por: IIR*
La refrigeración magnética es un método de refrigeración adiabática que aplica el efecto magneto-calórico (EMC). Desde el punto de vista de la física básica, muestra una analogía con el método convencional de compresión/expansión de gas. Ha sido aplicado por muchos años en criogenia para alcanzar temperaturas muy bajas.
En 1976, Brown presentó el primer refrigerador a temperatura ambiente que aplicaba magnetización adiabática y desmagnetización1. Luego del descubrimiento del efecto magneto-calórico “gigante” (EMCG) en Gd5 (Si2Ge2) en 1997 por parte de Gschneidner y Pecharsky2 que incrementa el EMC, muchos científicos y representantes industriales aceptan que esta “nueva” tecnología tiene un buen potencial para tener en el futuro una gran penetración en el mercado de la refrigeración; están convencidos de que en diferentes áreas la refrigeración convencional podría ser reemplazada por la magnética.
El principal motivo para esta actitud es la posibilidad de reemplazar los refrigerantes HFC por aleaciones magneto-calóricas ambientalmente benignas. Los HFCs con un potencial de calentamiento global (PCG) de 1000 a 3000 veces mayor que el del CO2, actualmente muestran un creciente mercado de ventas, que tiene su origen en la eliminación progresiva de los HCFCs y CFCs más destructivos. Este proceso todavía está en progreso y en la mayoría de países en desarrollo los HCFCs y CFCs todavía son permitidos. Los sistemas con refrigerantes naturales (amoníaco, CO2, propano, etc.) son buenas soluciones para diferentes aplicaciones, pero hasta la fecha, ninguno de ellos ha alcanzado avances notables en una amplia escala de aplicaciones. Otras ventajas incluyen las eficiencias de mayor ciclo de los procesos de refrigeración magnética, comparado con los de la refrigeración por compresión de gas y las condiciones de operación sin ruido de un refrigerador magnético. Esta nota informativa de IIR destaca brevemente los últimos avances, las ventajas y las desventajas de esta promisoria tecnología.
Para empezar
El mercado de la tecnología de refrigeración está muy relacionado con la producción de bebidas y alimentos, el proceso industrial, la industria química y farmacéutica además del sector automotriz. Algunos de estos nichos están teniendo un fuerte desarrollo, gracias a los crecientes ingresos de los clientes de Europa Oriental, India y China. El mercado minorista, supermercados y las cadenas de hipermercados se están beneficiando enormemente de este desarrollo.
Debido a que el número de tecnologías alternativas de refrigeración que han sido construidas es insignificante, se han creado positivas perspectivas para los productores de sistemas de compresión de gas.
Además, la tendencia hacia el enfriamiento de edificios locales en áreas sureñas también está aumentando. El escenario (tan comercial como siempre), basado en simulaciones de sistemas dinámicos, numéricos y climatológicos, fue publicado por la Comisión Europea. La predicción para el año 2010 es de un nivel de emisiones de HFC equivalente a 66 Mtoneladas de CO2; lo que representa un incremento del 62%, respecto al valor de 1995. La refrigeración y el acondicionamiento de aire son los responsables de un 43%. ¿Cuáles serán las alternativas cuando los HFCs también tengan que reducirse? Ese es el deseo de un creciente número de políticos de algunos países.
Tal vez se descubrirán nuevos refrigerantes que sean menos perjudiciales. Una nueva mezcla acaba de ser desarrollada y anunciada por una compañía industrial, pero hasta ahora, faltan experiencias confiables. Por esa razón, el tiempo sería ideal para una tecnología alternativa de refrigeración, como por ejemplo la magnética.
Esta promisoria tecnología trabaja sin refrigerante gaseoso y su eficiencia energética (coeficiente de desempeño), en principio, puede ser mayor que la de un sistema de refrigeración convencional. Como resultado de ello, su progreso en ciertos dominios del mercado llevaría a una menor producción de CO2 en la atmósfera. Esta nota informativa ofrece una visión general de la tecnología, discute las aplicaciones ideales y no tan promisorias e informa sobre algunos problemas que deben solucionarse para ingresar a las fases industrializadoras para las diferentes aplicaciones de refrigeración imaginadas.{mospagebreak}
El efecto magneto-calórico
Un material magneto-calórico puede ofrecer tres diferentes contribuciones a la entropía total: una contribución magnética, una electrónica y una en red3. La entropía es una medida de orden en el sistema magneto-termodinámico. Un orden alto se relaciona con una entropía baja y viceversa. Los dipolos, es decir, las rotaciones electrónicas pueden mostrar diferentes orientaciones. Si se trata de un paramagneto, un ferromagneto o un diamagneto, estas entidades están orientadas en la misma dirección, el orden y también la magnetización son altos.
Es claro que la aplicación de un campo magnético alinea las rotaciones electrónicas, y la disminución de la temperatura (liberando energía del sistema) también lleva a tener un sistema más ordenado. Por lo tanto, en el sentido de la teoría de los fenómenos críticos, el campo magnético externo produce el parámetro de esfuerzo y la magnetización el parámetro de orden de dichos materiales. En la Figura 1, la imantación del gadolinio puro se muestra como una función del “campo magnético”???0H y la temperatura T. Si todos los momentos o rotaciones se alinean, se presenta la magnetización máxima Mmax. La magnetización real M(T,H) se divide por este valor máximo Mmax = 2.47 T (tesla) para obtener la magnetización normalizada mˆ = M/Mmax.
La temperatura también es normalizada; se divide por la temperatura de Curie Tc del material: t = T/Tc. Para el gadolinio, la temperatura de Curie está simplemente a temperatura ambiente, es decir a Tc ? ?293 K. La magnetización máxima (mˆ ?1) se presenta en el punto cero absoluto (T = 0 K o t= 0), independientemente del campo magnético aplicado. A temperaturas mayores, la magnetización es menor. Además, aquí uno puede observar una dependencia de campo magnético. Es claro que un campo mayor produce un ordenamiento mayor, respectivamente una mayor magnetización mˆ.
Si el material magneto-calórico se lleva a un campo magnético, generalmente esto implica un proceso rápido. Prácticamente ningún calor se intercambiará con el ambiente. Entonces, para este proceso adiabático, la entropía total "s" (que en casos normales es la suma de sM magnético, sE electrónico y sL de entropía de red) permanece constante: s = sM + sE + sL = const.3 pero aumenta la magnetización. Esto significa que la entropía magnética sM disminuye. Por lo tanto, las restantes entropías electrónica y de red (sE y sL) deben aumentar. A través de acoples de red de rotación (que se presentan en milisegundos), se crean fonones o vibraciones de red. Estos movimientos oscilatorios pueden compararse con el movimiento browniano de átomos o moléculas en un gas.
Estos aumentan la temperatura del material sólido. Ahora queda claro que la remoción del material magneto-calórico del campo magnético disminuye sus vibraciones de red y su temperatura, debido a que en este instante los momentos magnéticos y las rotaciones toman energía de la red y se desordenan nuevamente. Los incrementos de temperatura alcanzables ?? del gadolinio para los cambios del “campo magnético” ?0H de T 1 y 2 se muestran en la Figura 2. Para ambos cambios de campo, la disminución de temperatura se presenta a la temperatura mayor ? + ??, con el mismo valor absoluto del cambio de temperatura, ? ?? ?, en el caso de calefacción y refrigeración8.
Para el refrigerador magnético con magnetos permanentes de peso razonable, T2 es al momento la fuerza máxima obtenible de “campo magnético”. Para el campo magnético, el proceso descrito es una transición de fase de segundo orden. Para campos magnéticos mayores, esta transición se vuelve continua. El intercambio de grados de liberación que se describe entre el momento/rotación magnética y el sistema de red es el proceso clave para la refrigeración magnética y fue descubierto en 1881 por el físico alemán Emil Warburg.
Procesos de refrigeración magnética
En la Figura 3 se muestran los cuatro pasos básicos de un proceso convencional de refrigeración por compresión/expansión de gas. Los pasos son: compresión de un gas, extracción de calor, expansión del gas e inyección del calor. Los dos pasos del proceso denominados extracción de calor y expansión son los responsables del proceso de refrigeración en dos pasos. El proceso principal generalmente se presenta a través de la expansión del gas.
Los pasos de un proceso de refrigeración magnética son análogos. Al comparar la Figura 3 con la Figura 4, podemos ver que en lugar de compresión de un gas, se mueve un material magneto-calórico dentro de un campo magnético y que, en lugar de expansión, éste se mueve fuera del campo. Como se explicó en la sección anterior, estos procesos cambian la temperatura del material y puede extraerse el calor inyectado tal cual se hizo en el proceso convencional.
Existen algunas diferencias entre los dos procesos. La inyección y la expulsión de calor en un refrigerante gaseoso es un proceso algo veloz, debido a que el movimiento turbulento transporta el calor muy rápido; desafortunadamente, este no es el caso en los materiales magneto-calóricos sólidos, en ellos el mecanismo de transporte para el calor es una difusión molecular lenta. Por lo tanto, actualmente las estructuras porosas de filigrana se consideran como la mejor solución para superar este problema.
Las pequeñas distancias desde las regiones centrales del material hasta un dominio de fluido adyacente, en donde un líquido de transporte térmico captura el calor y lo traslada fuera del material, son ideales para hacer que el proceso de refrigeración magnética sea más rápido. Además, las no muy grandes diferencias de temperatura adiabática de los materiales magneto-calóricos, requerirán más frecuentemente, que lo que requieren los refrigeradores convencionales, de un diseño de refrigeradores magnéticos regenerativos o de cascada8 y, por lo tanto, demandan pasos adicionales de transferencia de calor.{mospagebreak}
Materiales magneto-calóricos y sus propiedades.
Para aplicar el efecto magneto-calórico con un alto desempeño, es necesario contar con propiedades óptimas en los magnetos y los materiales magneto-calóricos. Para esto, deben tenerse en cuenta las diferentes familias (que presentan un GMCE grande). El gadolinio puro puede ser considerado como la sustancia ideal para refrigeración magnética, al igual que el gas ideal para la refrigeración convencional. Pero así como los sistemas convencionales generalmente se operan con gases ideales, los refrigeradores magnéticos se desempeñarán mejor con aleaciones de diseño especial.
Una ventaja del gadolinio puro es que sus propiedades pueden ser descritas por las leyes físicas básicas, tales como la función de Brillouin para la magnetización, la función de Debye para el calor específico, etc. Esto permite el cálculo numérico de los diagramas magneto-termodinámicos de alta resolucion9. Producir dichos diagramas para las aleaciones magneto-calóricas demandaría una tremenda cantidad de datos experimentales de alta calidad, que normalmente no están disponibles. Por lo tanto, generalmente tiene sentido comenzar por una prueba inicial de un prototipo de refrigerador magnético con un relleno de gadolinio. Luego de solucionar los problemas iníciales de una nueva máquina con el contenido de gadolinio, éste último puede ser reemplazado por mejores aleaciones magneto-calóricas. Gschneidner y Pecharsky10 han publicado la siguiente lista de categorías promisorias de materiales magneto-calóricos para la aplicación en refrigeradores magnéticos:
* Compuestos intermetálicos binarios y terciarios.
* Compuestos de gadolinio-silicio-germanio.
* Manganitas.
* Compuestos basados en lantano-hierro.
* Arseniuro de manganeso-antimonio.
* Fosfuros de hierro-manganeso-arsénico.
* Aleaciones finas y amorfas (muy recientes).
Actualmente, se está reemplazando las sustancias tóxicas en dichos compuestos por elementos más aceptables. Actualmente, se encuentran bajo investigación las entropías totales y la capacidad de refrigeración relacionada, el cambio adiabático de temperatura y los costos de los materiales. Brück afirma que en un futuro cercano, también serán importantes otras propiedades tales como la resistencia a la corrosión, las propiedades mecánicas, la conductividad de calor, la resistividad eléctrica y el impacto ambiental4.
Actualmente, se reportan los mejores materiales (pero no muy costosos) con capacidades de refrigeración a un cambio de resistencia de “campo magnético” T2 de aproximadamente 1500 J/kg a temperatura constante9 y un cambio adiabático de temperatura de 7-8 K. Los materiales con baja histéresis magnética son favorables porque el área de una curva de histéresis sobre coordenadas de M vs. H corresponde a la energía disipada en el ambiente en cada ciclo.
Máquinas magneto-termodinámicas.
Aplicación de las señales del GMCE para un cambio de campo magnético en un material magneto-calórico. Esto se puede realizar utilizando diferentes principios de refrigeración magnética:
* Cambio alternativo de campos magnéticos en bloques estáticos de material magneto-calórico por aplicación de electro-magnetos.
* Movimiento rectilíneo de material magneto-calórico con ensambles de magneto permanentes.
* Movimiento rectilíneo de ensambles de magneto permanentes con bloques de material magneto-calórico.
* Movimiento rotatorio del material magneto-calórico con ensambles de magneto permanentes estáticos.
* Movimiento rotatorio de ensambles de magneto permanentes con bloques de material magneto-calórico.
Los ciclos magneto-termodinámicos básicos son el ciclo de Carnot, el ciclo de Brayton, y el ciclo de Ericsson. Igualmente, se explican los procesos de regeneración y de cascada. Otro concepto es la aplicación de la AMR (Refrigeración Magnética Activa)10.
Hasta ahora, se han publicado estudios de 28 prototipos ,una de las máquinas más exitosas fue construida por Astronautics Corporation, USA, y se muestra en la Figura 5. Este tipo rotatorio de refrigerador magnético es operado con una frecuencia de hasta 4 Hz, posee una inducción de campo magnético de 1.5 T, está lleno de esferas de gadolinio y tiene una capacidad de refrigeración de 95 W con un margen de temperatura máxima de 20K10. Otros prototipos han sido construidos por el Instituto de Ciencia Material en Barcelona, España, Chubu Electric/Toshiba en Yokohama, Japón, un equipo de la Universidad de Victoria, British Columbia, Canadá, el Instituto Sichuan de Tecnología, Universidad de Nanjing, Nanjing, China, el Laboratoire d’Electronique Grenoble en Grenoble, y Cooltech Applications, Francia11.
El prototipo diseñado por la Universidad de Victoria aplica la técnica de plataforma por capas con dos diferentes materiales. Al escoger diferentes aleaciones en diferentes posiciones en el refrigerador, el desempeño del refrigerador aumenta. El prototipo del refrigerador construido en el Instituto Sichuan de Tecnología fue el primero que aplicó un material con GMCE por encima de la diferencia de temperatura adiabática del gadolinio. {mospagebreak}
Ventajas y desventajas
Las ventajas potenciales de la refrigeración magnética son válidas en comparación con las máquinas refrigerantes de evaporación directa:
* Tecnología “verde”, sin uso de refrigerantes convencionales.
* Tecnología sin ruido lo que es una ventaja en contextos tales como las aplicaciones médicas.
* Mayor eficiencia energética. Los ciclos termodinámicos cerca al proceso de Carnot son posibles debido a la reversibilidad del MCE.
* Diseño simple de las máquinas; por ejemplo, refrigerador con intercambiador térmico poroso y rotatorio.
* Bajos costos de mantenimiento.
* Baja presión atmosférica. Ventaja en aplicaciones tales como las unidades de acondicionamiento de aire y de refrigeración en automóviles.
De otro lado, se presentan algunas desventajas:
* Se deben desarrollar materiales de GMCE que permitan mayores frecuencias de refrigeradores magnéticos rotatorios y rectilíneos.
* Protección de componentes electrónicos a partir de campos magnéticos. Cabe anotar, sin embargo, que son estáticos, de corto rango y pueden ser blindados.
* Los magnetos permanentes tienen una resistencia de campo limitada. Los electromagnetos y los magnetos superconductores son costosos.
* Los cambios de temperatura son limitados. Las máquinas multi-etapas pierden eficiencia con la transferencia térmica entre las etapas.
* El movimiento de las máquinas requiere una alta precisión para evitar una reducción del campo magnético debido a los intervalos que se presentan entre los magnetos y el material magneto-calórico.
Posibles aplicaciones futuras
La lista de posibles aplicaciones incluye todos los campos de refrigeración, tecnología de bombas térmicas y conversión de energía. Sin embargo, existen dos condiciones que limitan las aplicaciones de la tecnología en su estado actual. La primera es el margen de temperatura; si la diferencia entre los niveles de temperatura superior e inferior es grande, entonces el número de etapas también se vuelve grande y ya no es económica la realización práctica.
La segunda condición es la estabilidad de las condiciones de operación; debido a que el MCE está limitado a un dominio alrededor de la temperatura de Curie en donde se presenta la transición de fase continua, es difícil operare las máquinas de refrigeración magnética bajo condiciones altamente fluctuantes. Se requieren niveles de temperatura más o menos estables para lograr una operación confiable y eficiente en un sistema de refrigeración magnética. El potencial para sistemas de acondicionamiento de aire magneto-calóricos efectivos en el costo fue descrito por Russek y Zimm en el Informe de la IIR12.
Conclusión
La refrigeración magnética es indudablemente una promisoria tecnología que debe ser promovida por sus numerosas ventajas, en particular en ahorro de energía y beneficios ambientales. Actualmente, los prototipos eficientes para aplicaciones específicas deben construirse de tal forma que la industria de refrigeración pueda convencerse de introducir fases industrializadoras para la producción de nuevos refrigeradores magnéticos.
*Esta nota informativa fue preparada por Peter W. Egolf, presidente del equipo de trabajo de IIR sobre refrigeración magnética, y por Ronald E. Rosenweig, antes Chaire Blaise Pascal, Paris, y autor de Ferrohidrodinámica13. Además, fue revisada por diferentes expertos de IEEE e IRR en todo el mundo.
Referencias
1. Brown G.V. Magnetic Heat Pumping Near Room Temperature, J. Appl. Phys. 47, 3673-3680, 1976.
2. Pecharsky V.K, Gschneidner K.A. Jr. Giant Magnetocaloric Effect in Gd5(Si2Ge2), Phys. Rev. Lett. 78 (23), 4494-4497, 1997.
3. Tishin A.M, Spichkin Y.I. The Magnetocaloric Effect and its Applications, Series in Condensed Matter Physics, Institute of Physics, Publishing Ltd, 2003.
4. Brück E. Developments in Magnetocaloric Refrigeration, Topical Review J Phys. D: Appl. Phys. 38, R381-R391, 2005.
5. Yu B.F, Gao Q, Zhang B, Meng X.Z, Chen Z. Review on Research of Room Temperature Magnetic Refrigeration, Int. J. Refrig. 26, 1-15, 2003.
6. Egolf P.W, Sari O, Kitanovski A, Gendre F. (Editors). Proc. 1st Int. Conf. magn. Refrig. Room Temp., Montreux, Switzerland, September 27-30, 2005.
7. Auracher H, Egolf P.W. (Editors). Magnetic Refrigeration at Room Temperature, Special Issue of the Int. J. Refrig. 29 (8), 2006.
8. Kitanovski A, Egolf P.W. Thermodynamics of Magnetic Refrigeration, Int. J. Refrig. 29, 3-21, 2006.
9. Rosensweig R.E, Gonin C, Kitanovski A, Egolf P.W. Magneto-thermodynamics Charts of Gadolinium for Magnetic Refrigeration (in preparation).
10. Gschneidner K.A. Jr, Pecharsky V.K, Tsokol A.O. Recent Developments in Magnetocaloric Materials, Institute of Physics Publishing, Rep. Prog. Phys. 68, 1479-1539,
2005.
11. Muller C, Vasile C. A new System for Magnetocaloric Refrigerator, Proc. 1st Int. Conf. magn. Refrig. Room Temp., Montreux, Switzerland, September 27-30, 2005.
12. Russek S.L, Zimm C. B. Potential for Cost-effective Magnetocaloric Air-conditioning Systems, Bulletin of the IIR. 2006-2, 4-17.
13. Rosensweig R.E. Ferrohydrodynamics, Cambridge University Press, New York, 1985; reprinted with updates by Dover Publications, Inc. Mineola, New York, 1997.
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