UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II
DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA INDUSTRIALE
CORSO DI TECNICA DEL FREDDO
A.A. 2016/2017
Prof. R. Mastrullo
Prof. A. W. Mauro
LA REFRIGERAZIONE MAGNETICA
Utilizzo di refrigeranti:
COMPRESSIONE DI
VAPORE
REFRIGERAZIONE
MAGNETICA
FLUIDI
SOLIDI
La refrigerazione magnetica: perché?
•
Miglior impatto ambientale (materiali
ecologici)
• Rendimenti energetici superiori alla
compressione di vapore anche del 50-60%
•
Minor rumorosità
•
Sistemi più compatti
CONCETTI
PRELIMINARI
Le sostanze magnetiche
Definizione: “ Per sostanza magnetica si intende, generalmente, una
qualsiasi sostanza, che abbia la capacità di poter interagire con un campo
magnetico esterno, indebolendolo o rafforzandolo”
• DIAMAGNETICHE
• PARAMAGNETICHE
• FERROMAGNETICHE
Diamagneti
H0
Diamagneti
HM
H0
│H│ = │H0│- │HM│
Diamagneti - caratteristiche
χ
B
m
<45°
H
H
Le sostanze diamagnetiche (p.e. rame, bismuto, alcune molecole organiche ecc…)
indeboliscono il campo esterno ed inoltre le proprietà magnetiche non sono
influenzate dalla temperatura
χ
T
H
Paramagneti
H0
Paramagneti
HM
H0
│H│ = │H0│+ │HM│
Paramagneti - caratteristiche
χ
B
m
T= costante
> 45°
H
H
Le sostanze paramagnetiche (p.e. alcuni gas, metalli alcalini, solfato di gadolinio…)
rafforzano il campo esterno. L’agitazione termica impedisce l’allineamento dei
dipoli, per cui la suscettività diminuisce al crescere della temperatura, rimanendo
sempre positiva.
χ
T
H
Ferromagneti
H0
Ferromagneti
H0
Le sostanze ferromagnetiche (p.e. ferro, nichel, gadolinio…) sono caratterizzate
dalla presenza di domini magnetici che si orientano facilmente rispetto ad un
campo esterno.
Ferromagneti - caratteristiche
χ
m
B
T
T= costante
T
H
H
Si dicono ferromagnetiche quelle sostanze la cui suscettività è funzione sia della
temperatura sia, in maniera elevata, del campo magnetico esterno
H
Ferromagneti – temperatura di Curie
χ
H = costante
Tc
T
Altra proprietà fondamentale dei materiali ferromagnetici è che per ognuno di essi
esiste una temperatura critica detta temperatura di Curie TC, al di sopra della
quale il materiale diventa paramagnetico.
𝑪𝝆
𝝌=
𝑻 − 𝑻𝑪
Entropia di una sostanza magnetica
S
S(H0)
SM(H0)
SL+SE
T
S(T,H0) =SL(T)+SE(T)+SM(T,H0)
Capacità termica
Considerando che la sostanza magnetica sia sottoposta ad una pressione costante
𝝏𝑺
𝑪𝑯,𝒑 (𝑯, 𝑻) = 𝑻
𝝏𝑻
𝑯
𝝏𝑺
𝑪𝑴,𝒑 (𝑯, 𝑻) = 𝑻
𝝏𝑻
𝑴
Le capacità termiche sono funzione sia della temperatura che del campo magnetico
Capacità termica dei ferromagneti
Le sostanze ferromagnetiche in prossimità della temperatura di Curie, presentano una
crescita brusca della capacità termica, seguita da una successiva decrescita.
All’aumentare del campo magnetico applicato, il massimo raggiunto dalla capacità
termica si sposta verso un valore maggiore di temperatura. Tale fenomeno è
riconducibile al cambiamento strutturale che tali sostanze subiscono alla Tc
EFFETTO
MAGNETOCALORICO
L’effetto magnetocalorico (MCE)
• Processi fondamentali
Magnetizzazione e demagnetizzazione
isoterma
𝜟𝑺 𝑯, 𝑻
Magnetizzazione e demagnetizzazione
adiabatica
20
L’effetto magnetocalorico (MCE)
1
2
L’effetto magnetocalorico (MCE)
2
1
L’effetto magnetocalorico (MCE)
T
ΔTad (T1, ΔB)
Bmax
(T1,Bmin)
Bmin
T1
s
L’effetto magnetocalorico (MCE)
• Processo adiabatico e reversibile
Una sostanza magnetica viene introdotta in un campo magnetico
realizzando la condizione di adiabatica reversibilità.
STOT(T,H0) =SL(T)+SE(T)+SM(T,H0)=cost
H0
SM(T,H0)
STOT=cost
SL(T)+SE(T)
T
MAGNETIZZANDO IL MATERIALE, LA SUA TEMPERATURA AUMENTA
L’effetto magnetocalorico (MCE)
• Processo adiabatico e reversibile
Una sostanza magnetica viene rimossa da un campo magnetico realizzando
la condizione di adiabatica reversibilità.
STOT(T,H0) =SL(T)+SE(T)+SM(T,H0)=cost
STOT=cost
H0
SM(T,H0)
SL(T)+SE(T)
T
DEMAGNETIZZANDO IL MATERIALE, LA SUA TEMPERATURA SI RIDUCE
L’effetto magnetocalorico (MCE)
ΔTad(T,H0) =-
𝑯𝟏
𝑻
𝑯𝟎 𝑪𝑯,𝒑
𝝏𝒎
𝝏𝑻
𝒅𝑯
𝑯,𝒑
La variazione di temperatura adiabatica è
funzione dell’intensità del campo magnetico
La temperatura di inizio processo influenza il
valore raggiunto
Il valore del calore specifico decrementa la
variazione di temperatura adiabatica
Il segno della variazione è determinato dalla
variazione della magnetizzazione rispetto alla
temperatura
L’effetto magnetocalorico (MCE)
ΔTad(T,H0) =-
𝑯𝟏
𝑻
𝑯𝟎 𝑪𝑯,𝒑
𝝏𝒎
𝝏𝑻
Diamagneti
H0
m
T H , p
0
𝒅𝑯
𝑯,𝒑
Paramagneti Ferromagneti
<0
<0
I diamagneti non subiscono alcuna variazione di temperatura
I paramagneti aumentano la propria temperatura
I ferromagneti si comportano come i paramagneti, ma con una massimo di
variazione in prossimità della temperatura di Curie
L’effetto magnetocalorico (MCE)
• Processo isotermo
Una sostanza magnetica viene introdotta
mantenendo costante la sua temperatura
in
un
campo
magnetico
STOT(T,H0) =SL(T)+SE(T)+SM(T,H0)
H0
SM(T,H0)
cost
STOT(T,H0)
MAGNETIZZANDO IL MATERIALE, LA SUA ENTROPIA TOTALE SI RIDUCE
PER CUI ESSO CEDE CALORE
L’effetto magnetocalorico (MCE)
• Processo isotermo
Una sostanza magnetica viene rimossa da un campo magnetico mantenendo
costante la sua temperatura
STOT(T,H0) =SL(T)+SE(T)+SM(T,H0)
H0
SM(T, H0)
cost
STOT(T,H0)
DEMAGNETIZZANDO IL MATERIALE , LA SUA ENTROPIA TOTALE AUMENTA
PER CUI ESSO ACQUISISCE CALORE
L’effetto magnetocalorico (MCE)
Per le sostanze diamagnetiche un processo
isotermo è anche adiabatico
I paramagneti cedono calore se magnetizzati,
viceversa se demagnetizzati
I ferromagneti hanno un analogo
comportamento dei paramagneti, ma con un
picco nell’intorno della temperatura di Curie Tc
Diamagneti
m
T
H , p
0
Paramagneti Ferromagneti
<0
<0
CICLO
ACTIVE MAGNETIC
REGENERATIVE
(AMR)
Il ciclo Brayton (o ciclo inverso Joule)
T
HB
T1
T2
H0=0
s1
s2
s
Partendo da campo magnetico nullo
Il ciclo Brayton (o ciclo inverso Joule)
T
HB
T1
T2
H0=0
s1
s2
s
Partendo da campo magnetico nullo
il campo viene incrementato adiabaticamente fino al valore
massimo (HB)
Per effetto magnetocalorico si
innalza la temperatura della
sostanza magnetica
Ciò equivale alla fase
di compressione
T1 è laTambiente
Il ciclo Brayton (o ciclo inverso Joule)
T
HB
T1
T2
H0=0
s1
s2
s
Mantenendo costante il campo magnetico applicato
La sostanza magnetica scambia energia termica con una
sorgente termica calda
Conseguentemente la sua
temperatura diminuisce
Ciò equivale alla fase di
raffreddamento del gas.
Il ciclo Brayton (o ciclo inverso Joule)
T
HB
T1
T2
H0=0
s1
s2
s
Il campo magnetico viene progressivamente rimosso
Per effetto magnetocalorico si
riduce la temperatura della
sostanza magnetica
Ciò equivale alla fase di
espansione
T2 è laTcella
Il ciclo Brayton (o ciclo inverso Joule)
T
HB
T1
T2
H0=0
s1
s2
s
In assenza di campo magnetico applicato
La sostanza scambia energia termica con una sorgente
esterna fredda
Conseguentemente la sua
temperatura aumenta
Ciò equivale alla fase di
riscaldamento
Il ciclo Brayton (o ciclo inverso Joule)
Prestazioni teoriche superiori rispetto ai sistemi a c.v.
Salti termici e potenze non adatte alle tipiche applicazioni a temperatura
ambiente
T
HB
T1
ΔT< ΔTad
T2
H0=0
s1
s2
s
La rigenerazione
Pensando ad una serie di cicli Joule magnetici in cascata
T
ΔT >ΔTad
s
Il rigeneratore attivo
(Active Magnetic Regenerator)
Configurazioni:
d) Configurazione a letto poroso
Il rigeneratore attivo
(Active Magnetic Regenerator)
REALIZZATO MEDIANTE UN MATERIALE CON PROPRIETA’
MAGNETICHE DEL I O DEL II ORDINE
ACTIVE POICHE’ FUNGE SIA DA RIGENERATORE SIA DA
REFRIGERANTE
L’AMR E’ CONCETTUALMENTE SIMILE AD UN SISTEMA IN CASCATA DI
INFINITI REFRIGERATORI MAGNETICI
Il rigeneratore attivo
(Active Magnetic Regenerator)
Caratteristiche di un rigeneratore ideale:
• grande quantità di calore scambiata tra sostanza di
lavoro e massa rigeneratrice, dunque elevato prodotto
tra conduttanza termica e area di contatto;
• assenza di volume morto;
• assenza di perdite di carico da parte del fluido che
attraversa il rigeneratore;
• conduzione longitudinale nulla lungo il rigeneratore;
• gradiente di temperatura lineare lungo l’estensione del
rigeneratore.
41
Il rigeneratore attivo
(Active Magnetic Regenerator)
Caratteristiche di un rigeneratore reale:
• differenze di temperature finite tra il materiale
rigeneratore e il fluido di trasferimento;
• cadute di pressione dovute alla resistenza del flusso;
• perdite dovute al mescolamento del fluido rigeneratore
nel rigeneratore di tipo interno;
• perdite per fuoriuscite di calore;
• perdite per ciclo di isteresi o correnti parassite;
• perdite per dissipazione viscosa nel fluido rigeneratore;
• perdite per volume morto.
42
Rigeneratori multistrato
TC
Rigeneratori multistrato
TC1
TC2
TC3
Rigeneratori multistrato
Un siffatto rigeneratore è composto da diversi materiali, caratterizzati da diverse
temperature di Curie, in particolare essi vengono disposti in maniera tale che possano
lavorare nell’intorno di tale temperatura. Il risultato è quello di poter realizzare diversi
picchi di effetto magnetocalorico quanti sono i diversi materiali usati.
Il ciclo Active Magnetic Regenerative
• MAGNETIZZAZIONE
• PASSAGGIO DEL FLUIDO
LATO FREDDO-LATO CALDO
• DEMAGNETIZZAZIONE
• PASSAGGIO DEL FLUIDO
LATO CALDO-LATO FREDDO
46
Calore in ingreso
Calore in uscita
Il ciclo Active Magnetic Regenerative
T
Q
T
hot
2
H
high
3
hot
T
cold
1
4
H
low
Q
cold
S
3-4.
Demagnetizzazione
Adiabatica:
T Diminuisce
1-2.
2-3.
4-1.
Magnetizzazione
Attraversamento
Adiabatica:
fluido:
Estrazione
assorbimento
T aumenta
di calore
calore
Magnetizzazione/Demagnetizzazione
Moto alternativo
Semplice da realizzare
Inefficiente dal punto di vista meccanico
Basse frequenze ciclo
Vibrazioni
Magnetizzazione/Demagnetizzazione
Moto rotatorio
Maggior efficienza dal punto di vista meccanico
Riduzione delle vibrazioni
Maggior frequenza ciclo
Maggiore complessità di realizzazione
Active Magnetic Regenerative Rotary refrigerator
(AMRR)
MAGNETIZZAZIONE
50
Active Magnetic Regenerative Rotary refrigerator
(AMRR)
PASSAGGIO DEL FLUIDO LATO FREDDO LATO CALDO
51
Active Magnetic Regenerative Rotary refrigerator
(AMRR)
DEMAGNETIZZAZIONE
52
Active Magnetic Regenerative Rotary refrigerator
(AMRR)
PASSAGGIO DEL FLUIDO LATO CALDO LATO FREDDO
53
IL REFRIGERATORE
MAGNETICO: IL
CAMPO MAGNETICO
DA APPLICARE
Il campo magnetico da applicare
Il campo magnetico svolge un ruolo chiave nell’ambito della refrigerazione magnetica.
Obiettivi:
•
•
•
•
•
Elevata intensità
Intensità variabile
Distribuzione uniforme
Limitare fenomeni di leakage
Contenuti consumi di potenza
Il campo magnetico da applicare
Possibili soluzioni:
ELETTROMAGNETE CON SEQUENZA ONOFF CHE NE ASSICURI LA VARIABILITA’
MAGNETE SUPERCONDUTTORE
MAGNETE PERMANENTE POSTO IN
MOTO RELATIVO CON LA SOSTANZA
REFRIGERANTE
ELEVATO DISPENDIO
DI POTENZA PER
ALIMENTAZIONE DEL
CIRCUITO
ELEVATO DISPENDIO
ENERGETICO PER
MANTENERE IL MAGNETE A
TEMPERATURE
CRIOGENICHE
INTENSITA’ MODERATE
DELL’ORDINE DI 1 TESLA
Induzione del campo magnetico da
applicare
• Si misura in Tesla [T]
• Il valore dell’induzione magnetica sulla terra alla latitudine di 50° è di 5*10-5 T,
per un apparecchio per la risonanza magnetica è di 1.5 T
• Nel più forte campo magnetico continuo prodotto presso il National High Magnetic
Field Laboratory – Tallahassee – Florida è di 45 T
B H
B o( H M )
Campo esterno
Risposta del
materiale
Il campo magnetico da applicare
Soluzione adottata:
MAGNETI PERMANENTI IN
CONFIGURAZIONE DI HALBACH
Il campo magnetico da applicare
Il campo magnetico è confinato in una determinata direzione, nullo altrove
IL REFRIGERATORE
MAGNETICO: I
MATERIALI
I materiali per la refrigerazione
magnetica a temperature ambiente
Requisiti:
•
•
•
•
•
Tc nel range temperature ambiente
Significativo ΔTad nel range delle T ambiente
Brevi tempi di risposta del materiale
Isteresi limitata
Contenuta variazione di volume
I materiali per la refrigerazione
magnetica a temperature ambiente
Transizione di fase del materiale:
PRIMO ORDINE
SECONDO ORDINE
La derivata prima del potenziale
termodinamico varia con discontinuità e le
proprietà entropia e magnetizzazione
mostrano un “salto” nel punto di
transizione.
La derivata prima del potenziale
termodinamico rispetto alla temperatura è
una funzione continua, mentre la derivata
seconda ha una discontinuità.
L’ordinamento magnetico spontaneo di un solido magnetico con
l’abbassamento della temperatura è un fenomeno cooperativo, che
avviene a diverse temperature a seconda della natura della sottostruttura
magnetica e della forza dell’interazione di scambio.
I materiali per la refrigerazione
magnetica a temperature ambiente
I ordine - caratteristiche:
• Effetto MCE gigante in un range di temperatura
molto stretto
• Presenza di isteresi
• Tempi di risposta del materiale non istantanei
• Variazione di volume del materiale
I materiali per la refrigerazione
magnetica a temperature ambiente
II ordine - caratteristiche:
• MCE più basso ma in un range di temperatura più
ampio
• Assenza di isteresi
• Tempi di risposta del materiale istantanei
• Assenza di variazione di volume del materiale
I materiali per la refrigerazione
magnetica a temperature ambiente
Materiale II ordine: il gadolinio
Tc = 294K
I materiali per la refrigerazione
magnetica a temperature ambiente
Materiali I ordine: il Gd5Si2Ge2
Tc = 276K
IL REFRIGERATORE
MAGNETICO: I
PROTOTIPI
Caratterizzazione di un prototipo
Componenti
principali
Magnete
Elettro
mag.
Mag.
perm.
Caratteristiche Apparato
Rigeneratore
Materiale
magnetocalorico
Forma e
materiale
della matrice
Lamine
Particle
Bed
Impianto idraulico
Tipo di
pompaggio
Displacer
Pompa
Tipo di
valvole
Elettrov.
Mecc.
Tipo di moto
Rotativo
Mag.
Rig.
Altern.
Fonti del
moto
Unica
Due
Interesse comunità scientifica
I prototipi esistenti
University of Victoria, BC (Canada)
Date
2009
Type
and
frequency (Hz)
Rotary 4 Hz
max. Max. cooling
Power (W)
50
Max. ΔT(K)
29
Max. magnetic fi Magnetocaloric
eld strength (T)
Permanent 1.4
material
Gd spheres, 300 μm
regenerator
I prototipi esistenti
Astronautics Corporation (USA)
Date
2007
Type
and
frequency (Hz)
Rotary 4 Hz
max. Max. cooling
Power (W)
220
Max. ΔT(K)
12
Max. magnetic fi Magnetocaloric
eld strength (T)
Permanent 1.5
material
Gd plates, water
regenerator
I prototipi esistenti
Tokio Institute of Technology (Japan)
Date
2006
Type
and
frequency (Hz)
Rotary 0.5 Hz
max. Max. cooling
Power (W)
560
Max. ΔT(K)
8
Max. magnetic f Magnetocaloric
ield strength (T) material
Permanent 1.1
Gd foils, water
regenerator
I prototipi esistenti
DTU – Risø (Danimarca)
Date
2012
Type
and
frequency (Hz)
Rotary 2 Hz
max. Max. cooling
Power (W)
1000
Max. ΔT(K)
25.4
Max. magnetic f Magnetocaloric
regenerator
ield strength (T) material
Permanent 1.2
Gd spheres, water + glycol
Sviluppi futuri attesi
(Hirano et al., 2010)
Sviluppi futuri attesi
?
(Gschneidner e Pecharsky, 2008)
The Magnetic Refrigeration: an international challenge
Il prototipo 8Mag
Università degli studi “Federico II”(Napoli)
Università degli studi di Salerno
Il prototipo 8Mag
Il prototipo 8Mag – caratteristiche
Componenti principali
Magnete
Elettro
mag.
Mag.
perm.
Impianto idraulico
Rigeneratore
Materiale
magnetocalorico
Gadolinio
Forma e materiale
della matrice
Lamine
Caratteristiche Apparato
Particle
Bed.
Tipo di
pompaggio
Displace
r
Pompa
Tipo di
valvole
Elettrov
.
Mecc.
Tipo di moto
Rotativo
Mag.
Rig.
Altern
.
Fonti del
moto
Unic
a
Due
Il prototipo 8Mag – data sheet
Materiale magnetocalorico
(refrigerante)
Gadolinio
Tipologia di rigeneratore
Packed Bed (d=0.400 mm)
Numero di rigeneratori
8
Massima induzione magnetica
1.25 T
Frequenza operativa massima
1.8 Hz
Massa di refrigerante
1.20 kg
Il prototipo 8mag - alcuni risultati
Carico zero- ΔTAMR , fAMR=1.08Hz
Il prototipo 8mag - prospettive
• Ricerca di nuovi materiali da testare nel campo
delle temperature ambiente
• Ottimizzazione del prototipo al fine di
incrementare i COP
• Standardizzazione dei test
• Richiamare l’interesse delle aziende di settore
C. Apreaa, A. Grecob, A. Maiorinoa,
C. Massellia
Email: [email protected]
a Dipartimento di Ingegneria Industriale, Università di
Salerno,
Via Giovanni Paolo II 132, 84084, Fisciano (SA).
b Dipartimento di Ingegneria Industriale, Università degli
Studi
di Napoli Federico II, P.le Tecchio 80, 80125, Napoli.
