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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.

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. 
 

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.

Agradecimientos
Estamos gratos a la Direction Générale de l’Enseignement Supérieur du canton de Vaud, Suiza, el Office Fédéral de l’Energie (OFEN) - Suiza, INTERREG Iva y la Haute Ecole de Suisse Occidentale (HES-SO). Agradecemos su apoyo financiero.

Fuente: University of Applied Sciences of Western Switzerland

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Referencias

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