- Introducción
- Termodinámica del efecto magnetocalórico
- Principios termodinámicos
- Ciclos magnéticos
- Conclusiones
- Referencias
RESUMEN
La refrigeración magnética es una de las tecnologías con mayor potencial comercial debido a sus ventajas ambientales y energéticas frente a los sistemas convencionales. Este artículo presenta los aspectos termodinámicos más importantes del efecto magnetocalórico, fundamental en el estudio de las transformaciones magnéticas y el desarrollo de la refrigeración magnética. También se explican los ciclos magnéticos de Carnot, Brayton y de Regeneración Magnética Activa aplicados a la refrigeración magnética. Los ciclos de Brayton y de Regeneración Magnética Activa se emplean en aplicaciones con amplios intervalos de la temperatura de operación.
1. INTRODUCCIÓN
La refrigeración magnética aprovecha el efecto magnetocalórico (MCE) para reemplazar los procesos de compresión y expansión de los sistemas convencionales por procesos de magnetización y desmagnetización de un material magnetocalórico [Hoyos, 2004].
A diferencia del ciclo de vapor, en los sistemas de refrigeración magnética el refrigerante (material magnetocalórico) es un sólido y no se puede bombear a través de intercambiadores de calor. Por tanto se emplea un fluido que transfiere la energía entre el refrigerante magnético y los depósitos [Zimm, et al., 1998].
Este sistema de refrigeración presenta grandes ventajas ambientales y energéticas. Al suprimir el compresor, aumenta la eficiencia y reduce la emisión de CO2. También disminuye el efecto invernadero causado por los CFC y HFC, porque reemplaza los refrigerantes del ciclo de vapor por un refrigerante magnético y un fluido, que puede ser agua o helio dependiendo de la temperatura de aplicación [Steyert, 1978].
La manifestación del efecto magnetocalórico como un cambio de entropía isotérmico o un cambio de temperatura adiabático, permite obtener diferentes ciclos termodinámicos. En este artículo se presentan los principios termodinámicos de los ciclos magnéticos de Carnot y de Brayton, señalando las limitaciones termodinámicas de los sistemas de refrigeración que emplean el ciclo de Carnot. Adicionalmente, se presenta la descripción del ciclo de Regeneración Magnética Activa (AMR).
El ciclo de Carnot se realiza en dos procesos de cambio de temperatura adiabático y dos procesos de cambio de entropía isotérmico. Esto permite estudiar directamente las manifestaciones del MCE.
La aplicación del ciclo de Carnot se restringe a temperaturas inferiores a 20K, debido al aumento de la capacidad de calor con el aumento de la temperatura. Al aumentar la capacidad de calor disminuye el MCE y aumenta la energía necesaria para cambiar el orden magnético del material. El intervalo de temperaturas de operación está limitado por el cambio de temperatura adiabático a temperaturas inferiores a 22K [Hoyos, 2004].
En la refrigeración magnética el refrigerante es un sólido y no un fluido, por tanto no es apropiado emplear el término calor específico, tanto la entropía como la capacidad de calor son propiedades extensivas.
El ciclo de Brayton es un ciclo regenerativo que permite obtener amplios intervalos de temperatura de operación. Puede operar a temperaturas altas, porque el intercambio de calor entre el refrigerante magnético y el fluido no se realiza en los procesos de cambio de entropía isotérmico (como en el ciclo de Carnot), sino en procesos en los que la intensidad magnética permanece constante.
Las principales aplicaciones de la refrigeración magnética han sido en licuefacción de gases, aplicaciones aeroespaciales, aplicaciones médicas de imágenes de resonancia magnética y el enfriamiento de sensores infrarrojos para aplicaciones científicas y militares [Kral y Barclay, 1991]. Se espera que en los próximos años se pueda emplear en aplicaciones comerciales a temperatura ambiente, en sistemas de aire acondicionado y refrigeradores domésticos.
2. TERMODINÁMICA DEL EFECTO MAGNETOCALÓRICO
Los sistemas de refrigeración aprovechan el cambio en la entropía de un material debido a la variación de parámetros externos, como la presión o la magnetización, para producir frío. Estos fenómenos son conocidos como efecto elastocalórico (ECE) y efecto magnetocalórico (MCE), respectivamente.
Los sistemas convencionales transfieren calor debido al cambio en la presión ejercida sobre un material en un proceso donde la intensidad magnética permanece constante (un campo magnético nulo es un caso particular). Los sistemas de refrigeración magnética emplean un principio inverso. En estos sistemas, la transferencia de calor se produce cuando cambia el campo magnético aplicado sobre el material, en un proceso en el que la presión permanece constante [Hoyos, 2004].
Durante un proceso adiabático podrían cambiar simultáneamente la presión y el campo magnético externo, produciendo el efecto magneto-elastocalórico (MECE). Actualmente no existen estudios sobre éste fenómeno y en las aplicaciones de la refrigeración magnética lo común es evitar al máximo los cambios de presión para despreciar el ECE y utilizar sólo el MCE [Tishin, 2000].
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