Refrigeración Magnética

Refrigeración Magnética: Principios y Aplicaciones.
Nataly Cubides (273431) [email protected]
Universidad Nacional De Colombia-Sede Bogotá.
Resumen: la refrigeración magnética es una avanzada técnica que permitirá en un futuro
reemplazar los refrigeradores tradicionales y con esto contribuir a la reducción de la
contaminación (gases efecto invernadero y consumo de energía). Es un método que aplica
campos magnéticos opuestos para incrementar la temperatura de los materiales utilizados. La
energía calórica se transporta a través de un fluido no volátil, por ejemplo el agua, y luego se
invierte termodinámicamente para transformarla en una temperatura más fría.
Los sistemas de refrigeración (industriales
y domésticos (Fig. 1)) se basan en la
compresión y expansión de un gas.
Cuando este se comprime pasa al estado
liquido y al expandirse vuelve a ser gas,
para realizar el proceso de evaporación el
sistema necesita de calor, que lo toma del
medio en que se encuentre por lo tanto
enfría el medio. Pero los gases (como el
R-134a y el R600a) que se utilizan en este
ciclo, con el tiempo escapan a la atmosfera
y se convierten en contaminantes al
contribuir con el efecto invernadero.
de ciclos de compresión-expansión, utilizar
ciclos de imantación1-desimantación. Esta
nueva
alternativa
tiene
ventajas
energéticas y ambientales, reduce la
emisión de CO2, no utiliza químicos
peligrosos como el amoniaco y alcanza
eficiencias de Carnot2 que oscilan entre el
60% y 90% mientras la eficiencia máxima
de los ciclos convencionales llega a un
40% (Hoyos, 2004).
Figura 2. Sistema de refrigeración magnético.
Figura 1. Sistema de refrigeración
convencional.
Una de las principales alternativas que se
ha
estudiado
actualmente
es
la
refrigeración magnética (Fig. 2). Este
método consiste en cambiar el principio de
enfriamiento utilizado hasta ahora; en vez
de gas utilizar un sólido magnético y en vez
Los átomos magnéticos.
La materia está formada por átomos y entre
ellos, unos pocos (Cr, Mn, Fe, Co y Ni)
1
se define como el momento dipolar magnético por
unidad de volumen
2
realizado por una maquina térmica, este ciclo
absorbe un calor Q1 de una fuente de alta
temperatura y cede un Q2 a una fuente de baja
temperatura produciendo un trabajo W sobre el
exterior.
tienen momento magnético (Fig. 3). El
modelo
de
momentos
magnéticos
localizados considera que cada átomo tiene
un momento magnético fijo sin hacer
consideraciones sobre su estructura
electrónica, esto permite describir el
comportamiento
de
los
materiales
magnéticos a través de las leyes de Curie3
y Curie-Weiss4, la mayoría de los
materiales ferro magnéticos especialmente
el gadolinio, cambian su orden magnético a
paramagnético (Velazques, 2003).
magnética son proporcionales al valor del
momento magnético del material y a la
intensidad del campo aplicado.
Tenemos, pues, un procedimiento para
enfriar por debajo de la temperatura
ambiente (Fig. 4).
Figura 3. Spin y momento orbital de un electrón.
A los momentos se opone la agitación
térmica que tiende a desordenar la
dirección en la que apunta cada uno de
estos imanes atómicos. El resultado es que
al aplicar el campo se pierde la mayor parte
de la energía de agitación térmica de los
momentos magnéticos. Esta energía pasa
en forma de calor al resto de los átomos del
material y a los objetos que están en
contacto térmico con él, consecuentemente
la temperatura sube. En forma inversa, si
el material está en presencia de un campo
externo y de repente se suprime el campo,
el material se enfría (Fernández, 2004).
Efecto Magneto calórico.
Todo sistema de refrigeración aprovecha el
cambio de la entropía de un material
debido a la variación ya sea de la presión o
la magnetización para absorber y liberar
energía. El efecto magneto calórico (MCE)
es la absorción o emisión de calor cuando
un material se somete al cambio de un
campo magnético en un proceso donde la
presión permanece constante (Hoyos,
2004).
Ciclo de refrigeración magnética.
El calentamiento y enfriamiento que
ocurren en un ciclo de refrigeración
3
Establece que para un material paramagnético la
magnetización es directamente proporcional al campo
magnético aplicado e inversamente proporcional a la
temperatura.
4
Da la susceptibilidad magnética en función de la
temperatura.
Figura 4. Ciclo de refrigeración magnética.
La parte superior izquierda representa el
material que contiene átomos con momento
magnético, representados por flechas.
Cada flecha es un imán atómico con polos
N-S que está a temperatura ambiente
(representada por el color azul celeste) y
apuntando en dirección aleatoria. Primero
aplicamos
un
campo
magnético,
simbolizado en la segunda etapa por un
imán de herradura: los momentos
magnéticos se alinean con el campo
externo y el material se calienta
(simbolizado por el color rojo). A través del
contacto térmico con el exterior y
manteniendo el campo externo, el material
se enfría hasta la temperatura ambiente
(tercera etapa, en color verde). Después
suprimimos repentinamente el campo: los
momentos se desalinean y el material se
enfría. Se alcanza una temperatura más
baja que la ambiental (cuarta etapa, en
color azul marino). El material se pone en
contacto térmico con el objeto que
queremos enfriar, simbolizado por un
refrigerador. El objeto se enfría y el material
se calienta hasta que ambos alcanzan una
temperatura de equilibrio, inferior a la que
tenía el objeto. El proceso puede repetirse
y el resultado es que cada ciclo extrae una
cantidad de calor del refrigerador cediendo
calor al exterior, de modo que todas las
temperaturas excepto la verde van
bajando. Al final se alcanza un valor
estable en el que la capacidad de
refrigeración del material iguala las fugas
de calor desde el exterior hacia el objeto.
Las temperaturas del material en cada
etapa
están
simbolizadas
por
los
termómetros de mercurio grises. Este
proceso se denomina desimanación
adiabática5 y se emplea desde 1927 para
conseguir temperaturas extremadamente
bajas en laboratorios, cercanas al cero
absoluto. Como material se usa una sal
paramagnética y el proceso sólo es eficaz a
temperaturas muy bajas porque, a más
altas, los campos necesarios para alinear
los momentos contra la agitación térmica
serían enormes, mucho más intensos de lo
que se puede conseguir en el laboratorio,
incluso con una bobina superconductora
(Ramón Burriel Lahoz, 2003).
Modelo
simple
localizados.
de
electrones
La mayoría de los materiales ferro
magnéticos, específicamente el gadolinio
cambian
su
orden
magnético
a
paramagnético en una transformación de
segundo orden que se puede describir
mediante la ley de Curie-Weiss (Ecuación
1):
𝑀=
𝐶
𝑇−𝜃
∗ 𝐻 (1)
Donde
C: constante de Curie (K)
θ: temp de transformación magnética (K)
T: temperatura del material (T>q)
H: intensidad del campo magnético (A/m)
Para
la
ley de
Curie-Weiss las
temperaturas deben ser mayores a la
temperatura de transformación magnética,
a temperaturas cercanas a la del ambiente
la razón de cambio de magnetización con
respecto a T disminuye a medida que se
aleja de la temperatura de transformación y
se puede calcular a partir de la ley de
Curie-Weiss. La constante de Curie se
calcula a partir de la siguiente ecuación
(Ecu. 2):
5
En un proceso adiabático este no transfiere calor al
entorno.
𝑁𝜇0 𝑀2 𝑒𝑓𝑓
𝐶=
3𝑘𝐵
∗
𝜌
𝑃𝑀
(2)
Donde:
N: numero de momentos magnéticos por
unidad de volumen.
𝜇0: permeabilidad magnética en el vacío.
Meff: momento magnético efectivo.
KB: constante de Bolztman.
Ρ: densidad.
PM: peso molecular.
El momento magnético efectivo se puede
calcular mediante la siguiente expresión
(Ecu. 4):
𝑀𝑒𝑓𝑓 = 𝜇𝐵 𝑔𝐽 (√𝐽(𝐽 + 1)) (4)
Donde:
𝜇B: magnetón de Bohr.
J: momento magnético total.
gJ: factor Lánde.
Con presión constante y cambio de
volumen despreciable la entropía6 depende
de la temperatura y la intensidad
magnética, dada por la expresión (Ecu. 5)
(Farid Chejne, 2006):
𝑑𝑆(𝑇, 𝐻) = (
𝛿𝑆(𝑇,𝐻)
𝛿𝑇
) 𝑑𝑇 + (
𝛿𝑆(𝑇,𝐻)
𝛿𝐻
) 𝑑𝐻 (5)
Considerando un ciclo ideal sin generación
de entropía, el flujo de calor se puede
calcular a partir de la siguiente expresión
(Ecu. 6):
𝐶(𝐻 2 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑎𝑙 −𝐻 2 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 )
𝑄(𝑇, 𝐻) = 𝑇𝜇0 𝑉 (
2(𝑇−𝜃)2
) (6)
Conclusiones.
La refrigeración magnética es una de las
mejores alternativas tecnológicas que se
tiene para el reemplazo de sistemas de
refrigeración convencionales, gracias a las
ventajas ambientales y rendimientos
energéticos que superan a los sistemas
actuales.
El modelo de electrones localizados
describe
de
forma
apropiada
el
comportamiento del cambio de la entropía,
mostrando como aumenta rápidamente a
temperaturas cercanas a la temperatura de
transformación de fase magnética.
6
Es una medida del desorden que se presenta en
sistemas aislados.
Bibliografía.
Farid Chejne, C. C. (Julio de 2006).
Principios Termodinámicos De La
Refrigeración Magnética . Medellin,
Colombia.
Fernández, J. (2004). Materiales
Magnéticos.
En
J.
Fernández,
Electromagnetismo. Buenos Aires.
Hoyos, J. J. (2004). Refrigeración
Magnética.
Medellin:
Universidad
Nacional de Colombia .
Ramón Burriel Lahoz, E. P. (2003).
Hacia Los Sistemas De Refrigeración
Magnética. Zaragoza: Universidad de
Zaragoza.
Velazques, J. E. (2003). Conceptos
Basicos. Revista Facultad de Ingenieria
N°29 , 141-152.