudando teóricamente esta estructura como una función del espacio del aire, imanes, densidad de flujo de remanencia, etc

Debido a la complejidad de la estructura geométrica y la presencia de diferentes materiales magnéticos blandos, las formulaciones analíticas están fuera de cuestión. A tal efecto, las simulaciones numéricas del campo magnético generado se llevaron a cabo. En este trabajo, el programa Flux3D de elementos finitos fue utilizado para simular el campo magnético en el circuito PM. Flux3D se basa en un código Fortran que se ejecuta en ambos sistemas operativos Unix y Windows. Utiliza las ecuaciones de Maxwell como base para determinar el potencial magnético en condiciones estáticas sobre la base de esta ecuación:

Donde μ es la permeabilidad magnética relativa y Mr es la remanencia. El potencial magnético obtenido permite los cálculos de todas las cantidades magnéticas en cualquier punto del espacio.

Figura 3: Distribución del campo magnético a lo largo del eje de la fuente magnética en función de imán de longitud.

Figura 4: Campo magnético calculado y medido a lo largo del eje de la fuente magnética (L = 120 mm, h = 12 mm)

En este estudio, el campo magnético se ha calculado en función de la longitud y la altura del espacio de aire de la fuente magnética. La estructura del imán es diseñado sobre la base de Nd-Fe-B. Los imanes permanentes tienen una mayor remanencia de alrededor de 1,45 Tesla. Con el fin de estudiar y optimizar los parámetros estructurales, la altura h del espacio de aire se varió entre 10 mm a 22 mm para una longitud fija L = 120 mm y el último fue cambiado de 120 mm a 200 mm para h = 12 mm . La fuerza de la inducción magnética a lo largo orientación y en el centro del espacio de aire se da en las figuras 2 y 3. Como se muestra en las figuras, la estructura geométrica de los imanes permanentes se pueden adaptar fácilmente dependiendo de la aplicación requerida. El campo magnético inducido es muy sensible a la altura del espacio de aire y aumenta casi linealmente al disminuir h. Mientras, la longitud de la fuente magnética influye ligeramente el campo magnético en el espacio de aire. Para el prototipo desarrollado aquí, la fuente de campo del espacio de aire aprobada tiene una cruz de 12 mm x 50 mm y una longitud de 120 mm. La inducción calculada en el centro del imán por el Flux 3D es de aproximadamente 1,44 Tesla. Para comprobar la validez de los campos magnéticos obtenidos por simulaciones 3 D, hemos medido la densidad de flujo magnético generado con la sonda Hall. Los resultados de las mediciones se compararán con los datos numéricos se muestran en la figura 4. La comparación indica el acuerdo muy bueno de resultados que confirma la capacidad de Flux3D evaluar el campo magnético en los mismos sistemas.

3. Refrigerante magnetocalórico: gadolinio

La elección del refrigerante magnetocalórico es de gran importancia ya que influye fuertemente el rendimiento termodinámico de la máquina de refrigeración. Gadolinio puro es el único material utilizado en la mayoría de los prototipos de refrigeración magnética. Esto se atribuye esencialmente a su importante MCE, su capacidad para responder a varios requisitos de ingeniería y a la disponibilidad en el mercado.

En primer lugar, hemos utilizado placas planas refrigerantes Gd en nuestra máquina. Las propiedades hermomagnéticas de Gd tal magnetización, entropía, cambio de temperatura adiabática y calor específico se estudiarán ampliamente y fueran reportados en la literatura [19]. Sin embargo, antes de colocar el material en la máquina, hemos medido las prestaciones magnetocalóricas en condiciones prácticas de funcionamiento con un set-up desarrollado en nuestro laboratorio. Este sistema permite la medición del cambio de la temperatura cercana de la temperatura ambiente en una inducción magnética alrededor de 2 Tesla.

Los resultados de medición se dan en la figura 5 (Gd: 2 mm). Los T_ normalizados obtenidos con respecto al campo magnético es de aproximadamente 2 K/ T que es comparable con lo reportado en la literatura [19].

Con el fin de estudiar el efecto de desmagnetización de las propiedades magnetocalóricas de Gd varias mediciones _T se realizaron en las hojas de gadolinio con diferentes espesuras y el campo magnético se aplicó perpendicularmente a la superficie de las placas. El cambio de temperatura de tres placas con una espesura de 0,3 mm, 1 mm y 2 mm se compara en la figura 5. Podemos observar que el MCE de Gd se reduce drásticamente al disminuir el espesura de la chapa de 2 para 0,3 mm.

Figura 5: Efecto del campo de desmagnetización de las propiedades magnetocalóricas de Gd (menores de 2 T).

Esta diferencia se atribuye al efecto de desmagnetización debido a la forma de la muestra. La aplicación de un campo perpendicular a la superficie del material induce un campo interno en la dirección inversa llamado campo de desmagnetización. Este último anula una parte del campo aplicado lo que reduce el campo interno total del material magnetocalórico y disminuye como consecuencia las actuaciones magnetocalóricas. Para evitar el efecto de desmagnetización en nuestra máquina, las placas se colocaron en paralelo al campo aplicado.

4. Descripción del refrigerador magnético y los resultados preliminares
Una vista general de la máquina de refrigeración magnética diseñada se presenta en la figura 6. El aparato experimental se compone de dos fuentes magnéticas permanentes produciendo alrededor de 1,45 Tesla, dos regeneradores con placas de Gd, cuatro intercambiadores de calor.

El regenerador se divide en dos partes, cada parte contiene placas planas Gd de 1 mm de espesor y 100 mm de longitud, correspondientes a cerca de 400 gramos de gadolinio.

Figura 6: Una vista de la máquina de refrigeración magnética desarrollada.

Figure 7: Las fuerzas magnéticas calculadas para los bloques 1 y 2 en el regenerador

El trabajo magnético constituye una gran parte de la energía absorbida totalmente por el sistema de refrigeración magnética. Además, la reducción de las fuerzas magnéticas es de gran importancia para el desarrollo de máquinas de alta eficiencia. Para ello y con el objetivo de compensar a las fuerzas magnéticas, el regenerador se dividió en dos partes separadas por una distancia de unos 30 mm. Figura 7 muestra la diferencia entre las fuerzas magnéticas calculada numéricamente para 1 y 2 bloques de Gd.

Como se muestra en la figura 7, la fuerza magnética se puede disminuir drásticamente cuando se utiliza un lecho constituido por dos bloques de Gd. Los cálculos numéricos desarrollados en la figura 7 se confirmaron experimentalmente por mediciones realizadas en la máquina aquí reportada. Un estudio detallado de las fuerzas magnéticas en sistemas de refrigeración magnética se publicará en una próxima comunicación.

El rango de temperatura entre los extremos frío y caliente se amplificó mediante especiales ciclos termodinámicos llamados regeneración de refrigeración magnética activa (AMR) [19]. Estos ciclos se dividan en cuatro pasos:

• magnetización de los materiales magnéticos induciendo el calentamiento;
• flujo de un líquido de la fuente fría a la fuente de calor para evacuar el calor: la temperatura del flujo aumenta y el calor generado por el material MC se quita y evacua en la dirección del extremo caliente;
• desmagnetización del material cuando se retira del campo magnético, lo que conduce al aumento potencial de la entropía magnética, disminuyendo la temperatura del refrigerante;
• flujo del fluido de transferencia de calor a la fuente fría a fin de evacuar la energía de enfriamiento.

El proceso de funcionamiento de la AMR se puede controlar mediante el ajuste del movimiento del actuador y la válvula. La frecuencia de operación del ciclo fue de 0,5 Hz.

La figura 8 muestra un ejemplo de los resultados de los datos experimentales. En cada fuente de calor, la temperatura cambia progresivamente a un valor límite en el estado estacionario. Después de varios ciclos de AMR, el rango de temperatura máxima alcanzada entre los extremos de frío y en caliente es de unos 12°C.

El rango de temperatura relativamente bajo se atribuye esencialmente a las malas propiedades térmicas del fluido caloportador. El Basylon se utilizó especialmente para proteger a la cama Gd de la corrosión y la oxidación.

Figura 8: Rango de temperatura: resultados experimentales para f = 0,5 Hz y Basylon como fluido de transferencia de calor.

Sin embargo, los resultados preliminares muestran que al utilizar agua o Zitrec como fluidos de transferencia de calor, una diferencia de temperatura de alrededor de 22°C se puede alcanzar. Más detalles acerca de la máquina con los parámetros optimizados se comunicará en el futuro.

5. Conclusiones y trabajo futuro
Un sistema de refrigeración magnético permanente alternativo lineal ha sido diseñado y construido. El gadolinio se utiliza como primero material magnetocalórico de ensayo, pero otros materiales son considerados para la prueba, en particular, los compuestos basados en NaZn13. Sin embargo, se dedicó mucho esfuerzo a fin de hacer la máquina desarrollada más compacta, para obtener la inducción magnética suficiente en la cámara de aire (1.45 Tesla) y reducir las fuerzas magnéticas que actúan sobre el refrigerante magnetocalórico durante el proceso de magnetización-desmagnetización. Las pruebas preliminares de la máquina se realizaron y fueron obtenidos resultados alentadores. Para investigar el dispositivo, se ejecutarán más experiencias y un informe detallado acerca de la máquina con los parámetros optimizados se comunicará en el futuro.

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