O. SARI (1), M. BALLI (1), C. MAHMED (1), CH. BESSON (2), PH. BONHOTE (3), J. FORCHELET (3)
Universidad de Ciencias Aplicadas de Suiza Occidental
(1) Instituto de Ciencias e Ingeniería Térmica
(2) Instituto IESE
(3) Instituto COMATEC
CH-1401 Yverdon-les-Bains, Suiza
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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.

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.

(Continua)

Referencias

[1] E. Warburg, Ann. Phys. (Leipzig), 13 (1881)141

[2] P. Debye, Ann. Phys. 81 (1926)1154

[3] W. F. Giauque, J. Am. Chem. Soc. 49 (1927)1864

[4] W F Giauque and D P MacDougall, Phys. Rev. 43 (1933) 768

[5] G. V. Brown, JAP, 47 (1976) 3673

[6] C. Zimm, A. Jastrab, A. Sternberg, V. K. Pecharsky, K. Gschneidner Jr, M . Osborne

and I. Anderson Adv.Cryog. Eng. 43 (1998)1759

[7] A. Rowe, Performance Metrics for Active Magnetic Refrigerators, Third IIF-IIR

International Conference on Magnetic Refrigeration at Room Temperature, Des Moines,

Iowa, USA, May 11-15, 2009.

[8] A. Kitanosvski, C. Gonin, D. Vuarnoz, O. Sari, P. W. Egolf, A Standardization of the

coefficient of performance for magnetic refrigerators, heat pumps and energy

conversation machines, Third IIF-IIR International Conference on Magnetic

Refrigeration at Room Temperature, Des Moines, Iowa, USA, May 11-15, 2009.

[9] C. Zimm, S. Russek, Near Room temperature magnetic refrigeration : The Path to

Applications, Third IIF-IIR International Conference on Magnetic Refrigeration at

Room Temperature, Des Moines, Iowa, USA, May 11-15, 2009.

[10] C. Zimm, A. Boeder, J. Chell, A. Sternberg, A. Fujita, S. Fujieda, K. Fukamichi, Int. J.

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[11] K.A. Gschneidner, Jr., V.K. Pecharsky, Int. J. Refrig., 31 (2008) 945.

[12] V.K. Pecharsky, and K.A. Gschneidner., Jr. Phys. Rev. Lett. 78 (1997) 4494.

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[16] M. Balli, D. Fruchart and D. Gignoux, J. Phys.: Condens. Matter. 19 (2007) 236230.

[17] S. J. Lee, J.M. Kenkel, and D.C. Jiles, IEEE. Trans. Magn, 38 (2002) 2991.

[18] C. Vasile and C. Muller, Inter. Jr. Ref, 29 (2006)1318–1326.

[19] A.M. Tishin and Yu.I. Spichkin, The Magnetocaloric Effect and Its Applications, IOP

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