- 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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