Estudio de la generación de temperaturas subambientales en un proceso termodinámico basado en el efecto magnetocalórico mediante prototipado y análisis termomagnético

Abstract

[Resumen] La refrigeración magnética (RM) a temperatura ambiente es una tecnología emergente, y muestra un potencial real para entrar en los mercados tradicionales de equipos de refrigeración y climatización. El principio de la RM obedece al efecto magnetocalórico (MCE), el cual se basa en el efecto provocado por un campo magnético sobre los materiales que poseen la propiedad de variar la entropía magnética, así como su temperatura, al variar el campo magnético. Esta tesis se centra en el estudio de la consecución de temperaturas subambientales entorno a temperatura ambiente mediante prototipado y análisis experimental de un sistema de RM con un diseño novedoso y simple, usando imanes permanentes y un regenerador magnético activo (AMR) con Gadolinio como refrigerante sólido. Previamente se revisa la teoría que sustenta el MCE y su termodinámica, y se describen los ciclos de RM de Carnot, Brayton, Ericsson, AMR y cascada de cara al establecimiento de criterios de selección en función de sus prestaciones. Asimismo, se analiza también el modo de operación de las dos categorías básicas en las cuales se pueden dividir los prototipos de refrigeradores AMR (rotativos y alternativos). Se lleva a cabo una revisión de los prototipos alternativos lineales más recientes e importantes, aportando conceptos de diseño y características de funcionamiento, con el objetivo de determinar posibles mejoras y su implementación en el prototipado experimental. El prototipo experimental se diseñó y construyó con el objetivo de estudiar, analizar, comprobar y validar la efectividad en cuanto a: a) Una nueva arquitectura para un ciclo AMR con un enfriamiento continuo en el intercambiador de foco frío b) Diferencia de temperatura alcanzado entre focos térmicos c) Capacidad y potencia de enfriamiento d) Reducción de la fuerza neta necesaria para el desplazamiento del AMR en el proceso de magnetización y desmagnetización a través de un sistema único de compensación de fuerzas.

[Resumo] A refrixeración magnética (RM) a temperatura ambiente é unha tecnoloxía emerxente, e mostra un potencial real para entrar nos mercados tradicionais de equipos de refrixeración e climatización. O principio da RM obedece ao efecto magnetocalórico (MCE), o cal se basea no efecto provocado por un campo magnético sobre os materiais que teñen a propiedade de variar a entropía magnética, así como a súa temperatura, ao variar o campo magnético. Esta tese céntrase no estudo da xeración de temperaturas subambientais entorno a temperatura ambiente mediante prototipado e análise experimental dun sistema de RM cun deseño novidoso e simple, usando imáns permanentes e un rexenerador magnético activo (AMR) con Gadolinio como refrixerante sólido. Previamente revísase a teoría que sustenta o MCE e a súa termodinámica, e descríbense os ciclos de RM de Carnot, Brayton, Ericsson, AMR e cascada de cara ao establecemento de criterios de selección en función das súas prestacións. Así mesmo, analizase tamén o modo de operación das dúas categorías básicas nas cales se poden dividir os prototipos de refrixeradores AMR (rotativos e alternativos). Lévase a cabo unha revisión dos prototipos alternativos lineais máis recentes e importantes, achegando conceptos de deseño e características de funcionamento, co obxectivo de determinar posibles melloras e a súa implementación no prototipado experimental. O prototipo experimental deseñouse e construíuse co obxectivo de estudar, analizar, comprobar e validar a efectividade en canto a: a) Unha nova arquitectura para un ciclo AMR con refrixeración continua no intercambiador do foco frío b) Diferenza de temperatura alcanzado entre focos térmicos c) Capacidade e potencia de refrixeración d) Redución da forza neta necesaria para o desprazamento do AMR no proceso de magnetización e desmagnetización a través dun sistema único de compensación de forzas.

[Abstract] Magnetic refrigeration (MR) at room temperature is an emerging technology and shows real potential for entering the traditional markets of refrigeration and air conditioning equipment. The MR principle obeys the magnetocaloric effect (MCE), which is based on the effect caused by a magnetic field on materials possessing the property of varying their magnetic entropy as well as temperature, with the variation in magnetic field. This thesis focuses on the study of achieving sub-ambient temperatures of around room temperature through the prototyping and experimental analysis of an MR system with a novel and simple design, using permanent magnets and an active magnetic regenerator (AMR) with Gadolinium as the solid refrigerant. Beforehand, a review is carried out of the theory behind the MCE and its thermodynamics, along with the description of the Carnot, Brayton, Ericsson, AMR and cascade RM cycles, in order to establish a selection criteria based on their features. Furthermore, the operating mode of the two basic categories into which AMR refrigerator prototypes can be divided (rotary and reciprocating) is analysed. A review of the latest and most important linear alternative prototypes is conducted, providing design concepts and performance characteristics, with the objective of identifying possible improvements and its implementation in the experimental prototyping. The experimental prototype was designed and built in order to study, analyse, test and validate effectiveness, with reference to: a) A new architecture for an AMR cycle with continuous cooling in the cold exchanger b) Temperature difference reached between thermal sources c) Cooling capacity and power d) Reduction of the net force required to move the AMR in the magnetisation and demagnetisation process via a unique force compensation system.