Estudio sobre sistemas de refrigeración magnéticos basados en el efecto magnetocalórico

Equation Chapter 1 Section 1 Proyecto Fin de Grado Ingeniería de Tecnologías Industriales Estudio sobre sistemas de refrigeración magnéticos basados en el efecto magnetocalórico Autor: Ignacio Martínez-Cañavate Velo Tutor: Juan Francisco Coronel Toro Dpto. Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2021 iii Proyecto Fin de Grado Ingeniería de Tecnologías Industriales Estudio sobre sistemas de refrigeración magnéticos basados en el efecto magnetocalórico Autor: Ignacio Martínez-Cañavate Velo Tutor: Juan Francisco Coronel Toro Profesor titular Dpto. de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2021 v Proyecto Fin de Carrera: Estudio sobre sistemas de refrigeración magnéticos basados en el efecto magnetocalórico Autor: Ignacio Martínez-Cañavate Velo Tutor: Juan Francisco Coronel Toro El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2021 El Secretario del Tribunal Agradecimientos A mi familia por apoyarme durante este duro trayecto y haber confiado en mí. A mis profesores, especialmente a aquellos que fomentan a los alumnos curiosos porque son ellos los que, sin saberlo, animan a los alumnos a seguir. Y finalmente a mis amigos porque sin ellos todo hubiera sido bastante menos divertido. Ignacio Martínez-Cañavate Velo Grado en Ingeniería de Tecnologías Industrales Sevilla, 2021 vii Resumen En este trabajo de fin de grado se realiza un estudio de los sistemas de refrigeración magnética partiendo desde el principio físico que lo sustenta, el efecto magnetocalórico y su aplicación a ciclos termodinámicos detallando el funcionamiento de las máquinas que aprovechan dicho efecto y definiendo los criterios de selección de sus distintas partes. Seguidamente, se definen las ecuaciones que modelan el sistema de forma simplificada y se realiza una revisión del estado del arte de la tecnología, apoyándose en los protototipos más recientes y en los costes tanto operativos como de adquisición del sistema, finalizando con una reflexión sobre las posibles aplicaciones y su viabilidad como alternativa a los ciclos de refrigeración en uso. ix Notación MCM Material magnetocalórico. AMR Refrigerador magnético activo. MCE Efecto magnetocalórico. 𝑐𝐻 Calor específico a campo magnético constante. 𝑀 Magnetización del material. 𝐵  Densidad de flujo magnético 𝐻    Intensidad de flujo magnético ∆𝑇𝑎𝑑 Variación de temperatura provocada por MCE en condiciones adiabáticas. ∆𝑆𝑚 Variación de temperatura provocada por MCE en condiciones isotermas. COP Coeficiente de rendimiento. Λ𝑐𝑜𝑜𝑙 Parámetro comparador de diseños magnéticos. xvii 1 INTRODUCCIÓN La generación y gestión de la energía es uno de los principales retos a los que se enfrenta la ingeniería actualmente. La refrigeración desarrolla un papel muy importante de dicho reto ya que supone una gran fracción de la energía consumida tanto en el sector industrial como en el doméstico, siendo difícil encontrar algún proceso productivo o algún sector comercial que no la emplee. En Europa, la refrigeración y calefacción en edificios e industria suponen la mitad de la energía consumida, siendo este por lo tanto el mayor sector energético de la UE[1]. En EEUU, un 87% de los hogares disponen de aire acondicionado, aproximadamente 120 millones de equipos, con un requerimiento eléctrico de 186 PWh anuales y se espera un enorme crecimiento en la demanda debido a a que los países con mayores necesidades en refrigeración y comfort( China e India, principalmente) medidas en función de la población y condiciones ambiente medias del país no han alcanzado todavía un desarrollo pleno y homogéneo en sus respectivas economías.[2] Es por ello por lo que cualquier mejora en los sistemas de refrigeración, ya sean aplicadas a climatización o a equipos de refrigeración a temperatura ambiente supone un gran ahorro, debido a su demanda constante y continuada de energía. La gran mayoría de las mejoras en este campo (exceptuando algunos avances refrigeración termoeléctrica ) desde el siglo XIX a la actualidad se han centrado en la optimización de los ciclos compresión de vapor , desarrollándose los sistemas de refrigeración con compresión multietapa , en cascada o por absorción , las cualidades del refrigerante , los consumos de las máquinas implicadas o las propiedades aislantes de los materiales , pero todo ello manteniendo el principio físico que sustenta el ciclo , la variación de entropía isoterma de un refrigerante resultante de una alteración en el campo de presiones incidente. El efecto magnetocalórico (MCE) fue documentado por primera vez en 1881 por Warburg y su aplicación en sistemas de refrigeración criogénicos comenzó a mediados de 1920 gracias a Debye y Giauque.La refrigeración magnética, y gana interés en 1997 con el descubrimiento de V.K Percharsky y K.A Gschneidner de materiales con una mayor respuesta térmica a temperaturas cercanas al entorno , denominado efecto magnetocalórico gigante(GMCE)[3].Desde entonces se han desarrollado multitud de prototipos , siendo el protototipo BUA el más reciente y relevante de todos ya que está diseñado para proporcionar hasta 15kW de potencia de refrigeración con un COP de hasta el 60%. Actualmente la línea de investigación en este campo sigue dos caminos, uno relacionado con la física condensada y la ingeniería de materiales, cuyo objetivo es el estudio de distintos compuestos que presenten MCE tratando de conseguir una magnitud del efecto lo mayor posible con el menor campo incidente a temperaturas cercanas al ambiente y otra más ingenieril, cuyo objeto de estudio es el diseño y la optimización de dispositivos para el aprovechamiento del efecto. La refrigeración magnética se considera una tecnología respetuosa con el medio ambiente ya que utiliza refrigerantes sólidos, lo que evita su fuga y su impacto en la capa de ozono, a diferencia de los refrigerantes utilizados en los ciclos de compresión de vapor. Introducción 20 1.1 Objetivo del trabajo Debido a la poca bibliografía en español acerca de los sistemas de refrigeración magnéticos desde un punto de vista ingenieril y a su potencial como posible tecnología alternativa el objetivo de este estudio es realizar una explicación detallada de los sistemas de refrigeración magnéticos de tal forma que un individuo con conocimientos en termodinámica, transmisión de calor y refrigeración tras su lectura comprenda el fundamento físico en el que se basa (el efecto magnetocalórico), su aplicación a ciclos termodinámicos, la construcción de las máqunas térmicas que permitan la realización de dichos ciclos, la modelización (simplificada) de dichos equipos y las posibles ventajas y desventajas con respecto a los ciclos de refrigeración estándar. 1.2 Contenido del trabajo La estructura del trabajo se representa en el siguiente diagrama, que indica la línea que sigue el estudio, que va desde la definición del efecto hasta una revision del estado de la tecnología y una conclusion personal. o Apartado 2: El efecto magnetocalórico y su aplicación a ciclos termodinámicos En este apartado se tratará toda la termodinámica del efecto partiendo desde la primera ley hasta las definiciones de variación de entropía isoterma y variación de temperatura adiabática que definen el efecto.Seguidamente y dentro del mismo apartado se explicará la aplicación del ConclusIón Estado de la tecnología y aspectos económicos Ecuaciones de transferencia y modelización Tipología de refrigeradores Componentes y su criterio de selección Aplicación a ciclos termodinámicos Efecto magnetocalórico efecto a ciclos termodinámicos magnéticos tanto los de interés teórico (Carnot, Brayton) como prácticos (cascada, AMR). o Apartado 3: Refrigeradores magnéticos A continuación, se detallarán los distintos componentes que conforman un refrigerador magnético y los criterios de selección y optimización de los mismo para finalmente explicar el funcionamiento global de los sistemas de refrigeración teniendo en cuenta las distintas tipologías. o Apartado 4: Ecuaciones de transferencia Se explicarán las etapas básicas de un ciclo AMR Brayton debido a que es el más común en este tipo de aplicaciones. Se describirán sus distintas etapas junto a las ecuaciones de transferencia de calor de cada una explicando el cálculo de los rendimientos de la máquina y las pérdidas del sistema. o Apartado 5: Aspectos económicos y estado de la tecnología. En este apartado se dedica una sección al mayor prototipo hasta la fecha, BUA, ofreciendo los valores alcanzados y una descripción de sus componentes y funcionamiento. Seguidamente se realiza un breve repaso de los aspectos económcos de este tipo de refrigeración para finalizar con una revisión de los potenciales usos de los sistemas de refrigeración magnéticos. o Apartado 6: Conclusión Se finaliza el estudio con una breve comparación de rendimientos y costes entre la refrigeración por compresión de vapor y la refrigeración magnética, una opinión acerca del potencial de la tecnología y una propuesta sobre distintas áreas de estudio y posibles trabajos tanto de fin de grado como de máster relacionados con el tema. El efecto magnetocalórico 22 2 EL EFECTO MAGNETOCALÓRICO El objetivo de este capítulo es definir el fenómeno físico, realizar una deducción termodinámica del mismo e introducir la aplicación de dicho efecto a ciclos termodinámicos para su aprovechamiento en sistemas de refrigeración 2.1 Definición El efecto magnetocalórico es un fenómeno físico que se produce en los materiales magnéticos debido a una variación en el campo magnético incidente. Dicho efecto puede cuantificarse como un cambio reversible de temperatura (∆𝑇𝑎𝑑) en el material si la variación del campo magnético incidente se da en condiciones adiabáticas o como un cambio reversible en la entropía si el proceso es isotermo. [4] Figura 2.1 Variación de temperatura adiabática en gadolinio y aleaciones.[5] En la figura 2.1 representa el cambio de temperatura que se produce el gadolinio y sus aleaciones al variar el campo magnético de 0 a 5T de forma adiabática (es decir, aislando la muestra). En el eje x se representa la temperatura del material y en el eje y la variación de la temperatura de la aleación al aplicarse dicho campo, las figuras representan las medidas experimentales y las líneas continuas el ajuste. Tomando el gadolinio puro como ejemplo, puede observarse que si se aplica una variación de 0 a 5 T a una temperatura cercana a los 300 K (cercana al ambiente), se obtiene un aumento de temperatura cercano a los 12 K .Se denomina variación reversible de la temperatura debido a que si se dejara de someter el material a la incidencia del campo el material se enfriaría volviendo a la temperatura inicial. Figura 2.2 Variación de entropía isoterma del gadolinio y aleaciones. [5] De forma equivalente, si la variación del campo se produce de forma isoterma, es decir, manteniendo la temperatura del material constante, se produce una variación en la entropía tal y como muestra la figura 2.2. El MCE es intrínseco a todos los materiales considerados “magnéticos” (susceptibles a la variación de un campo magnético externo) y es considerablemente mayor en materiales que presentan un comportamiento ferromagnético (materiales que pueden presentar magnetización en ausencia de un campo externo ya sea inducida o natural) haciendo de estos el principal objeto de estudio para su aprovechamiento en sistemas de refrigeración. Las variables que definen la magnitud del efecto pueden diferenciarse en: o Intrínsecas: Composición química, estructura cristalina, estado magnético, temperatura de transición de fase magnética. Definen, entre otras variables ingenieriles, el refrigerante sólido a utlizar. o Extrínsecas: Temperatura, presión, intensidad del campo magnético. Definen el rango de operación del sistema y su eficiencia. [6] 2.2 Justificación termodinámica Deducir el MCE consiste en ofrecer una expresion analítica que represente el fenómeno. Se partirá de un sistema cerrado, en un ambiente E conformado por un sólido ferromagnético a presión y volumen constantes. Aplicando la primera ley de la termodinámica: 𝑑𝑈=𝛿𝑄−𝛿𝑊 (1) Donde U es la energía interna del material magnético, Q el calor intercambiado y W el trabajo desempeñado. El trabajo desempeñado durante un proceso cuasiestático se define como: 𝛿𝑊=∑±𝑌𝑖·𝑑𝑋𝑖 𝑛 𝑖 (2) Siendo n el número total de tipos de trabajo realizados por o sobre el sistema en cuestión, Y una variable intensiva y dX la variación de la variable extensiva conjugada. El trabajo magnético se define de una manera análoga al trabajo mecánico. 𝑑𝑊𝑚𝑒𝑐=𝑝𝑑𝑉 (3) 𝑑𝑊𝑚𝑎𝑔=−𝜇0𝑉𝐻𝑑𝑀 (4) Siendo 𝜇0[𝐻 𝑚] la permeabilidad magnética en el vacío (constante), 𝐻[𝐴 𝑚] la intensidad del campo magnético incidente, y 𝑀 [ 𝐴 𝑚·𝑚3] la imanación del sólido (momento magnético por unidad de volumen). { 1 𝐻(ℎ𝑒𝑛𝑟𝑖𝑜)=𝑚2·𝑘𝑔 𝑠2·𝐴2 𝑑𝑊𝑚𝑎𝑔=𝑚2·𝑘𝑔 𝑠2·𝐴2 𝑚·𝐴 𝑚·𝑚3𝐴 𝑚·𝑚3=𝑚·𝑘𝑔 𝑠2 Reescribiendo (1) y asumiendo que el proceso se realiza de forma reversible (𝑑𝑄=𝑇𝑑𝑆) 𝑑𝑈=𝑇𝑑𝑆+𝜇0𝐻𝑉𝑑𝑀 (5) Realizando transformaciones de Legendre se deducen el resto de los potenciales termodinámicos, obteniendo así toda la información posible del sistema. 𝑑𝐺=−𝑆𝑑𝑇−𝜇0𝑀𝑉𝑑𝐻 (6) 𝑑𝐴=−𝑆𝑑𝑇+𝜇0𝐻𝑉𝑑𝑀 (7) 𝑑𝐻′=𝑇𝑑𝑆−𝜇0𝑀𝑉𝑑𝐻 (8) Siendo la energía libre de Gibbs especialmente útil ya que es función de T y H, variables de fácil medición. Se puede escribir (6) en función de sus derivadas parciales como: 𝑑𝐺=(𝜕𝐺 𝜕𝑇)𝐻𝑑𝑇+(𝜕𝐺 𝜕𝐻)𝑇𝑑𝐻 (6) Lo que permite obtener el resto de las variables del sistema en función de la variación del potencial El efecto magnetocalórico 24 termodinámico. 𝑆=−(𝜕𝐺 𝜕𝑇)𝐻 (9) 𝑀=− 1 𝜇0𝑉(𝜕𝐺 𝜕𝐻)𝑇 (10) Igualmente usando las relaciones de Maxwell en las segundas derivadas es posible obtener la siguiente expresión: (𝜕𝑆 𝜕𝐻)𝑇=𝜇0𝑉(𝜕𝑀 𝜕𝑇)𝐻 (11) De enorme utilidad ya que relaciona la entropía total del sólido con su magnetización. Igualmente se puede obtener una expresión del calor intercambiado: 𝑑𝑄=𝑇𝑑𝑆=𝑇 [(𝜕𝑆 𝜕𝑇)𝐻𝑑𝑇+(𝜕𝑆 𝜕𝐻)𝑇𝑑𝐻 (12) 𝑑𝑄=(𝜕𝑄 𝜕𝑇)𝐻𝑑𝑇+(𝜕𝑄 𝜕𝐻)𝑇𝑑𝐻= 𝑇(𝜕𝑆 𝜕𝑇)𝐻𝑑𝑇+𝑇(𝜕𝑆 𝜕𝐻)𝑇𝑑𝐻 (13) Aplicando la definición de capacidad calorífca: (𝜕𝑄 𝜕𝑇)𝐻=𝐶𝐻 (14) Y denominando al coeficiente: (𝜕𝑄 𝜕𝐻)𝑇=𝑇(𝜕𝑆 𝜕𝐻)𝑇=𝐶𝑇=−𝜇0𝑉(𝜕𝑀 𝜕𝑇)𝐻[𝑠𝑢𝑠𝑡𝑖𝑡𝑢𝑦𝑒𝑛𝑑𝑜 (10)] (Cabe resaltar que 𝐶𝑇 no es una capacidad calorífica, aunque se utilice una notación parecida) Finalmente se ha obtenido una expresión intuitiva del calor intercambiado por el sistema en términos absolutos: 𝑑𝑄=𝐶𝐻(𝑇,𝐻)𝑑𝑇+𝐶𝑇(𝑇,𝐻)𝑑𝐻 (15) O al dividir por la masa en términos específicos: 𝑑𝑞=𝑐𝐻(𝑇,𝐻)𝑑𝑇+𝑐𝑇(𝑇,𝐻)𝑑𝐻 (16) Por lo tanto, el calor intercambiado con el ambiente con sistema magnético por unidad de masa constará de dos términos, uno regido por la diferencia de temperatura entre el mismo y el ambiente 𝑐𝐻(𝑇,𝐻)𝑑𝑇 y otro por la variación de la intensidad de campo multiplicado por el coeficiente 𝑐𝑇(𝑇,𝐻).[7] El coeficiente 𝑐𝐻(𝑇,𝐻) es una característica del material. De forma rigurosa, corresponde al calor específico a presión y campo magnético constante 𝑐𝐻,𝑃(𝑇,𝐻,𝑃) pero al comenzar la deducción, se ha considerado la presión constante en todo momento por lo que no se ha incluido en la realización de los cálculos por simplicidad. Figura 2.3 Capacidad calorífica total y magnética del gadolinio para una variación de de 0 a 5T, siendo los puntos las medidas experimentales y las líneas los cálculos teóricos.[5] La contribución a la variación del calor específico por parte de un campo magnético no es despreciable como puede apreciarse en la figura 2.3, en la que se representa la variación del calor específico del gadolinio cerca de su temperatura de Curie. Para un sólido magnético metálico se considera la capacidad calorífica total como las contribuciones de red eléctricas y magnéticas.[8] 𝐶=𝐶𝑚+𝐶𝑒+𝐶𝑟 Por lo tanto la capacidad calorífica total del gadolinio (C en la figura) corresponderá a la suma de la capacidad calorífica a campo magnético constante (𝐶𝑚𝑎𝑔), 𝐶𝑟 corresponderá a la capacidad calorífica a presión constante y 𝐶𝑒 la capacidad calorífica a campo eléctrico constante. El otro coeficiente en base al cual se define el intercambio calorífico en términos másicos 𝑐𝑇, que se representa en términos absolutos como ‖𝜇0(𝜕𝑀 𝜕𝑇)𝐻‖, cuantifica la magnitud del efecto magnetocalórico en el material, por lo tanto, cuanto mayor sea este coeficiente termodinámico mayor serán ∆𝑇𝑎𝑑 𝑦 ∆𝑆𝑚.[4] Una vez definidas las relaciones previas, la obtención de las variables características del MCE consisten en una combinación de dichas relaciones y la imposición de las condiciones del proceso. Por simplicidad, se utilizarán para su obtención variables específicas. 2.2.1 Obtención de variación de temperatura reversible (∆𝑻𝒂𝒅) Considerando la condición de adiabaticidad 𝑑𝑞=0 y despejando: 𝑑𝑞=𝑐𝐻(𝑇,𝐻)𝑑𝑇+𝑐𝑇(𝑇,𝐻)𝑑𝐻 (17) 𝑑𝑇=−𝑐𝑇 𝑐𝐻𝑑𝐻 (18) 𝑑𝑇=− 𝑇 𝐶𝐻(𝑇,𝐻)𝜇0(𝜕𝑀 𝜕𝑇)𝐻𝑑𝐻 (19) ∆𝑻𝒂𝒅 =−𝝁𝟎∫𝑻 𝑪𝑯(𝝏𝑴 𝝏𝑻)𝑯𝒅𝑯 𝑯𝟐 𝑯𝟏 (20) De esta forma queda definido la variación de temperatura adiabática, sin embargo, debido a los problemas que presenta la medición conjunta de 𝑐𝐻(𝐻,𝑇) y 𝑀 para su obtención suele utilizarse la siguiente expresión conociendo dos temperaturas a entropía constante:[9] ∆𝑻𝒂𝒅 =−𝝁𝟎∫𝑻 𝑪𝑯(𝝏𝑴 𝝏𝑻)𝑯𝒅𝑯 𝑯𝟐 𝑯𝟏=𝑻𝟐(𝒔,𝑯𝟐)−𝑻𝟏(𝒔,𝑯𝟏) (21) 2.2.2 Obtención de variación de entropía magnética (∆𝑺𝒎) Para definir el otro parámetro característico del MCE es necesario previamente introducir el concepto de entropía total y entropía magnética. En un sistema magnético se considera que la entropía total del sistema está conformada por una contribución de las entropías de red (𝑆𝑟, asociada a la distribución de los átomos en la red cristalina y dependiente principalmente de la presión y temperatura), electrónica (𝑆𝑒) y magnética (𝑆𝑚). 𝑠(𝑇,𝐻)𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 =𝑠𝑚(𝑇,𝐻)+𝑠𝑒(𝑇)+𝑠𝑟(𝑇) (22) De forma rigurosa tanto 𝑆𝑒 como 𝑆𝑟 dependen tanto de la temperatura como del campo magnético, pero para una justificación teórica la variación de la entropía de red en función del campo magnético puede considerarse poco relevante.[10] Es por esto que en una primera aproximación , la magnetización y desmagnetización del material provocará variaciones exclusivamente en la entropía magnética del sistema. El efecto magnetocalórico 32 El fluido ahora se encuentra en el depósito B en contacto con el ambiente, donde habrá un intercambio convectivo que lleve al fluido del depósito a la temperatura ambiente. c) Si ahora eliminamos el campo magnético, la tubería que se encontraba a la temperatura de salida del fluido sufrirá una desmagnetización adiabática que conllevará una disminución de temperatura igual a ∆𝑇𝑎𝑑 (en un caso ideal en que las variaciones de temperatura de magnetización y desmagnetización sean iguales), la tubería se encuentra ahora en temperaturas subambientales (recordemos que el ambiente se encuentra a 𝑇𝑐). Si invertimos el sentido de la bomba, a la salida el fluido saldrá a una temperatura menor que la ambiental pudiendo así cumplir con algún propósito de refrigeración. Figura 2.13 Ejemplo situación c. En este ejemplo, el AMR sería la tubería ya que actúa de manera simultánea como intercambiador de calor y como refrigerante. El problema de la aplicación de esta idea radica en que las variaciones de temperatura adiabática de un solo material no son lo suficientemente elevadas como para proporcionar una refrigeración viable. Es aquí donde surge el concepto del AMR en capas o secciones; debido a que las variaciones de temperatura de de un solo compuesto no son suficientes, se disponen varios materiales de forma que la temperatura de Curie crezca de forma “escalonada”; volviendo al ejemplo de la tubería en el momento b) resultaría en el siguiente esquema: Figura 2.14 Ejemplo situación b con AMR en capas. Proporcionando un calentamiento y enfriamiento del fluido mucho mayor tanto en las fases magnetizadas como en las desmagnetizadas. Las secciones que componen un AMR pueden ser discretas tal y como se muestra en la figura12.a), o continuas, es decir, que la temperatura varíe de forma continua a lo largo del mismo, de todo ello se hablará en el siguiente apartado. Figura 2.15 AMR conformado por distintos materiales con temperturas de curie ascendentes.[11] El siguiente diagrama representa un un refrigerador magnético operando con un ciclo AMR Brayton, ya que el ciclo que realiza el refrigerante (línea continua) consta de dos procesos isentrópicos (desmagnetización adiabática reversible) y dos a campo magnético constante; otros ciclos AMR han sido estudiados pero el Brayton debido a su sencillez tecnológica, es el mas común y el más aplicado en prototitpos de refrigeración a temperatura ambiente. Figura 2.16 Diagrama T-s ciclo AMR Bryton.[14] La representación de un ciclo AMR en un diagrama T-s es complicada ya que cada parte infinitesimal del AMR realiza un ciclo en sí y más aún si se pretende representar la variación de temperatura del fluido junto al ciclo, para ello nos apoyaremos en el siguiente ejemplo: Supongamos un AMR construido con un material de tal forma que la distribución de temperaturas de Curie a lo largo de su longitud es continua, la representación de la distribución seria: El efecto magnetocalórico 34 Figura 2.17 Representación de la temperatura de curie en función de la longitud del AMR. Además, cada sección infinitesimal se encuentra a su temperatura de Curie es decir 𝑇𝑥=𝑇𝑐 (con esto aseguramos que la variación de temperatura adiabática es máxima para cada sección diferencial del AMR) , por lo que la distribución de temperatura a lo largo del AMR coincide con la figura 2.14. Si ha dicho AMR le aplicasemos un campo magnético en toda su longitud, cada sección diferencial experimentaría un aumento de su temperatura (que por simplicidad se considerará igual para toda sección) obtendremos el siguiente perfil de temperaturas: Figura 2.18 Representación de la distribución de la temperatura a lo largo de la longitud del AMR en situación magnetizado y desmagnetizado. 𝑇𝑥 =𝑇𝑐,𝑥+∆𝑇𝑎𝑑 (36) La explicación del ciclo mostrado en la figura 2.16 por lo tanto sería la siguiente: o I-II. Se magnetiza el AMR, aumentando su temperatura a lo largo de toda su longitud. o II-III. Se produce el intercambio de calor entre el fluido y el AMR a campo constante, uno aumentando su temperatura y otro disminuyendo. o III-IV. Se desmagnetiza el AMR, obteniendo una temperatura por debajo del ambiente. o IV-I. El fluido cede calor al AMR, enfriandose. Teniendo esto en cuenta, los puntos II y III lo que muestra realmente son las temperaturas para x=0 y x=L del AMR tras ser magnetizados. Una representación un poco más clara de un ciclo AMR Brayton se muestra a continuación en la figura 19, en (a) y (b) se muestra el ciclo para un rango temperaturas distintos. Figura 2.19(a)(b) Representación de un ciclo AMR Brayton operando en condiciones estacionarias distintas. .[14] 3 REFRIGERADORES MAGNÉTICOS Una vez explicado el principio físico en el que se basa la tecnología y su aplicación en ciclos termodinámicos se detallarán los componentes elementales que componen un refrigerador magnético, los criterios de selección para cada una de las partes y finalmente una explicación del funcionamiento general de los equipos haciendo una distinción entre los refrigeradores alternativos y rotativos. 3.1 Componentes de un refrigerador magnético Un sistema de refrigeración magnético se compone fundamentalmente (obviando válvulas, sistemas de control etc.) de un refrigerante, una fuente de campo magnético, un fluido térmico y una máquina que realice el trabajo necesario para que el ciclo opere. 3.1.1 El refrigerante El refrigerante en un sistema de refrigeración es el encargado de absorber y ceder el calor a las distintas fuentes del ciclo. Aunque no se ha mencionado previamente, el refrigerante no necesariamente debe ser sólido, existen fluidos magnetocalóricos denominados ferrofluidos o fluidos magnetoreológicos que consisten en partículas de materiales magnéticos en suspensión, y aunque su uso es prometedor, su estudio no entra dentro del alcance de este trabajo centrándonos en los AMRs.[15] En este apartado se tratarán los criterios de selección para el material magnetocalórico de un AMR y el diseño del propio AMR. o Criterios de selección para el MCM de un AMR Las características que deben cumplir los materiales que presentan MCE para ser elegidos en sistemas de refrigeración magnética a temperatura ambiente son variadas, las más resaltables serán indicadas a continuación: • Temperatura de Curie apropiada Para aplicaciones de refrigeración a temperatura ambiente son necesarias temperaturas de Curie cercanas a la temperatura del medio. La temperatura de Curie del material ferromagnético coincide con la máxima respuesta magnetocalórica del material y depende principalmente de los distintos elementos que componen la aleación y de sus concentraciones, este último factor es clave ya que una de las líneas de investigación en la construcción de los AMR consiste en secciones contiguas fabricadas de la misma aleación en la que la concentración de uno o varios elementos cambia a lo largo del paso del regenerador, obteniendo así características mecánicas parecidas en todo el regenerador pero con temperaturas de Curie diferentes. Figura 3.1 Representación esquemática de un AMR de seis capas y seis temperaturas de curie distintas.[16] Refrigeradores magnéticos 38 Figura 3.2. Variación de la temperatura de Curie en función de la concentración de hidrógeno para la familia de materiales La (FeSi).[17] • Intensidad del MCE Una vez asumida que la temperatura de Curie del MCM es cercana al ambiente, el siguiente paso consiste en cuantificar la intensidad de su MCE, esto es claramente problemático debido a que tanto ∆𝑇𝑎𝑑 como ∆𝑆𝑚son parámetros que describen el efecto. A priori y según parte de la literatura es recomendable optar por materiales con mayor ∆𝑇𝑎𝑑 en detrimento de ∆𝑆𝑚 [11], sin embargo ∆𝑇𝑎𝑑 está imitada por el rango de temperaturas en el que se considera que el MCE es relevante, dicho rango de temperatura denominado 𝛿𝑇 se define como el rango de temperaturas en el que la variación de entropía isoterma es igual o mayor que la mitad de la máxima para un campo incidente dado H. Figura 3.3 Variación de temperatura adiabática para el Gadolinio en función de la temperatura.[5] 39 Estudio sobre sistemas de refrigeración magnéticos basados en el efecto magnetocalórico Figura 3.4 Variación de la entropía magnética en función de la temperatura indicando el rango de 𝛿𝑇. . Si ∆𝑇𝑎𝑑> 𝛿𝑇 el MCM “abandonaría” la zona en el que el MCE es significativo y su aportación al proceso de refrigeración sería nula, esta condición provoca que los materiales con transición de fase de primer orden (cuyas curvas de ∆𝑆𝑚 y ∆𝑇𝑎𝑑 muestran una relación ∆𝑇𝑎𝑑/𝛿𝑇 mayor que las de segundo orden) no sean considerados una opción tan viable como los materiales cuya transición de fase es de segundo orden.[4] Debido a la relación entre ∆𝑇𝑎𝑑 y ∆𝑆𝑚 el parámetro utilizado para comparar la intensidad del efecto magnetocalórico aplicado a un proceso es la capacidad de refrigeración , que se define como: 𝒒=∫∆𝑺𝒎(𝑻)𝒅𝑻 𝑻𝒉 𝑻𝒄 (1) Dicha expresión es poco intuitiva, ya que requiere de la integración de la curva ∆𝑆𝑚(𝑇) cuya expresión no es conocida, por ello se propone una expresión equivalente de obtención más rápida y apta para aplicaciones ingenieriles. Y que representa la cantidad de calor que puede transferirse del foco frío al foco caliente en un ciclo de refrigeración ideal. 𝒒𝒓=(𝟐𝑻𝒄+∆𝑻𝒂𝒅)∆𝑺𝒎(𝑻𝒄) 𝟐 (2) Refrigeradores magnéticos 40 Figura 3.5 Capacidad de refrigeración por unidad de volumen en julio por centímetro cúbico para diferentes familias de materiales magnetocalóricos con una variación de campo de 50 kOE (5T).[18] Para valorar el potencial de la tecnología es recomendable comparar con los valores de refrigerantes utilizados actualmente. Figura 3.6 Capacidad de refrigeración por unidad de volumen en kilojulio por metro cúbico para distintos refrigerantes utilizados actualmente. [19] Como puede apreciarse los valores se mueven para un intervalo de temperaturas entre -30ºC y 10ºC entre 0,5 y 3𝐽 𝑐𝑚3, aproximadamente el mismo rango (si no menores) que la capacidad refrigerante de los MCM. Claro que es importante resaltar que la variación de campo a la que se realiza la clasificación de los distintos materiales es considerablemente mayor que los valores convencionales de los prototipos registrados, 50 41 Estudio sobre sistemas de refrigeración magnéticos basados en el efecto magnetocalórico kOE equivale a 5 T, los valores de variación de campo con imanes permanentes suelen tener como máximo 1,5 T en el mejor de los casos, es por ello que las capacidades de refrigeración son tan altas respectos a los refrigerantes convencionales pero dan una idea aproximada del posible potencial de la tecnología. Otra desventaja que presenta la refrigeración magnética respecto a los ciclos de compresión de vapor convencionales y que es claramente apreciable en las figuras que la temperatura de operación del refrigerante líquido es altamente variable con la presión, mientras que en el material magnetocalórico dicha temperatura está limitada por la expresión (𝑇𝑐±∆𝑇𝑎𝑑). • Histéresis pequeña o nula La histéresis es un fenómeno físico que se produce en la desmagnetización del MCM, que provoca que la magnetización del material permanezca aún en ausencia de un campo magnético externo. Este fenómeno es propio de materiales magnetocalóricos con transición de fase de primer orden y por lo general no es común en materiales con transición de fase de segundo orden, lo que los sitúa en una mejor posición de cara a ser utilizados como refrigerantes. • Conductividad térmica En general, la conductividad térmica debe ser lo mayor posible ya que a mayor conductividad térmica, mayor transmisión de calor a lo largo del AMR por unidad de longitud, pudiéndose así reducir la longitud del AMR. Sin embargo, para AMRs “cortos” la conductividad térmica es directamente proporcional a la frecuencia de operación del ciclo, a mayor velocidad de operación, mayor debe ser la conductividad térmica de las distintas secciones del AMR. • Buenas propiedades mecánicas y eléctricas La transmisión de calor entre el fluido y el AMR depende entre otras variables, de la forma geométrica del mismo, lo que puede requerir propiedades específicas para su mecanizado y fabricación. Igualmente, una alta resistividad eléctrica minimizará las pérdidas por corrientes inducidas, aunque en la mayoría de los prototipos presentados son prácticamente despreciables. • Resistencia a la corrosión La corrosión del AMR debe evitarse, ya sea mediante la utilización mediante la utilización materiales inerte o fluidos no corrosivos. [20] o Diseño del AMR Un intercambiador de calor convencional es un equipo que permite el intercambio de calor entre dos elementos uno frío y otro caliente sin que se mezclen entre sí. Un AMR es un dispositivo similar con la salvedad de que actúa a la vez como intercambiador, es decir como agente intermedio que facilita la transferencia y como sustancia fría o caliente dependiendo de en qué fase del ciclo se encuentre. Por lo tanto, la optimización del diseño del AMR es muy similar a la optimización de un intercambiador de calor con la salvedad de que dicho diseño debe cumplir los factores necesario para que la magnetización y desmagnetización se realice de forma correcta. Una comparación entre distintas geometrías fue realizada por Tian Lei en 2017[21] en un estudio donde comparaba seis diseños distintos, empaquetamiento de esferas, placas paralelas, microcanales circulares, microcanales rectangulares y banco de tubos mediante un modelado numérico. Los parámetros para la simulación y las geometrías del estudio se muestran a continuación: Refrigeradores magnéticos 48 y viscosidad como el agua, mientras que en geometrías no tan dependientes del flujo en sí, como las placas paralelas, las propiedades térmicas cobra una mayor importancia situando al galinsteno como mejor candidato. 3.2 Tipología de refrigeradores Debido a que es una tecnología todavía en desarrollo, existen numerosas configuraciones posibles de máquinas que producen frío basandose en el MCE ya que no se ha encontrado un diseño óptimo. El objetivo de este apartado es clasificar los tipos de refrigeradores y explicar en detalle su funcionamiento, incluyendo ejemplos de prototipos ya existentes con números reales para una mejor comprensión de su funcionamiento. Existen numerosas características en base a las cuales se pueden clasificar los distintos prototipos de refrigeradores magnéticos, la más común fue propuesta por Scarpa en 2012[29] que utiliza doce parámetros para la diferenciación de los prototipos y que posteriormente fue ampliada. (1) Tipo de ciclo (2) Tipo de imán (permanente o electroimán) (3) Tipo de imán permanente (imán simple, imán tipo Halbach 2D o imán tipo Halbach en 3D) (4) Aplicación del campo magnético (inmersión, composición mediante movimiento de imanes, electroimanes) (5) Número de capas en regenerador (numero de distintos materiales con distitna temperatura de Curie) (6) Estructura del regenerador (ordenada, desordenada, fluido magnetocalórico o material magnetocalórico con diodos térmicos) (7) Fludio de transferencia (líquido, gas o fluido com cambio de fase) (8) Sistema de bombeo (bidireccional, unidireccional) (9) Movimiento relativo entre el MCM y el imán (si/no) (10) Movimiento relativo entre el MCM y el imán (MCM estático/MCM móvil) (11) Movimiento relativo entre el MCM y el imán (lineal/rotativo/estático) (12) Movimiento relativo entre el MCM y el imán (discontinuo bidireccional/discontinuo unidireccional/continuo) Con todos los parámetros anteriormente mencionados se obtiene una clasificación rigurosa del prototipo, aunque normalmente suelen hacerse dos distinciones principalmente ya que son las que más incidencia tendrán en el diseño de la máquina, que corresponden con los apartados (2) y (12) de la clasificación de Scarpa, es decir, el tipo de imán y el movimiento relativo, rotativo lineal o estático. Sistemas alternativos Sistemas rotativos Fácil funcionamiento Alta frecuencia Alta fiabilidad Mayor eficiencia Voluminosos Mayor rango de operación Bajas frecuencias Funcionamiento complejo Requiere doble regenerador Problemas de sellado y estanqueidad Tabla 3.4 Tabla comparativa rotativos vs alternativos 49 Estudio sobre sistemas de refrigeración magnéticos basados en el efecto magnetocalórico 3.2.1 Refrigeradores magnéticos alternativos El funcionamiento de los refrigeradores alternativos consiste en ciclos alternativos de magnetización y desmagnetización del material magnetocalórico producido por un movimiento relativo lineal entre el MCM y el imán. Figura 3.15 Esquema simple de un refrigerador magnético.[13] Para una producción de frío de forma casi constante se requiere además de la utilización de dos AMrs, un sistema de válvulas de 4 vías o bien una bomba bidireccional que permita la inversión del flujo, diviendo así su funcionamiento en dos semiciclos (a) y (b). El funcionamiento de los refrigeradores alternativos con sistema de válvulas es el que sigue: Figura 3.16 Esquema de funcionamiento de un refrigerador magnético utilizando un sistema de válvulas de tres vías para invertir el flujo.[27] • I-II. El fluido caloportador absorbe calor del ambiente frío aumentando su temperatura. • II-III. El fluido atraviesa el sistema de válvulas derecho que dirige el fluido hacia el MCM. • III-IV. El fluido llega al MCM magnetizado, cuya temperatura ha aumentado al ser expuesto al campo magnético. • IV-V. El refrigerante magnetizado intercambia calor con el fluido caloportador, disminuyendo su temperatura. Refrigeradores magnéticos 50 • V-VI. El fluido, a una temperatura mayor que la del foco caliente debido al intercambio con el MCM se encuentra con el segundo sistema de válvulas que redirige el fluido hacia la entrada del intercambiador del foco caliente • VII-VIII. Se produce el intercambio de calor entre el foco caliente y el fluido caloportador, reduciéndose así la temperatura del fluido caloportador. • VIII-IX. El fluido vuelve a pasar por el sistema de válvula de 4 vías dirige el flujo hacia el 2º refrigerante sólido que se encuentra a una temperatura menor que la del ambiente debido a la desmagnetización producida en el MCM al remover el campo magnético incidente. • IX-X. Se produce el intercambio calorífico entre en fluido y el MCM frío, enfriando el fluido caloportador por debajo de la temperatura del foco frío. • X-XI. El fluido entra en el sistema de válvulas derecho que lo dirige al intercambiador del foco frío • XI-b. Se produce el cambio del semiciclo a) al semiciclo b), invirtiendo el sentido del ciclo mediante el sistema de válvulas y se produce el movimiento del imán magnetizando el otro MCM. Esta disposición permite la agrupación de varios ciclos con distinto refrigerante dando lugar a sistemas en cascada, o si la temperatura de salida del primer refrigerante coincide con la de temperatura de entrada del segundo refrigerante, puede obviarse el intercambiador intermedio tal y como se muestra en la figura 17. Figura 3.17 Esquema de funcionamiento de un refrigerador magnético utilizando sistemas de válvulas de tres vías para la inversión del flujo en cascada.[27] Figura 3.18 Esquema de funcionamiento de un refrigerador magnético utilizando sistemas de válvulas de tres vías para la inversión del flujo en cascada sin intercambiador intermedio.[27] 51 Estudio sobre sistemas de refrigeración magnéticos basados en el efecto magnetocalórico Igualmente, la utilización de bombas de doble flujo simplificaría el esquema ya que evitaría el uso del sistema de válvulas de 3 vías. Figura 3.19 Esquema de funcionamiento de un refrigerador magnético utilizando una bomba bidireccional para invertir el flujo.[27] Para una mayor comprensión del funcionamiento de los refrigeradores magnéticos alternativos, se propone como ejemplo el desarrollado por la Universidad de Genova en 2013[30] que se muestra a continuación: Figura 3.20 Foto del prototipo desarrollado por la Universidad de Génova.[30] Figura 3.21 Representación esquemática del sistema hidráulico del prototipo de refrigerador magnético alternativo lineal de la Universidad de Génova.[30] Refrigeradores magnéticos 52 El prototipo se compone de dos placas conformadas por láminas paralelas de gadolinio de 0.8mm cada una que realizan un ciclo AMR mediante la exposición alterna de cada una de ellas a un campo magnético permanente generado por una estructura de imanes ferromagnéticos. Los regeneradores están contenidos en una estructura de plástico que contiene las válvulas de inversión y que está unida a un motor que realiza el trabajo necesario para mover el conjunto dentro y fuera del campo. Figura 3.22 Construcción de AMR en placas paralelas contenida en una estructura de plástico.[30] La estructura magnética de hierro dulce(35kg) junto con los imanes permanentes de NdFeB (5kg) proporcionan una intensidad de campo magnético de 1,55T. El fluido de transferencia utilizado fue una mezcla agua-etanol al 50% con un flujo variable (la bomba permitía su regulación) entre 5 y 20 g/s. La frecuencia de operación a la cual se hicieron las mediciones publicadas fue 0.12 Hz , con una duración de cada semiciclo de 4s y un tiempo de transición entre ambos de 0,2s. Los resultados obtenidos con este prototipo fueron relativamente pobres en comparación con otros de dimensiones y campo magnético similares, ya que el rango de temperatura máximo alcanzado entre focos sin carga térmica y en régimen permanente fue de 4,45K, frente a los 30ºC declarados del prototipo suizo diseñado por Balli et al. [31] Figura 3.23 Evolución de las temperaturas a lo largo del tiempo con el refrigerador operando en régimen permanente.[30] Las líneas discontinuas marcadas muestran las medidas de temperatura en los extremos del regenerador (cerca de las válvulas); Las líneas continuas muestran las medidas de temperatura en un extremo de los dos intercambiadores de calor. 3.2.2 Refrigeradores magnéticos rotativos En los refrigeradores magnéticos rotativos la magnetización y desmagnetización se produce mediante una 53 Estudio sobre sistemas de refrigeración magnéticos basados en el efecto magnetocalórico rotación alrededor de un eje de la máquina, normalmente el axial, lo que permite un aumentar la frecuencia del ciclo y por lo tanto alcanzar unos mayores valores de refrigeración. Dependiendo del diseño de la máquina, la rotación será continua o discontinua (y por lo tanto el funcionamiento es similar a un RM alternativo), indiferentemente de ello, los RM rotativos presentan una mayor compacidad y por lo tanto una mayor capacidad de refrigeración por unidad de volumen; por lo que la línea de desarrollo de la tecnología se centra más en este tipo de refrigeradores. La geometría más común en los prototipos desarrollados consiste en varios cilindros concéntricos y estancos en cuyo interior se encuentran una o varias coronas móviles que contienen los imanes o los AMR (según el tipo) a los que entra el fluido caloportador procedente de los focos frío y caliente. A la hora de definir la rotación del refrigerador, existen dos opciones, optar por un montaje de imanes fijo y que la rotación la realice los AMR o bien el sólido al que están unidos, u optar por un diseño de AMR fijo y que la rotación la realice el imán dando lugar a un campo magnético variable en el interior de la máquina. o Refrigeradores magnéticos con AMR rotativo Este tipo de refrigeradores normalmente constan de una corona o tambor móvil que contiene los AMRs en el interior , dicha corona se encuentra envuelta en una estructura fija también cilíndrica que contiene los imanes necesarios para generar el campo magnético. El fluido entra en el refrigerador procedente de los intercambiadores situados en los focos frío y caliente respectivamente y a su paso por el interior varía su temperatura.La rotación del AMR puede ser discontinua, en cuyo caso el funcionamiento sería similar al de los refrigeradores alternativo. Una rotación continua también es posible, ya que los procesos de magnetización y desmagnetización no tienen que ser estrictamente secuenciales y puede darse una pequeña superposicón entre etapas en favor de una mayor frecuencia de operación , sin embargo , una rotación continua implica un aumento en la complejidad del sistema de válvulas. A continuación se muestran un esquema de una de las distintas configuraciones posibles de refrigeradores con AMR rotativo. Figura 3.24 Representación esquemática de la sección axial de un refrigerador con AMR rotativo(izquierda). Representación del esquema hidráulico de dicho regenerador(derecha).[11] En la figura 3.41 se muestra un esquema de un diseño de refrigerador cilíndrico con dos polos en los que el fluido circula de forma axial a traves de los cuatro AMRs ; el HTF expulsa calor al ambiente al pasar por el intercambiador, se divide el flujo en N direcciones , siendo N el número de polos del refrigerador que seguidamente pasarán por los AMR no expuestos al campo magnético que se encuentran fríos para posteriormente absorber calor del foco frío terminando así el semiciclo , si la rotación de este ejemplo fuera discontinua , sería necesaria una rotación de 90º entre semiciclos En la siguiente figura se muestran otras configuraciones posibles de forma esquemática: Refrigeradores magnéticos 54 Figura 3.25 Figura conjunta de varias configuraciones de AMR rotativo.[11] ▪ En la figura (a) se muestra un montaje de 4 polos con 8 regeneradores con flujo axial de HTF en el que cada semiciclo corresponde a un giro de 45º de la corona. ▪ La figura (b) representa una configuración que consta de 4 polos con 8 regeneradores, sin embargo en este caso el diseño que envuelve la corona con los AMRs no la rodea completamente y por lo tanto se considera un diseño de la estructura magnética “abierta” ▪ En la figura (c) puede observarse un diseño de 2 polos con 4 regeneradores y su esquema hidráulico, en este caso el fluido no atraviesa la corona de forma axial sino de forma radial, en este tipo de prototipos el fluido suele inyectarse en el centro del eje de giro y distribuirse en el interior mediante un sistema de válvulas.Uno de los mayores incovenientes de optar por este sistema es que la trasferencia de calor AMR-fluido influye en el radio total de la máquina. Para una mejor compresión del funcionamiento de este tipo de refrigeradores se opta por seleccionar un modelo real que ayude a la visualización: Un ejemplo de esta configuración es el prototipo danés desarrollado por Engelbrecht et al. en 2012[32] que se muestra a continuación: Figura 3.26 Modelo danés de refrigerador magnético.[32] La máquina consta una corona de nylon que aloja 24 regeneradores que gira en el interior de dos cilindros concéntricos que contiene dos matrices Halbach concéntricas que proporcionan un campo magnético de 1,44T en su interior con 4 polos y 4 regiones de baja intensidad separadas entre sí 45º. 55 Estudio sobre sistemas de refrigeración magnéticos basados en el efecto magnetocalórico Figura 3.27.(a)Distribución del campo magnético en función de x e y en el interior del cilindro. (b)Distribución del campo magnético a lo largo del eje z.[32] Cuando la corona gira alrededor del eje axial, cada uno de los AMRs instalados se verá expuesto a un campo magnético variable que dará lugar al MCE. La frecuencia del ciclo, al disponer la máquina de 4 polos, será de 4 veces la frecuencia de giro de la corona, permitiendo alcanzar frecuencias mucho mayores que los refrigeradores alternativos. La corona realiza la rotación conectada a un motor de corriente continua y el sistema de control del fluido asegura la sincronización y la inversión del flujo con la rotación. El esquema hidráulico de la máquina y el esquema del flujo a la entrada del cilindro se muestra a continuación: Figura 3.28 Esquema del recorrido del fluido de transferencia.[32] Figura 3.29 Vista esquemática cercana del sistema de válvulas de entrada al regenerador.[32] El caudal se reduce a la entrada del regenerador para evitar pérdidas por fricción y la entrada se produce en distintos canales para evitar pérdidas convectivas con el conducto. Los regeneradores con los que se probó el equipo y se publicaron los resultados (el diseño de la corona está ideado para poder cambiar el regenerador por Refrigeradores magnéticos 56 otro MCM u otra geometría) se conformaban de esferas de gadolinio de entre 0,25 y 0,8mm de diámetro sumando una masa total de 2,8kg. Cabe destacar los huecos de la corona no estaban completos, sino que el regenerador ocupaba un 40% de la longitud total disponible en cada uno de ellos, se optó por esta configuración para reducir la pérdida de carga del fluido a su paso. Algunos de los resultados publicados se recogen en la siguiente tabla: Caudal Frecuencia Temperatura en Foco caliente Potencia refrigeración Rango de temperaturas 7.6 L min1 1.8 Hz 299.9 K 324 W 8.5 K 8.3 L min1 1.8 Hz 300.1 K 498 W 2.9 K 10.0 L min1 1.5 Hz 297.9 K 400 W 13.8 K 11.4 L min1 1.8 Hz 292.3 K 1010 W 0.3 K Tabla 3.5 Resultados según distintas variables del prototipo danés.. Junto con los resultados se publicaron varias gráficas en las que se mostraba el desempeño de la máquina: Figura 3.30 Rango de temperaturas para distintas potencias a en operando a 1 Hz y para varios caudales (rango de temperaturas tomado como diferencia entre la salida del HFT a las salidas del focos frío y caliente).[32] Figura 3.31 Variación del rango de temperatura para diferentes frecuencias de operación del ciclo para un caudal fijo de 6,7 l/min.[32] 57 Estudio sobre sistemas de refrigeración magnéticos basados en el efecto magnetocalórico Figura 3.32 Variación del rango de temperaturas con la frecuencia para un caudal fijo de 8,3 l/min y una potencia de 200W.[32] Aunque los resultados fueron prometedores, el COP alcanzado fue un 5,6% del COP de Carnot, siendo este 32,6, muy lejos todavía de su límite téorico. o Refrigeradores magnéticos rotativos con AMR fijo En este caso es la fuente de campo magnético la que realiza la rotación, permitiendo así simplificar el sistema de válvulas ya que los conductos del fluido de transferencia no están incluidos en ninguna parte móvil del equipo (la bomba bidireccional sigue siendo necesaria). El hecho de que el campo magnético sea variable durante el funcionamiento aumenta enormemente las posibles configuraciones, siendo este uno de los parámetros a optimizar. Figura 3.33 Representación axial de un refrigerador que opera con AMR fijo y rotación de la estructura magnética.[11] La figura 3.50 muestra un diseño magnético cerrado de dos polos con flujo azimutal y bomba bidireccional, aunque se muestren cuatro intercambiadores en la figura son solo representativos. Las etapas coinciden con las explicadas en el refrigerador alternativo. Figura 3.34 Representación de otras configuraciones posible de AMR fijo y estructura magnética rotativa.[11] Ecuaciones de transferencia 64 Figura 4.4 Perfil de temperatura modelado del paso del fluido por el AMR.[29] En la imagen pueden observarse el calentamiento del fluido a su paso por el AMR. Las línneas de puntos representan el estado inicial, las continuas gruesas el estado final y las continuas finas las del régimen transitorio.Las líneas negras corresponden al AMR y las azules al fluido de transferencia. • Expulsión de calor al ambiente El fluido cede ahora calor al ambiente mediante un intercambio convectivo cuyas ecuaciones son similares a las del AMR, con la salvedad de que ahora las condiciones geométricas que definen la convección cambian. Al despreciar las pérdidas en los conductos, la temperatura de salida del fluido en el AMR es la temperatura de entrada al siguiente interrcambiador. El calor cedido al ambiente por cada unidad de longitud será: Figura 4.5 Transferencia de calor al foco caliente. . 𝐴𝑓,𝐹𝐶𝜌𝑓𝑐𝑓(𝜕𝑇𝑓,𝐹𝐶 𝜕𝑡 +𝑢𝑥𝜕𝑇𝑓,𝐹𝐶 𝜕𝑥 )=𝑄󰇗𝐶𝑉,𝐹𝐶 (9) 𝑄󰇗𝐶𝑉,𝐹𝐶 =ℎ𝐹𝐶𝐴𝑓,𝐹𝐶 𝐿𝐹𝐶 (𝑇𝑓,𝐹𝐶(𝑥,𝑡)−𝑇𝐹𝐶) (10) La temperatura de salida del fluido del foco caliente corresponderá al valor de la variable: 𝑇𝑓,𝐹𝐶(𝑥=𝐿𝐹𝐶,𝑡= 𝜏2). 65 Estudio sobre sistemas de refrigeración magnéticos basados en el efecto magnetocalórico 4.4 Desmagnetización El fluido deja de circular por el interior del AMR y se retira el campo magnético. 𝑡∈(𝜏2,𝜏3) ,𝑢𝑥=0 Ahora las ecuaciones son similares al punto 3.1 teniendo en cuenta que ahora la eliminación del campo magnético provoca un efecto magnetocalórico en sentido inverso, que en las ecuaciones se modela como una transferencia de calor hacia el interior del material. Figura 4.6 Transferencia de calor durante la magnetización. . 𝐴𝑠𝜌𝑠𝑐𝑠𝜕𝑇𝑠 𝜕𝑡 =𝜕 𝜕𝑥(𝑘𝑠𝜕𝑇𝑠 𝜕𝑥)+𝑄󰇗𝑀𝐶𝐸,𝑑𝑒𝑠 (11) El efecto de la desmagnetización puede modelarse de forma similar a la magnetización: ▪ Añadiendo manualmente la variación de temperatura restando la variación de temperatura adiabática: 𝑇𝑠,𝑓𝑖(𝑥)=𝑇𝑠,𝑖(𝑥)−∆𝑇𝑎𝑑 (𝑥,𝑇𝑠,𝑖 ,𝜇0 𝐻𝑖 ,𝐻𝑓𝑖 ) (12) • Incluir el calor por la desmagnetización mediante los coeficientes: 𝑄󰇗𝑀𝐶𝐸(𝑥)=−𝐴𝜌𝑇𝑠𝜕𝑠𝑚 𝜕𝜇0𝐻(𝑥,𝜇0𝐻,𝑇𝑠)𝜕𝜇0𝐻 𝜕𝑡 (13) En esta ocasión 𝜕𝑠𝑚 𝜕𝜇0𝐻>0 por lo que cada sección diferencial absorbe calor. Realmente, tal y como se explica en el apartado uno, no existe un flujo de calor sino que cada sección diferencial del material magnetocalórico aumenta su entropía magnética al no incidir sobre él un campo que oriente sus dominios, disminuyendo su entropía de red que es función de la temperatura. 4.5 Enfriamiento del fluido de transferencia y absorción de calor Esta etapa consta de dos partes: • Paso del fluido por el AMR proveniente del foco caliente • Paso del fluido por el intercambiador del foco frío. En esta etapa: 𝑡∈(𝜏3,𝜏4 ) 𝑢𝑥<0. Ecuaciones de transferencia 66 • Enfriamiento del fluido en el AMR Figura 4.7 Transferencia de calor durante el enfriamiento del fluido. . El balance de energía para el sólido y el fluido es el mismo que en el calentamiento, cambiando el sentido de la convección. 𝐴𝑠𝜌𝑠𝑐𝑠𝜕𝑇𝑠 𝜕𝑡 =𝜕 𝜕𝑥(𝑘𝑠𝜕𝑇𝑠 𝜕𝑥)+𝑄󰇗𝐶𝑉,𝐴𝑀𝑅 (5) 𝐴𝑓,𝐴𝑀𝑅𝜌𝑓𝑐𝑓(𝜕𝑇𝑓,𝐴𝑀𝑅 𝜕𝑡 +𝑢𝑥𝜕𝑇𝑓,𝐴𝑀𝑅 𝜕𝑥 )=𝑄󰇗𝐶𝑉𝐴𝑀𝑅 (6) 𝑄󰇗𝐶𝑉=ℎ𝐴𝑓−𝑠,𝐴𝑀𝑅 𝐿𝐴𝑀𝑅 (𝑇𝑓,𝐴𝑀𝑅(𝑥,𝑡)−𝑇𝑠(𝑥,𝑡)) (14) • Absorción de calor del foco frío E fluido frío absorbe calor del foco frío aumentando su temperatura y finalizando así el ciclo. 𝐴𝑓,𝐹𝐹𝜌𝑓𝑐𝑓(𝜕𝑇𝑓,𝐹𝐹 𝜕𝑡 +𝑢𝑥𝜕𝑇𝑓,𝐹𝐹 𝜕𝑥 )=𝑄󰇗𝐶𝑉,𝐹𝐹 (15) 𝑄󰇗𝐶𝑉,𝐹𝐹=ℎ𝐹𝐹𝐴𝑓,𝐹𝐹 𝐿𝐹𝐹 (𝑇𝑓,𝐹𝐹(𝑥,𝑡)−𝑇𝐹𝐹) (16) 4.6 Cálculo de parámetros de interés Una vez alcanzado el régimen permanente con o sin carga térmica pueden calcularse varios parámetros de utilidad para comprender mejor el desempeño de la máquina: • Rango de temperatura del AMR Se define el rango de temperaturas del AMR como la diferencia entre la temperatura del fluido a la salida del extremo caliente durante la fase de magnetización y la temperatura de salida por el extremo frío, esto es: ∆𝑇𝐴𝑀𝑅 =𝑇𝑓,𝑚𝑎𝑔(𝑥=𝐿)−𝑇𝑓,𝐴𝑀𝑅(𝑥=𝐿) (17) Esta es la variación de temperatura máxima del ciclo y define su rango de funcionamiento. • Potencias de refrigeración y calefacción 67 Estudio sobre sistemas de refrigeración magnéticos basados en el efecto magnetocalórico Se definen como el calor intercambiado con el foco frío y caliente respectivamente y se calculan como sigue: 𝑄󰇗𝑅=𝑓∫𝑚󰇗𝑓𝑐𝑝( 𝜏𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 0𝑇𝑓,𝐹𝐹(𝑥=0,𝑡)−𝑇𝑓,𝐹𝐹(𝑥=𝐿,𝑡))𝑑𝑡 (18) 𝑄󰇗𝐶=𝑓∫𝑚󰇗𝑓𝑐𝑝( 𝜏𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 0𝑇𝑓,𝐹𝐶(𝑥=𝐿,𝑡)−𝑇𝑓,𝐹𝐹(𝑥=0,𝑡))𝑑𝑡 (19) Donde 𝑓,𝑚󰇗𝑓,𝑐𝑝 son la frecuencia del ciclo, la masa del fluido por unidad de tiempo y el calor específico a presión constante del fluido caloportador. • Trabajo del ciclo El trabajo a aportar para que el ciclo opere se obtiene como la suma del trabajo necesario para el bombeo del fluido y la variación del campo magnético: 𝑃𝑚𝑒𝑐=𝑃𝑏𝑜𝑚+𝑃𝑚𝑎𝑔 (20) La potencia de la bomba se calcula como: 𝑃𝑏𝑜𝑚=𝑚󰇗𝑓∆𝑃 𝜌𝑓𝜂 (21) Siendo ∆𝑃 la pérdida de carga del circuito donde debe tenerse en cuenta la caída de presión del AMR y los intercambiadores de ambos focos, los conductos, las válvulas de inversión en caso de haberlas. 𝜂 es el rendimiento mecánico de la bomba. 𝑃𝑚𝑎𝑔 indica el trabajo necesario para magnetizar y desmagnetizar el AMR, y se obtiene como: 𝑃𝑚𝑎𝑔=𝑄󰇗𝐶-𝑄󰇗𝑅 (22) Este valor, para que el modelo sea considerado termodinámicamente consistente debe coincidir con la siguiente expresión[35] 𝑤󰇗𝑚𝑎𝑔=𝑚𝑚𝑐𝑚∮𝑇𝑑𝑠=𝑚𝑚𝑐𝑚𝑓∫ ∫ 𝑇𝑠(𝑥,𝑡)𝑑𝑠 𝑑𝑡𝑑𝑡𝑑𝑥 𝐿 0 𝜏 0 (23) Cabe resaltar que, debido a la tipología del ciclo, el trabajo de magnetización y el de bombeo no coinciden en ningún momento, esto puede apreciarse en la siguiente figura. Figura 4.8 Variación de la incidencia del campo en función del tiempo durane el ciclo Dividiendo el período del ciclo en los cuatro tramos definidos previamente puede observarse que el trabajo de bombeo corresponde únicamente a los períodos de campo constante y el trabajo de Ecuaciones de transferencia 68 magnetización a los de magnetización y desmagnetización. • COP El COP del ciclo se obtiene como: 𝑪𝑶𝑷= 𝑄󰇗𝑅 𝑃𝑏𝑜𝑚+𝑃𝑚𝑎𝑔 El objetivo de la modelación numérica de los AMR consiste en obtener una serie de indicaciones acerca del posible desempeño de la máquina antes de realizar un prototipo, además permite intuir el comportamiento de este y comparar distintas combinaciones de geometría, refrigerante, temperaturas y frecuencias, aunque debe tenerse en cuenta que los valores obtenidos en prototipos reales se encuentran muy lejos de los valores obtenidos matemáticamente. 4.7 Pérdidas En el modelo propuesto no se suponen pérdidas de ningún tipo ya que se propone un modelo teórico ideal para facilitar la compresión del sistemas, aunque en sistemas reales se dan grandes pérdidas que deben tenerse en cuenta en la realización de prototipos. El orden de magnitud de estas pérdidas es enorme , ya que los sistemas de refrigeración magnétican alcanzan de forma téorica valores de COP relativos al de Carnot del 60% , valores mucho mayores que los obtenidos por refrigeración de compresión de vapor.Actualmente el único refrigerador magnético que ha conseguido operar alrededor del 60% de la eficiencia de Carnot es el desarrollado por Sergiu Lionte et al.[35] , cuyos resultados fueron publicados en Octubre de 2020, de dicho prototipo se hablará en el siguiente apartado. Algunas de estas pérdidas son: ▪ Pérdidas por el campo de desmagnetización: En las ecuaciones indicadas anteriormente se considera el campo en el interior del material magnetocalórico igual al que se obtiene en las mediciones cuando el volumen del hueco es ocupado por aire, realmente este valor no es así ya que influye tanto la geometría como el tipo de material. ▪ Pérdidas por el ambiente: Al igual que en cualquier sistema de refrigeración, los aislamientos no son ideales por lo que existirían pérdidas calorfícas hacia el entorno, esto se vería traducido en que las temperaturas de salida del AMR y entrada a los intercambiadores no coincidirían. ▪ Pérdidas por fricción: El flujo a su paso, tanto por los conductos como el AMR y los intercambiadores sufre una fricción que incluiría un calor adicional en las ecuaciones. ▪ Pérdidas por histéresis, tanto térmicas como magnéticas. 69 Estudio sobre sistemas de refrigeración magnéticos basados en el efecto magnetocalórico 5 ESTADO DE LA TECNOLOGÍA Y ASPECTOS ECONÓMICOS En este apartado de revisará el estado actual de la tecnología, en que situación se encuentra actualmente la refrigeración magnética y sus posibles campos de desarrollo. Igualmente se dedicará una sección al prototipo BUA, una unidad de refrigeración magnética diseñada para alcanzar los 15kW de potencia de refrigeración con un alto rendimiento. 5.1 Prototipo BUA El prototipo BUA[35] es el mayor refrigerador magnético presentado hasta la fecha, esta diseñado para ofrecer una potencia frigorífica de hasta 15 kW con un intervalo de temperatura de 20K siendo el primer prototipo diseñado a escala industrial. Sus datos fueron publicados en International Journal of Refrigeration en febrero de 2021. Figura 5.1 Refrigerador magnético BUA.[35] o Componentes ▪ Diseño magnético El funcionamiento del refrigerador es de tipo rotativo continuo con AMR fijo, el diseño magnético está compuesto de una estructura de imanes de NdFeB con una densidad de flujo máxima por unidad de 0,65T en cuyo interior se genera un campo magnético de cuatro polos con una densidad de flujo máxima de 1,34T; dicha estructura está conectada a un eje accionado por un motor que realiza el trabajo necesario.El diseño magnético fue realizado mediante un software de análisis numérico que limitaba valores como el peso total de la estructura o el coste del mismo. estado de la tecnología y aspectos económicos 70 Figura 5.2 Diseño magnético del prototipo BUA.[35] ▪ AMR Para la construcción del AMR se optó por una configuración de siete segmentos conformados por cinco materiales distintos con una geometría de de intercambiadorde placas paralelas debido a que era la solución óptima en la relación pérdida de carga/transferencia convectiva. Los materiales utilizados fueron Gd-Er en el extremo frío y Gd en el extremo caliente, cuyas temperaturas de Curie son 0ºC y 20ºC respectivamente, el resto de los materiales fueron elegidos con un intervalo de temperatura de 5K. La corona de AMR está diseñada para alojar 32 AMR, lo que implicaría 16 ciclos funcionando en paralelo, cada uno de ellos de 2,75 kg, sin embargo, solo dos de ellos fueron instalados para reducir costes. ▪ Fluido de transferencia El fluido utilizado fue una mezcla de agua y etilenglicol con inhibidores de corrosión. ▪ Otros Las válvulas utilizadas para la sincronización son de tipo mecánico.Tanto en el intercambiador del foco frío como en el del foco caliente se disponía de un ventilador para facilitar la convección, los conductos contaban con aislamiento térmico para evitar pérdidas. o Datos y mediciones Los datos y las mediciones fueron realizados por un laboratorio independiente (CEMAFROID) siguiendo la metodología normalizada “F EN ISO 23,953–2”. La tabla de resultados presentada es la que sigue.: Tabla 5.1 Tabla con los valores de funcionamiento del prototipo BUA[35] Los valores declarados son claramente alentadores, ya que es el primer prototipo tras más de veinte años de 71 Estudio sobre sistemas de refrigeración magnéticos basados en el efecto magnetocalórico desarrollo que consigue alcanzar unos valores de eficiencia cercanos a los pronósticados por los modelos numéricos (60% COP Carnot). Debe recordarse que lo valores proporcionados en la tabla son con la máquina en un modo de funcionamiento parcial ya que solo dos de los 32 regeneradores están ocupados, según los autores la potencia de refrigeración máxima de la máquina alcanzaría los 15 kW con un rango de temperatura de 19 K. El valor del COP en ambas pruebas incluso tomando toda la incertidumbre declarada de forma negativo arrojaría unos valores de 7,36 y 8,5 absolutos y de un 46% y 48 % del COP de Carnot. El prototipo BUA está diseñado, además, con la posibilidad de incorporar una extensión de dos estatores y tres rotores adicionales que permitiría valores de refrigeración de 30 kW. Este prototipo es la prueba de que la refrigeración magnética a temperatura ambiente puede ser competitiva en términos de rendimiento en el mercado actual, los costes de fabricación no han sido declarados por lo que no puede tenerse en consideración para evaluar el potencial económico de laatecnología, que por ahora aún está lejos de ser una alternativa viable como se verá en la siguiente sección. 5.2 Aspectos económicos A la hora de adquirir un equipo de refrigeración a temperatura ambiente de cualquier tipo las variables más importantes en su selección son: • Coste de adquisición: Se refiere al desembolso que debe realizarse por la máquina, depende de muchas variables como la potencia, el rendimiento, la marca, opciones de control etc. • Coste de operación: Se refiere al consumo del equipo durante su funcionamiento, en el caso de un sistema de refrigeración por compresión de vapor será determinado en gran medida por el consumo del compresor y en menor relevancia el bombeo de fluido o el consumo de los ventiladores en caso de haberlos, aparte de la energía requerida por los sistemas auxiliaries. En un sistema de refrigeración magnética estos costes serán los producidos por el movimiento del motor, el bombeo del fluido y los sistemas auxiliares. • Rendimiento o eficiencia: Indican que porcentaje (>100% normalmente) del consumo eléctrico se ve transformado en potencia frigorífica. Existen varios parámetros que definen el rendimiento total de un sistema de producción de frío en base a unas condiciones estándar absolutas como el EER o estacionales como el SEER. A la hora de comparar entre sistemas magnéticos y por compresión de vapor no pueden utilizarse dicho parámetros ya que están pensados para comparar sistemas de refrigeración convencionales entre sí , es por ello que en comparaciones de sistemás magnéticos y por compresión se utiliza el porcentaje del COP de Carnot realizable debido a que la mayoría de los prototipos no pueden alcanzar o no pueden acomodarse a las condiciones requeridas para establecer su EER o SEER. • Otros parámetros a a la hora de adquirir un equipo son sus niveles de ruido, el volumen ocupado etc. La refrigeración magnética a temperatura ambiente hoy en día no es una alternativa viable a la refrigeración por compresión de vapor, aunque prototipos como BUA demuestran que a nivel de costos de operación puede ser competitiva ya que pueden alcanzar mayores valores de rendimientos de Carnot obteniendo así una mayor potencia de refrigeración por cada wattio de trabajo. Sin embargo, dicha mejora en el rendimiento no justifica en ningún caso el coste de inversion de un sistema de refrigeración magnético. 5.2.1 Costes de adquisición La adquisición de las materias primas necesarias para la construcción de un refrigerador suponen el mayor coste para la inversion de la máquina. Esto se debe a los elevados precios de las materias primas que conforman tanto el diseño magnético como el AMR de un refrigerador magnético. Tanto el Neodimio como el Gadolinio, son materiales pertenencientes al grupo denominado “tierras raras”, considerados materiales estratégicos para el desarrollo tecnológico en los próximos años. La producción mundial de estos materiales está controlada por China, esto se debe a que posee las mayores reservas naturales del planeta además de una política medioambiental laxa, lo que provoca una alta volatilidad en los precios de este tipo de materiales haciéndolos depender de la situación geopolítica mundial. El proceso de separación de los metales puros a partir de sus óxidos (que es su estado más común en la naturaleza) es altamente costoso y contaminante obligando a países como EE. UU a exportar sus extracciones en territorio nacional a otros países para ser tratadas. estado de la tecnología y aspectos económicos 72 Figura 5.3 Gráfico histórico de producción mundial de tierras raras. [35] En 2015, Kitanovski et al realizó un estudio de costes de los componentes principales de un refrigerador usando Gadolinio en base a un diseño propio. Para la operación de dicho refrigerador se supuso necesaria una masa de 6kg de imanes de neodimio, 22,2kg de hierro dulce y 0,60 kg de material refrigerante. Fijando la temperatura del foco frío en 19ºC y el campo magnético incidente igual 1T puede obtenerse la capacidad de refrigeración máxima. [36] Material ∆𝑻𝒂𝒅 [K] ∆𝑺𝒊𝒔𝒐𝒕𝒆𝒓𝒎𝒂[J/kgK] 𝒒𝒓,𝒎á𝒙 [J/kg] Gd 3.3 3.1 910 Tabla 5.2 Propiedades magnetocalóricas del Gd 𝑭𝒓𝒆𝒄𝒖𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂 (𝑯𝒛) Potencia máxima de refrigeración[W] Material 1 2 5 10 Gd 604 1208 3019 6039 Tabla 5.3.Potencia de refrigeración máxima posible para una masa de 0,66 kg de refrigerante sólido en función de la frecuencia de operación. 73 Estudio sobre sistemas de refrigeración magnéticos basados en el efecto magnetocalórico El estudio original estima el precio por kilo de refrigerante, hierro dulce e imán en base a los precios del mercado en 2015 por lo que los datos se actualizarán a los precios actuales. Material Precio actual(€/kg) Precio 2015(€/kg) Masa(kg) Coste element(€) Incremento por manufactura Coste total 2015 Coste total actual(2021) NdFeB 77 40 6 462 +25% Hierro dulce 5 5 22.2 111 +25% AMR Gd 133,30 150 0,66 87,978 0 538€ 904,228€ Tabla 5.4 Estimación de costes Los incrementos de precio de la tabla se han realizado teniendo en cuenta la variación exclusivamente de la materia prima. El precio del Neodimio ha sufrido un incremento muy notorio debido a un aumento en su utilización en otros campos de la ingeniería, como la energía eólica o su aplicación en distintos componentes del coche eléctrico su precio ha aumentado un 192,5% [37]en los últimos seis años por lo que se supondrá ese aumento respecto al precio propuesto por Kitanovski en 2015. De manera equivalente, el óxido de gadolinio el material a partir del cúal se extrae el metal ha sufrido un descenso de un 12,52%.[38] Figura 5.4 Evolución histórica del precio del Neodimio en yuanes chinos por tonelada. [38] Como puede apreciarse en la figura 5,4 el precio de la construcción de un prototipo de refrigerador se ha duplicado prácticamente.Si tiene en cuenta que el diseño magnético y el refrigerante suponen un 70% del coste total del refrigerador [36] el coste de inversion por cada watio de refrigeración en función de la frecuencia resultaría: Conclusiones 80 6.2 Opinión personal y estudios posibles Mis expectativas acerca del futuro de los sistemas de refrigeración magnéticos son moderadas, la refrigeración magnética a día de hoy no es una alternativa viable a la compresión mecánica en ningún escenario, si bien es cierto que el estudio de los RM a temperatura ambiente es “joven” y no puede competir con una tecnología que ha sido optimizada durante los últimos 100 años, parte de los primeros artículos sobre el tema consultados para la realización de este estudio auguraban un escenario mucho más óptimista para la actualidad que en el que nos encontramos. Actualmente la refrigeración magnética parece mucho más destinada a aplicaciones muy concretas que a sustituir por completo a los ciclos por absorción o por compresión. Los grandes costos de inversion y la limitación en el rango de temperaturas limitan a los sistemas de refrigeración magnéticos de tal forma que, a día de hoy, solo tendrían sentido en grandes aplicaciones industriales, donde un mejor rendimiento y por tanto un menor consumo justifiquen la inversión y permitan que el período de retorno de la misma no se alargue demasiado. La refrigeración magnética comercial tardará años en llegar, su desarrollo se verá influenciado en gran parte por el precio de las materias primas y este depende en gran medida del desarrollo de otras tecnologías también relacionadas con la transción energética como el vehículo eléctrico o la energía eólica o hidraúlica. La mejora y el desarollo de la refrigeración basada en el efecto magnetocalórico vendrá determinada por los avances en los diferentes campos que abarca, ya que es una tecnología enormemente multidisciplinar. Todo los campos que abarca son dignos de estudio, tanto a nivel de TFG como a nivel de tesis o trabajos de fin de master.Desde un punto de vista ingenieril, hay varios campos de estudio sobre la tecnología, cada uno relacionado con una rama de la ingeniería: estudios sobre nuevos materiales magnetocalórios y la medición del efecto son posibles trabajos de fin de grado relacionados con la rama de ingeniería de los materiales; el estudio sobre los distintos ciclos termodinámicos magnéticos, la eficiencia y el funcionamiento general de los sistemas RM, la modelización y estudio de los distintos mecanismos de transferencia calor que se dan en el refrigerador ,el estudio de las distintas geometrías y diseño de los intercambiadores y el regenerador corresponderían a la ingeniería energética; el control ,la sincronización y monitorización de las distintas variables del sistemas corresponderían a la rama de automática… Centrandonos en la rama de la ingeniería energética, la realización de modelos más exactos que incluyan y modelen mejor las pérdidas y la transferencia de calor en los sistemas magnéticos ayudaría a comprender por qué no se alcanzan los valores de eficiencia teóricos y donde habría que poner el foco en los diseños para obtener mejores rendimientos. Igualmente los estudios sobre la distinta geometría de regeneradores resultan interesantes ya que todos los intercambiadores de calor comunes actúan como agente intermedio en la transferencia, y por tanto su geometría está optimizada para ello, sin embargo en los AMR el intercambiador actúa al mismo tiempo como refrigerante e intercambiador y quizá se requieran otro tipo de geometrías. 81 Estudio sobre sistemas de refrigeración magnéticos basados en el efecto magnetocalórico REFERENCIAS [1] Comisión Europea, “Estrategia de la UE relativa a la calefacción y la refrigeración,” p. 15, 2016. [2] D. Mayclin, “Air conditioning accounts for about 12% of U.S. home energy expenditures,” U.S. Energy Information Administration, Independent Statistics & Analysis, 2018. [Online]. Available: https://www.eia.gov/todayinenergy/detail.php?id=36692. [Accessed: 21-Oct-2020]. [3] A. Smith, “Who discovered the magnetocaloric effect? Warburg, Weiss, and the connection between magnetism and heat,” Eur. 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