MATERIAL MAGNTICO DE REFRIGERANTE

ResumenPersonificaciones especficos de materiales de magnetocalrico tiles en sistemas de refrigeracin magntico, por ejemplo, se comuniquen. Los materiales de magnetocalrico incluyen aleaciones de nquel-manganeso-galio (NiMnGa) en la que se hace la sustitucin de algunos de los manganeso. Cobre preferentemente es sustituido por al menos algunos del manganeso, pero cobalto o una combinacin de cobalto y cobre tambin podran ser sustituido por al menos algunos de los manganeso. En la encarnacin preferida, el material comprende un nquel-manganeso-cobre-galio de la composicin Ni.sub.2Mn.sub.1-xCu.sub.xGa, donde x es mayor o igual a acerca de 0,22.

Inventores:Ali; Naushad;(carbondale, IL); Khan; Mahmud Uz-Zaman;(carbondale, IL); Stadler; Shane;(carbondale, IL)

Direccin de correspondencia: Bryan K. Wheelock Suite 400, Bonhomme 7700 San Luis MO 63105 nos

N de serie:119485

Cdigo de serie:12

Presentada:12 De mayo de 2008

Actual de los Estados Unidos clase:62/3.1; 252/62.55

Clase de publicacin:62/3.1; 252/62.55

Clase internacional:F25B F25B021 20060101 21/00/00; H01F 1/153 20060101 H01F001/153

Reclamaciones

1. Un material magnetocalrico de la composicin Ni.sub.2Mn.sub.1-xA.sub.xGa, donde a es cobre o una combinacin de cobre y cobalto y x.gtoreq.0.22.

2. El material magnetocalrico de reclamacin 1 en donde a es cobre

3. El material magnetocalrico de reclamar 2 en donde x = 0,25 a

4. Un sistema de refrigeracin magntico en el que el refrigerante magntico comprende Ni.sub.2Mn.sub.1-xA.sub.xGa, donde a es cobre o una combinacin de cobre y cobalto y x.gtoreq.0.22

5. El sistema de refrigeracin magntico de reclamacin 4 en donde a es cobre.

6. El sistema de refrigeracin magntico de reclamar 5 en donde x = 0.25 A.

7. Un sistema de regeneracin magntico en el que el refrigerante magntico comprende Ni.sub.2Mn.sub.1-xA.sub.xGa, donde a es cobre o una combinacin de cobre y cobalto y x.gtoreq.0.22.

8. El sistema de regeneracin magntico de reclamacin 7 en donde a es cobre.

9. El sistema de generacin magntico de reclamar 8 en donde x = 0.25 A.

10. Un sistema de bomba de calor magntico en el que el refrigerante magntico comprende Ni.sub.2Mn.sub.1-xA.sub.xGa, donde a es cobre o una combinacin de cobre y cobalto y x.gtoreq.0.22

11. El sistema de bomba de calor magntico de reclamacin 10 en donde a es cobre.

12. El sistema de bomba de calor magntico de reclamar 11 en donde x = 0.25 A.

13. Un sistema de climatizacin magntico en el que el refrigerante magntico comprende Ni.sub.2Mn.sub.1-xA.sub.xGa, donde a es cobre o una combinacin de cobre y cobalto y x.gtoreq.0.22.

14. El sistema de climatizacin magntico de reclamacin 13 en donde a es cobre.

15. El sistema de climatizacin magntico de reclamar 14 en donde x = 0.25 A.

16. Un sistema de congelador magntico en el que el refrigerante magntico comprende Ni.sub.2Mn.sub.1-xA.sub.xGa, donde a es cobre o una combinacin de cobre y cobalto y x.gtoreq.0.22.

17. El sistema magntico congelador de reclamacin 16 en donde a es cobre.

18. El sistema magntico congelador de reclamar el 17 en la que x = 0.25 A.

19. Un sistema de liquification magntica en el que el refrigerante magntico consta de A.sub.xGa de Ni.sub.2Mn.sub.1, donde a es cobre o una combinacin de cobre y cobalto y x.gtoreq.0.22

20. El sistema de liquification magntica de reclamacin 19 en donde a es cobre.

21. El sistema de liquification magntica de reclamar 20 donde x = 0.25 A.

Descripcin

REFERENCIA CRUZADA A APLICACIONES RELACIONADAS

[0001]Esta aplicacin afirma el beneficio de ser. aplicacin de patentes de los Estados Unidos No. 60/917,635, presentado el 11 de mayo de 2007, la divulgacin completa de la que se incorpora en el presente documento.

FONDO

[0002]Esta invencin generalmente se refiere a materiales magnticos de refrigerantes y en particular, materiales magnticos de refrigerantes que exhiben un efecto magnetocalrico suficientemente grande cerca o a temperatura ambiente y tambin se refiere a un regenerador y un refrigerador magntico que utilizan estos materiales magnticos de refrigerantes.

[0003]Tecnologa de refrigeracin convencional utiliza la expansin adiabtica o el efecto de julios-Thomson de un gas. Sin embargo, la tecnologa de refrigeracin de compresin/expansin de gas tiene relativa baja eficiencia. Adems, muchos de los refrigerantes empleados, presentar riesgos para la salud (por ejemplo, amonaco), o presentar los peligros ambientales (por ejemplo clorofluorocarbonos (CFC).

[0004]Mientras que el efecto magnetocalrico ha sido estudiado durante mucho tiempo, con el descubrimiento de nuevos materiales magnticos con altos valores de cambio de entropa magntico, se ha convertido en un rea de creciente inters debido a su energa potencial de ahorro en procesos de refrigeracin atribuibles a su alta eficiencia en comparacin con los procesos convencionales de refrigeracin basados en gas. Por lo tanto, se realizaron esfuerzos en el desarrollo de sistemas de refrigeracin que se aprovechan del cambio de entropa, acompaado por la transicin de fase magntica (tambin conocido como "transformacin magntica") de un slido. En sistemas de refrigeracin magntico, el enfriamiento se efecta mediante el uso de un cambio en la temperatura resultante del cambio de entropa de un material magntico. Ms especficamente, un material magntico usado en este mtodo suplentes entre un Estado de baja entropa magntico con un alto grado de orientacin magntica, que es creado por la aplicacin de un campo magntico para el material magntico cerca de su temperatura de Curie, y un Estado de alta entropa magntico con un bajo grado de orientacin magntica orientada (por ejemplo, al azar a estado), que es creado por la eliminacin de un campo magntico del material magntico. Esta propiedad material se llama el "efecto de magnetocalrico" y un refrigerador magntico, utiliza un material exhibiendo el efecto de la magnetocalrico (un "material de magnetocalrico") como su material magntico de refrigerante o material regenerativa.

[0005]Algunos ejemplos de materiales de magnetocalrico Gd(Si.sub.xGe.sub.1-x).sub.4 con una.DELTA.S de alrededor de-20 J/KgK a 275 K, MnFeP.sub.1-xAs.sub.x con una.DELTA.S de alrededor de-19 J/KgK a 276 K; MnAs.sub.1-x con una.DELTA.S de aproximadamente-4.1 J/KgK; NiMnSn y Ni.sub.2MnGa Heusler aleaciones con una.DELTA.S de alrededor de-20 J/KgK a 300-325 k. Estos y otros materiales de magnetocalrico se comuniquen en Pat de Estados Unidos. Nos. 6,826,915, 5,743,095, 5,462,610 y 5,435,137, incorporados en este documento por referencia.

RESUMEN DE LA INVENCIN

[0006]La presente invencin se refiere a materiales de magnetocalrico tiles, por ejemplo, en sistemas de refrigeracin magntico. Personificaciones especficos del material comprenden aleaciones de nquel-manganeso-galio (NiMnGa) en la que se hace la sustitucin de algunos de los manganeso. Cobre preferentemente es sustituido por al menos algunos del manganeso, una combinacin de cobre y cobalto tambin podran ser sustituido por al menos algunos del manganeso, de la frmula Ni.sub.2Mn.sub.1-x(Cu, Co). sub.xGa. En la encarnacin preferida, el material comprende un nquel-manganeso-cobre-galio de la composicin de Ni.sub.2Mn.sub.1-xCu.sub.xGa, donde x es mayor o igual a acerca de 0,22.

[0007]La presente invencin tambin se refiere a los sistemas de refrigeracin que emplean materiales de magnetocalrico compuesto por un alloy(NiMnCoCuGa) de nquel-manganeso-galio sustituidos y preferiblemente, una aleacin de (NiMnCuGa) de nquel-manganeso-galio sustituida por el cobre. En las personificaciones preferidos, el material comprende un nquel-manganeso-cobre-galio de la composicin Ni.sub.2Mn.sub.1-xCu.sub.xGa, donde x es mayor o igual a acerca de 0,22.

BREVE DESCRIPCIN DE LOS DIBUJOS

[0008]Fig. 1 es un m frente a la curva de t en funcin de la concentracin de cobre;

[0009]Figura 2 es una temperatura versus diagrama de fase de concentracin de cobre sustitucin de manganeso, que muestra las temperaturas de la transformacin de fase cambian con el aumento de x a 0,22 dnde existe una temperatura de transformacin de fase nica;

[0010]Fig. 3 es una magnetizacin versus la curva de temperatura para el material de la composicin Ni.sub.2Mn.sub.0.75Cu.sub.0.25Ga, mostrando la dependencia de la temperatura de la magnetizacin durante un enfriamiento y calentamiento ciclo en las cercanas de T.sub.C;

[0011]Fig. 4 es un grfico de isotermas de magnetizacin.

[0012]Fig. 5 es un grfico que muestra el.DELTA.S.Sub.Mag para Ni.sub.2Mn.sub.0.75Cu.sub.0.25Ga en funcin de la temperatura en los campos magnticos diferentes.

[0013]Figura 6 es una ilustracin de un sistema de refrigeracin posible utilizando el material magnetocalrico descrito en este documento.

DESCRIPCIN DETALLADA

[0014]Ni2MnGa en funcin de la temperatura, que se somete a dos principales transiciones: (1) un segundo pedido transicin paramagntica ferromagntico en T.sub.C=376 K; y (2) una transicin de magnetostructural de una fase ferromagntica austentico a un ferromagntico martensticos fase k. T.sub.M=202 Los inventores han descubierto que sustituyendo a Mn puede cambiar la temperatura de transicin que TC disminuye a medida que aumenta la T.sub.M, por lo que en algunos composicin los dos transicin temperaturas coinciden. Por ejemplo, en el caso de sustitucin de cobre de manganeso, los inventores han descubierto en concentraciones de cobre de mayor o igual a acerca de 0,22, la transicin temperaturas coinciden.

[0015]Como se muestra en la figura 2, el sustituto de cobre para obtener resultados de manganeso en una disminucin lineal cerca de T.sub.C y aumento de T.sub.M y la partida en la x > acerca de 0,22, slo en transicin T.sub.C=T.sub.M puede observarse.

[0016]Figura 3 muestra la dependencia de la temperatura de la magnetizacin para Ni.sub.2Mn.sub.0.75Cu.sub.0.25Ga medida durante un enfriamiento y calentamiento ciclo en las cercanas de TC. Figura 3 muestra una histresis trmica de magnetizacin, tpico de las transiciones de fase de primeras orden. As, a partir de x = acerca de 0,22, las aleaciones de Ni.sub.2Mn.sub.1-xCu.sub.xGa someterse a la primera transicin de orden de cubic paramagntico a fase martensticos ferromagntico por encima de la temperatura.

[0017]Fig. 4 muestra isotermas de magnetizacin que m(h) obtenidos en la ejecucin del calentamiento. Por debajo de la temperatura de Curie la M(H) curvas son casi saturados, llegando a la UEM/g 53,3 en el campo ms alto (kOe 50). Las mediciones que se muestra en la figura 4 se utilizaron para calcular el cambio de entropa magntico impulsado por la variacin de temperatura y campo utilizando una aproximacin numrica para la relacin:

.DELTA. S mag (T, H) = .intg. Oh H (.differential. M .differential. T ) H H

[0018]Figura 5 muestra los valores de.DELTA.S.Sub.Mag para Ni.sub.2Mn.sub.0.75Cu.sub.0.25 Ga en funcin de la temperatura en los campos magnticos diferentes. El valor mximo es de-45 K.sup de J.-1 k.sup.-1 a 314.1 k para.DELTA.H = 50 kOe. El cambio de entropa magntico es directamente proporcional al campo magntico aplicado con una constante de proporcionalidad = 0,91 J K.sup.-1 kg.sup.-1 kOe.sup.-1. Estos valores son inform de la ms alta hasta la fecha por encima de la temperatura. Desde el diagrama de fase magntico, se espera que las muestras con Cu concentracin alrededor del 25% (vase FIG. 2) pueden ser tiles para obtener el MCE alta temperaturas inferior o superior.

[0019]Por lo tanto, la variacin de alta entropa magntico observado en Cu Ni.sub.2MnGa dopado basado en aleaciones de Heusler parece surgir de la coexistencia de primer orden estructural (martensticos) y transiciones de orden magntica en T.sub.c.

[0020]Para temperaturas alrededor de 315 K medimos las curvas con pequeos pasos de temperatura, con el fin de obtener una mejor definicin del cambio magnetizacin alrededor de la temperatura de Curie.

[0021]Los inventores han descubierto que en esta composicin microestructural, ocurre un efecto de magnetocalrico gigante. La magnitud de los cambios de entropa.DELTA.S (o MCE) es ms grande que el de otros materiales de magnetocalrico actualmente bajo consideracin para uso en sistemas de refrigeracin de cerca de temperatura. El mayor valor de.DELTA.S conocido previamente a los inventores fue-18 J/KgK en el valor de un campo de 5 Tesla (T), para el Gd.sub.5Si.sub.2Ge.sub.2 compuesto intermetallic. Valores similares de.DELTA.S han sido medidos para MnFeP.sub.1-xAs.sub.x. En comparacin, el valor medido de.DELTA.S para Ni.sub.2Mn.sub.0.75Cu.sub.0.25Ga es-unos 45 J/KgK, que es ms de dos veces el valor ms alto conocido previamente a los inventores.

[0022]Las propiedades de Ni.sub.2Mn.sub.1-xCu.sub.xGa son ideales para aplicaciones de refrigeracin magntico. En primer lugar, materiales de magnetocalrico adecuado deben tener una significativa.DELTA.S (o MCE) en campo razonable magntico valores y Ni.sub.2Mn.sub.1-xCu.sub.xGa tiene el mas alto.DELTA.S conocido para los inventores. Adems, la.DELTA.S de Ni.sub.2Mn.sub.1-xCu.sub.xGa en 2 T es de alrededor de-20 J/KgK, que es mayor que otros materiales en 5 campos de T. de 2 T puede ser fcilmente producida por imanes permanentes o electroimanes. En segundo lugar, la transicin de fase responsable por el efecto de la magnetocalrico debe ser reversible por cambiar el campo magntico aplicado de invertir, y es el caso de Ni.sub.2Mn.sub.1-xCu.sub.xGa. Datos de magnetizacin demuestran que la transicin en Ni.sub.2Mn.sub.1-xCu.sub.xGa es reversible. Histresis prdidas para el material deben ser mnimas, que es el caso de Ni.sub.2Mn.sub.1-xCu.sub.xGa. Curvas de magnetizacin de Ni.sub.2Mn.sub.1-xCu.sub.xGa no mostrar ningn histresis discernible. Por ltimo, la transicin responsable el efecto magnetocalrico, deberan ocurrir en un rango de temperatura utilizable (es decir, en o cerca de temperatura), que es el caso de Ni.sub.2Mn.sub.1-xCu.sub.xGa.

[0023]Adems, el material es preferentemente el medio ambiente, no txicos, y asequible, que es el caso de Ni.sub.2Mn.sub.1-xCu.sub.xGa. De los otro magnetocalrico, gadolinio materiales tales como Gd.sub.5Si.sub.2Ge.sub.2 y materiales en funcin de tierras raras generalmente son relativamente caros. MnFeP.sub.1-xAs.sub.x base de materiales incluyen arsnico, que puede ser ambientalmente indeseable.

[0024]Los resultados actuales superan los mejores materiales de magnetocalrico conocido a altas temperaturas, con el valor ms alto o el cambio de entropa magntico. La NiMnGa Heusler Cu-dopado aleaciones tal vez una alternativa preferida a los materiales de refrigerantes magntico Gd basado caros, as como, a los compuestos de ENM potencialmente txicos. Estas caractersticas son de gran inters para refrigeracin magntico.

[0025]Los materiales de magnetocalrico presente a temperatura ambiente son clave para la nueva tecnologa de refrigeracin altamente eficiente y el medio ambiente, y el descubrimiento de MCE alto en el material de Ni.sub.2Mn.sub.0.75Cu.sub.0.25Ga Heusler abre nuevos horizontes para aplicaciones en tecnologa de refrigeracin magntico.

[0026]Para el estudio actual, se utiliz una muestra de policristalino fabricado por mtodos convencionales de arco de fusin y caracterizado por difraccin de rayos x y las mediciones magnetometra. Las mediciones de magnetizacin fueron realizadas por magnetmetros calamar y extraccin en el intervalo de temperatura 4-400 K y en magntico campos hasta 5 T. Se calcularon las propiedades de magnetocalrico de datos de magnetizacin isotrmico, M(H), con una muestra de (151.9 +/-0,1) mg.

[0027]Los materiales de magnetocalrico de los diversos personificaciones descritos aqu son adecuados para sistemas de refrigeracin, incluyendo bombas de calor, refrigeradores, congeladores, acondicionadores de aire y liquifiers.

[0028]Un regenerador de acuerdo a una encarnacin preferido de la presente invencin, preferiblemente incluye camas regenerativas de primeras y segunda, cada uno incluyendo el material magntico de refrigerante de conformidad con esta revelacin y un mecanismo para aplicar los campos magnticos mutuamente diferentes a las camas regenerativas de primeras y segunda.

[0029]En una encarnacin preferido de la invencin presente, cada una de las primeras y segunda camas regenerativas puede incluir una pluralidad de materiales magnticos de refrigerantes que exhiben la transicin de fase magntico a temperaturas diferentes respectivamente. Especficamente, los materiales magnticos de refrigerantes pueden formar varias capas que se apilan una sobre otra.

[0030]En otra encarnacin preferido de la invencin presente, cada una de las camas primeras y segunda regenerativas puede incluir el material magntico de refrigerante y un cuaderno.

[0031]En otra encarnacin preferido, el mecanismo para la aplicacin de los campos magnticos puede incluir un circuito magntico, incluyendo un imn permanente. El circuito magntico variable puede controlar los puntos fuertes de los campos magnticos para aplicarse a las primeras y segunda camas regenerativas. Alternativamente, el regenerador puede adems incluir un mecanismo para realizar la transicin de las primeras y segunda camas regenerativas ida y vuelta entre una primera posicin, que es dentro del campo magntico creado por el imn permanente, y un segundo puesto, que est fuera del campo magntico, as aplicar los campos magnticos mutuamente diferentes a las camas regenerativas de primeras y segunda.

[0032]Un refrigerador magntico de acuerdo con otra encarnacin preferido de la presente invencin preferentemente incluye un regenerador, como se ha descrito anteriormente y un intercambiador de calor de lado fro y un intercambiador de calor de lado caliente que estn acoplados trmicamente al regenerador.

[0033]En referencia a la figura 6, se muestra un sistema de refrigeracin anlogo a un Carnot ciclo o ciclo de compresin. El magnetocalrico o materiales magnticos de refrigerantes divulgados en la presente solicitud se recibe en una cama regenerativa primera 110 en un entorno aislado, donde una fuente de generador de campo magntico 120 aplica un campo magntico, como un campo de 0,4 a 0,6 Tesla, por ejemplo. La magnetizacin del material magnetocalrico hace que el dipolos magnticos del material para alinear y causas el material magnetocalrico a calentarse como se pasa de la fase de martensticos paramagntica al Estado austentico ferromagntico en un proceso adiabtico. La magnetizacin hace que el material de magnetocalrico a someterse a un aumento en la temperatura debido al efecto magnetocalrico. Esta fase es anloga a la etapa de compresin de un ciclo de Carnot o compresin. La magnetizacin del material magnetocalrico puede lograrse mediante la aplicacin de corriente elctrica a un electroimn, o alternativamente por el origen de un imn permanente que es colocado con respecto a la primera cama regenerativa por un actuador que cualquiera se mueve el imn permanente o la primera cama regenerativa respecto a los dems. En otra construccin alternativo, el material de magnetocalrico como alternativa puede ser introducido en la primera cama regenerativa ser sometida a un campo magntico por medio de una bomba, que bombea el material magnetocalrico en la cama regenerativa desde una ubicacin fuera de campo magntico.

[0034]Mientras el material magnetocalrico climatizada todava est expuesto a un campo magntico, el material magnetocalrico es sometido a continuacin o expuesto a un medio de refrigeracin en comunicacin con la cama regenerativa a travs de las lneas de comunicacin 130. El medio refrigerante puede ser un lquido, como el agua que se bombea a travs de un intercambiador de calor 114 en la cama regenerativa primera 110, tal que el material de magnetocalrico el calor es transferido a y absorbido por el agua de enfriamiento para enfriar con lo que el material de magnetocalrico. Alternativamente, pueden utilizarse otros materiales absorbentes como el bromuro de litio en lugar de agua. Asimismo, tambin pueden emplearse materiales gaseosos como un medio de refrigeracin a travs de un intercambiador de calor dentro de la primera cama regenerativa. El calor absorbido por el medio de refrigeracin, a continuacin, se llev a cabo o se disip a travs de un intercambiador de calor 140 a un ambiente que rodea o disipador trmico. Esta fase es anloga a la etapa de condensador de un ciclo de compresin.

[0035]A continuacin, el material de magnetocalrico, a continuacin, es aislado trmicamente en un proceso adiabtico, en la que el campo magntico se quita o disminuye. El material de magnetocalrico en la cama regenerativa primera idealmente ser separado, o aislamiento desde el intercambiador de calor, o cualquier medio de transferencia trmica en el intercambiador de calor, para prevenir o minimizar el calor transferencia desde el material a un medio de trmico de magnetocalrico. La eliminacin o disminucin del campo magntico, o demagnetization del material magnetocalrico hace que el material de magnetocalrico volver a sus dominios anteriores o trastorno de dipolos, durante el cual la energa trmica es absorbido y transferido a la energa magntica. Este resultados de transferencia de energa trmica en una cada significativa en la temperatura en el material de magnetocalrico, como el material se devuelve a un Estado paramagntico. Esta fase es anloga a la etapa de expansin de una compresin del ciclo. Cabe sealar que el campo magntico puede ser reducido o eliminado por la aplicacin del actual en un electroimn en interrupcin definitiva, o por el uso de un actuador (representado por la flecha 150) para mover una fuente de imn permanente fuera de la cama regenerativa de primera, donde se emplea un imn permanente. Como alternativa, se puede mover la primera cama regenerativa tener el material magnetocalrico por un actuador de campo magntico generado por un imn permanente o un electroimn, en lugar de utilizar un actuador para mover el origen del imn. En otra construccin alternativo, el material de magnetocalrico dentro de la primera cama regenerativa expuesto a un campo magntico (por una fuente de imn permanente, por ejemplo), puede quitar de la primera cama regenerativa por una bomba en una ubicacin fuera de su campo magntico, como a un intercambiador de calor en un entorno que est destinado el sistema de refrigeracin para enfriar o refrigerar, por ejemplo.

[0036]Por ltimo, el material de magnetocalrico demagnetized se mantiene en el campo magntico disminuido o demagnetized de Estado y sometidos o expuestos a un medio de transferencia trmica en comunicacin con la cama regenerativa a travs del intercambiador de calor 118. El medio de transferencia trmica puede ser un lquido, como el agua, que es bombeado a travs de un intercambiador de calor 118 en la cama regenerativa primera 110, tal que el calor del agua relativamente clidas es transferido a y absorbido por el material magnetocalrico refrigerada para as disminuir la temperatura del medio de transferencia trmica. En el sistema que se muestra en la figura 4, el lquido absorbente, a continuacin, se bombea a travs de las lneas de comunicacin 160 a un intercambiador de calor 170 en una ubicacin 190 que pretende ser refrigerada. Alternativamente, el medio de transferencia trmica puede ser el aire dentro de un entorno de 190 que est destinado el sistema de refrigeracin para enfriar o refrigerar, donde se produce la transferencia trmica directamente entre el entorno de 190 y la cama regenerativa. Otros materiales absorbentes, como el bromuro de litio, pueden utilizarse en lugar de agua. Asimismo, tambin pueden emplearse materiales gaseosos como un medio de absorcin trmica. Esta fase es anloga a la etapa del evaporador de un ciclo de compresin.

[0037]El sistema de refrigeracin puede constar de una cama regenerativa segunda 180, donde las primeras y segunda camas regenerativas alternativamente estn sujetos a la magnetizacin tal que una cama experimenta una transicin a una alta temperatura, mientras que la otra cama experimenta una transicin a una temperatura fresca. En este acuerdo, medio de refrigeracin selectivamente se comunica a travs de lneas 160 entre el medio ambiente para enfriar y la cama regenerativa que est expuesta a un campo magntico por causar el material de magnetocalrico aumentar la temperatura. Asimismo, la cama regenerativa que es demagnetized est en comunicacin con un intercambio de medios para el medio ambiente pretende ser refrigerada de calor. De esta manera, las camas de primeras y segunda pueden ser alternadas relativo a un origen de campo magntico, para proporcionar de forma selectiva MAGNETIZADOR y demagnetizing las camas regenerativas, tal que cada cama puede alternar para proporcionar refrigeracin continua de un entorno. Debe sealarse que el nico gasto de energa en el sistema implica el actuador para mover el imn (o para mover alternativamente las camas regenerativas relativo al imn) y bombas para por medio de transferencia trmica de circulacinhttp://es.patents.com/us-20080276623.htmlhttp://ruc.udc.es/bitstream/2183/10317/2/RomeroGomez_Javier_TD_2013.pdf tesis doctoral pdfhttp://www.forofrio.com/index.php?option=com_content&view=article&id=126&catid=9&Itemid=54DYNAPrintversionISSN0012-7353Dyna rev.fac.nac.minasvol.73no.149MedellnJuly2006PRINCIPIOS TERMODINMICOS DE LA REFRIGERACIN MAGNTICAPRINCIPIOS TERMODINMICOS DE LA REFRIGERACIN MAGNTICAJOHN HOYOSGrupo de Ciencia y Tecnologa de los Materiales. Universidad Nacional de Colombia,jjhoyos@unal.edu.co.FARID CHEJNEProfesor asociado Universidad Nacional de Colombia,fchejne@unal.edu.co.CSAR CHAVESProfesor asociado Universidad Nacional de Colombia,cachaves@unal.edu.co.JUAN VELSQUEZIngeniero Qumico. Programa Investigacin y Desarrollo. Colorqumica S.A. Medelln.juanesv@epm.net.co.ALAN HILLInstituto de Energa y Termodinmica. Profesor Universidad Pontificia Bolivariana.iet@upb.edu.co.Recibido para revisar 25 de Abril de 2005, aceptado 20 de Julio de 2005, versin final 14 de Marzo de 2006RESUMEN:La Refrigeracin magntica es una de las tecnologas con mayor potencial comercial debido a sus ventajas ambientales y energticas frente a los sistemas convencionales. Este artculo presenta los aspectos termodinmicos ms importantes del efecto magnetocalrico, fundamental en el estudio de las transformaciones magnticas y el desarrollo de la refrigeracin magntica. Tambin se explican los ciclos magnticos de Carnot, Brayton y de Regeneracin Magntica Activa aplicados a la refrigeracin magntica. Los ciclos de Brayton y de Regeneracin Magntica Activa se emplean en aplicaciones con amplios intervalos de la temperatura de operacin.PALABRAS CLAVE:Refrigeracin magntica, efecto magnetocalrico, ciclos magnticos, materiales magnticos, entropa magnticaABSTRACT:Magnetic refrigeration is one of the technologies with a high commercial potential due to its environment and energetic advantages among conventional ones. The main thermodynamic aspects of the magnetocaloric effect are presented. Magnetic transformations and magnetic refrigeration technology, are based in the magnetocaloric effect. Also, the Carnot, Brayton and Magnetic Active Regeneration cycles are explained. It is important to notice that the Magnetic Active Regenerative cycle is used in applications with room temperatures.KEY WORDS:magnetic refrigeration, magnetocaloric effect, magnetic cycles, magnetic materials, magnetic entropy1. INTRODUCCINLa refrigeracin magntica aprovecha el efecto magnetocalrico (MCE) para reemplazar los procesos de compresin y expansin de los sistemas convencionales por procesos de magnetizacin y desmagnetizacin de un material magnetocalrico [Hoyos, 2004].A diferencia del ciclo de vapor, en los sistemas de refrigeracin magntica el refrigerante (material magnetocalrico) es un slido y no se puede bombear a travs de intercambiadores de calor. Por tanto se emplea un fluido que transfiere la energa entre el refrigerante magntico y los depsitos [Zimm, et al., 1998]. Este sistema de refrigeracin presenta grandes ventajas ambientales y energticas. Al suprimir el compresor, aumenta la eficiencia y reduce la emisin de CO2. Tambin disminuye el efecto invernadero causado por los CFC y HFC, porque reemplaza los refrigerantes del ciclo de vapor por un refrigerante magntico y un fluido, que puede ser agua o helio dependiendo de la temperatura de aplicacin [Steyert, 1978].La manifestacin del efecto magnetocalrico como un cambio de entropa isotrmico o un cambio de temperatura adiabtico, permite obtener diferentes ciclos termodinmicos. En este artculo se presentan los principios termodinmicos de los ciclos magnticos de Carnot y de Brayton, sealando las limitaciones termodinmicas de los sistemas de refrigeracin que emplean el ciclo de Carnot. Adicionalmente, se presenta la descripcin del ciclo de Regeneracin Magntica Activa (AMR).El ciclo de Carnot se realiza en dos procesos de cambio de temperatura adiabtico y dos procesos de cambio de entropa isotrmico. Esto permite estudiar directamente las manifestaciones del MCE. La aplicacin 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 energa necesaria para cambiar el orden magntico del material. El intervalo de temperaturas de operacin est limitado por el cambio de temperatura adiabtico a temperaturas inferiores a 22K [Hoyos, 2004].En la refrigeracin magntica el refrigerante es un slido y no un fluido, por tanto no es apropiado emplear el trmino calor especfico, tanto la entropa como la capacidad de calor son propiedades extensivas.El ciclo de Brayton es un ciclo regenerativo que permite obtener amplios intervalos de temperatura de operacin. Puede operar a temperaturas altas, porque el intercambio de calor entre el refrigerante magntico y el fluido no se realiza en los procesos de cambio de entropa isotrmico (como en el ciclo de Carnot), sino en procesos en los que la intensidad magntica permanece constante.Las principales aplicaciones de la refrigeracin magntica han sido en licuefaccin de gases, aplicaciones aeroespaciales, aplicaciones mdicas de imgenes de resonancia magntica y el enfriamiento de sensores infrarrojos para aplicaciones cientficas y militares [Kral y Barclay, 1991]. Se espera que en los prximos aos se pueda emplear en aplicaciones comerciales a temperatura ambiente, en sistemas de aire acondicionado y refrigeradores domsticos.2. TERMODINMICA DEL EFECTO MAGNETOCALRICOLos sistemas de refrigeracin aprovechan el cambio en la entropa de un material debido a la variacin de parmetros externos, como la presin o la magnetizacin, para producir fro. Estos fenmenos son conocidos como efecto elastocalrico (ECE) y efecto magnetocalrico (MCE), respectivamente.Los sistemas convencionales transfieren calor debido al cambio en la presin ejercida sobre un material en un proceso donde la intensidad magntica permanece constante (un campo magntico nulo es un caso particular). Los sistemas de refrigeracin magntica emplean un principio inverso. En estos sistemas, la transferencia de calor se produce cuando cambia el campo magntico aplicado sobre el material, en un proceso en el que la presin permanece constante [Hoyos, 2004].Durante un proceso adiabtico podran cambiar simultneamente la presin y el campo magntico externo, produciendo el efecto magneto-elastocalrico (MECE). Actualmente no existen estudios sobre ste fenmeno y en las aplicaciones de la refrigeracin magntica lo comn es evitar al mximo los cambios de presin para despreciar el ECE y utilizar slo el MCE [Tishin, 2000].Cuando se aplica un campo magntico externo a un material ferromagntico, a una temperatura cercana a su temperatura de transformacin de fase magntica (temperatura de Curie), los momentos magnticos de los electrones desapareados del nivel 3d (para hierro, nquel y cobalto) o del nivel 4f (para los lantnidos) se alinean paralelos a la direccin de la induccin del campo magntico aplicado. Esta alineacin disminuye la entropa del material. Cuando se retira el campo magntico aplicado, los momentos magnticos de los electrones se orientan libremente aumentando la entropa.La magnetizacin y desmagnetizacin del material ferromagntico, a temperaturas cercanas a la temperatura de transformacin magntica, favorecen el carcter reversible del proceso debido a los continuos cambios en el orden magntico. El MCE se manifiesta en dos formas. Cuando el cambio en el campo magntico se produce en un proceso adiabtico aparece como un cambio de temperatura isoentrpico, de lo contrario (si no es adiabtico) se manifiesta como un cambio de entropa isotrmico.Existen dos tipos de MCE en los materiales ferromagnticos, el MCE convencional y el MCE gigante (Figuras 1y2, respectivamente).

Figura 1.MCE en transformaciones de segundo orden. Curvas isomagnticas de la entropa en funcin de la temperatura.Figure 1.MCE in transformations of second order. Temperature dependence of the entropy in different magnetic fields.

Figura 2.MCE en transformaciones de primer orden. Curvas isomagnticas de la entropa en funcin de la temperatura.Figure 2.MCE in transformations of first order. Temperature dependence of the entropy in different magnetic fields.En el MCE convencional, la aplicacin de un campo magntico externo en un proceso adiabtico disminuye la entropa magntica. Como el proceso es adiabtico aumenta la entropa de retcula, la cual est asociada a la distribucin espacial de los tomos en la red cristalina (retcula), para mantener la entropa del sistema constante. El aumento de la entropa de retcula aumenta la temperatura del material (proceso 1-2 de lafigura 1).Cuando el material magntico intercambia calor con un medio externo, durante la aplicacin o remocin del campo magntico externo, la temperatura permanece constante mientras la entropa cambia (proceso 1-3 de lafigura 1).La principal caracterstica de las transformaciones de primer orden es la discontinuidad en la entropa (Figura 2). Para cada curva isomagntica de la entropa en funcin de la temperatura, existe una temperatura a la cual se produce un cambio abrupto en la entropa. La combinacin de esta discontinuidad con el cambio en la magnitud de la intensidad del campo magntico produce un mayor cambio de entropa magntica que el observado en las de segundo orden.El cambio de entropa magntica para las transformaciones magnticas de primer orden, durante la magnetizacin y desmagnetizacin, se calculan, respectivamente, de las ecuaciones 1 y 2.En ellas, se tiene la siguiente nomenclatura. Con una intensidad del campo magntico Hila temperatura de transformacin magntica de primer orden es TP,Hi, la entalpa de transformacin esEHiy la magnitud en la discontinuidad de la entropa es igual a la relacin entre la entalpa y la temperatura de transformacin. T1es la temperatura de referencia para el nivel de entropa cero. Cl(T) y Ch(T) son respectivamente las capacidades de calor antes y despus de la temperatura de transformacin de primer orden [Pecharsky, et al., 2001].A diferencia de las transformaciones de primer orden, en las de segundo orden la entalpa de transformacin es nula y no existe diferencia en el comportamiento de la capacidad de calor, antes y despus de la transformacin, porque no se presentan transformaciones magnticas que involucren cambios en la estructura cristalina, como ocurre en las transformaciones de primer orden.La diferencia entre estas transformaciones magnticas es similar a la diferencia entre el enfriamiento a temperatura constante por evaporacin de liquido y el enfriamiento por la simple expansin del gas. La transformacin magntica de primer orden y la evaporacin del lquido utilizan la entalpa de transformacin para incrementar su entropa en un proceso isotrmico, mientras que la transformacin de segundo orden y la expansin del gas

3. PRINCIPIOS TERMODINMICOSLos sistemas de refrigeracin magntica, aprovechan el cambio en la entropa de un material, debido al cambio isobrico en la intensidad magntica, para producir fro. La entropa del material depende de la temperatura y la intensidad magntica. Por tanto, el diferencial total de la entropa se puede calcular con la ecuacin 3.

Esta ecuacin se puede obtener a partir de la segunda ley de la termodinmica y deduciendo las ecuaciones de Maxwell asociadas a la entalpa y la energa libre de Gibbs.Los procesos de magnetizacin y desmagnetizacin se consideran reversibles y el cambio en el volumen del material magnetocalrico despreciable. Esto se puede considerar cuando la histresis del cambio del orden magntico es despreciable, como en el gadolinio. El cambio de energa interna, la entalpa y la energa libre de Gibbs se expresan, respectivamente, con las ecuaciones 4, 5 y 6 [Bejan, 1997]. Es importante resaltar que tanto la entalpa como la intensidad magntica tienen el mismo smbolo (H), para evitar la confusin en este artculo, la entalpa se representa como H*, mientras para la intensidad magntica se emplea el smbolo H.

Ecuaciones (4), (5) y (6); respectivamente. Los diferenciales de la entalpa y la energa libre de Gibbs se calculan empleando el diferencial de la energa interna [Velsquez, et al., 2003].

La energa libre de Gibbs depende de la temperatura y la intensidad del campo magntico. Por lo tanto, su diferencial total se calcula con la ecuacin 9.

Al considerar la energa libre de Gibbs una funcin continua, sus derivadas parciales mixtas son iguales y se obtiene la ecuacin de Maxwell que relaciona la entropa con la magnetizacin (ecuacin 12).

Al aplicar la segunda ley de la termodinmica para procesos reversibles y reemplazando la ecuacin anterior, en el diferencial total de la entropa (ecuacin 1), se obtiene:

La ecuacin 13 permite hallar el cambio de entropa isotrmico. Sin embargo, no permite calcular el cambio de temperatura adiabtico de forma explcita. Este clculo se obtiene teniendo en cuenta que la entropa total del material equivale a la suma de las entropas magntica, electrnica y de retcula (SM, SE, SL, respectivamente) [Tishin y Spichkin, 2002].Un anlisis riguroso seala que, a presin constante, estas entropas dependen de la temperatura y el campo magntico. Sin embargo, en el estudio del efecto magnetocalrico, se considera que la entropa magntica depende del campo magntico aplicado, mientras que las entropas electrnica y de retcula son independientes. Por tanto, al magnetizar o desmagnetizar el material la entropa magntica cambia mientras las entropas electrnica y de retcula permanecen constantes [Tishin y Spichkin, 2002].Cuando el proceso no es adiabtico el cambio en la entropa total es igual al cambio en la entropa magntica. Cuando el proceso es adiabtico, la entropa total permanece constante (ecuacin 14).

Por tanto, el cambio en la entropa magntica induce un cambio en las entropas de retcula y electrnica, de igual magnitud pero sentido opuesto. El cambio de entropa magntica se puede calcular con las ecuaciones 15 y16.

De la segunda ley de la termodinmica, considerando la capacidad de calor en funcin de la temperatura y el campo magntico como una funcin continua, y reemplazando la ecuacin 16 en la 14, se obtienen las ecuaciones para el cambio de temperatura adiabtico durante la desmagnetizacin y magnetizacin (ecuaciones 17 y 18, respectivamente) [Hoyos, 2004].

4. CICLOS MAGNTICOSLa manifestacin del efecto magnetocalrico como un cambio de entropa isotrmico o un cambio de temperatura adiabtico, permite adecuar los sistemas de refrigeracin magntica para obtener diferentes ciclos termodinmicos.En los estudios sobre la refrigeracin magntica, es comn encontrar representaciones de estos ciclos tanto en diagramas de la temperatura en funcin de la entropa como en diagramas de entropa en funcin de la temperatura. En este trabajo se emplean diagramas de la temperatura en funcin de la entropa para representar los ciclos de Carnot y de Brayton [Kral y Barclay, 1991].Inicialmente, los refrigeradores magnticos operaban con el ciclo de Carnot. Sin embargo, actualmente emplean ciclos regenerativos como los ciclos de Brayton y de regeneracin magntica activa (AMR). Este cambio se presenta porque con el ciclo de Carnot, la aplicacin de la refrigeracin magntica est limitada por el cambio de temperatura adiabtico del material magnetocalrico. El ciclo de Carnot se emplea en aplicaciones criognicas, con intervalos de temperatura cercanos a 20K, mientras que los ciclos regenerativos pueden operar a temperaturas ms altas, con intervalos de temperatura mayores [Kral y Barclay, 1991].La transferencia de calor en el ciclo Brayton se presenta de forma diferente a la del ciclo de Carnot. En este ltimo la transferencia de calor entre el fluido y el material magnetocalrico (tambin llamado refrigerante magntico) ocurre en un proceso isotrmico, mientras el material se magnetiza o desmagnetiza. En cambio, en el ciclo de Brayton la transferencia de calor se realiza en los procesos donde la intensidad magntica permanece constante. Esto permite una mayor transferencia de calor entre el material magnetocalrico y el fluido.El ciclo de Carnot es el ciclo ms simple y representativo del MCE [Barclay, et al., 1984]. Este ciclo se realiza en cuatro procesos, dos adiabticos y dos isotrmicos (Figura 3).

Figura 3.Ciclo magntico de Carnot. Este ciclo se realiza en dos procesos adiabticos y dos procesos isotrmicos.Figure 3.Carnot cycle. This cycle comprises four steps: two adiabatic and two isothermal.Inicialmente, el refrigerante magntico se magnetiza parcialmente (proceso AB), aumentando su temperatura adiabticamente desde TBhasta TA. Luego aumenta la intensidad del campo magntico aplicado para completar la magnetizacin y se remueve el aislamiento trmico del refrigerante para permitir el intercambio de calor con el fluido (proceso BC). En este proceso, el refrigerante mantiene su temperatura constante mientras que el fluido absorbe el calor generado en el refrigerante debido a la magnetizacin. En el proceso CD disminuye el campo magntico aplicado, esto disminuye la temperatura del refrigerante adiabticamente, desde TAhasta TB. Finalmente, el ciclo se completa cuando el material se desmagnetiza completamente durante el proceso DA.En el proceso DA, el refrigerante intercambia calor con el fluido recobrando la energa perdida durante la desmagnetizacin. Para garantizar el buen funcionamiento del sistema, el fluido expulsa la energa absorbida del refrigerante magnetizado al sumidero y absorbe la energa cedida al refrigerante desmagnetizado del sistema a refrigerar.Los cambios de temperatura adiabticos de los procesos CD y BA, se pueden calcular, respectivamente, de las ecuaciones 17 y 18. El intercambio de calor con el fluido durante los procesos BC y DA (ecuaciones 19 y 20, respectivamente), se obtiene a partir del correspondiente cambio de entropa isotrmico calculado con la ecuacin 10.

El ciclo de Brayton se realiza en cuatro procesos, dos adiabticos y dos donde la intensidad del campo magntico aplicado permanece constante (Figura 4).

Figura 4.Ciclo Brayton. Este ciclo se realiza en dos procesos adiabticos y dos procesos con intensidad magntica constante.Figura 4.Brayton Cycle. This cycle comprises four steps: two adiabatic and two isofield.En este ciclo la transferencia de calor se realiza en los procesos donde la intensidad magntica permanece constante. Por tanto, se obtienen intervalos de temperatura superiores a los del ciclo de Carnot [Barclay, 1983].Inicialmente el refrigerante magntico se encuentra por fuera de la regin de alto campo magntico, a una temperatura TAcuando entra a la regin de alto campo magntico su temperatura incrementa adiabticamente, desde TAhasta TA+T, debido al efecto magnetocalrico. Cuando termina el proceso adiabtico, el campo magntico aplicado permanece constante y el refrigerante emite energa al fluido, disminuyendo la temperatura desde TA+T hasta Tb+T. Luego, el refrigerante se separa del fluido y entra a la regin de bajo campo magntico, y su temperatura disminuye desde Tb+T hasta TBdebido al efecto magnetocalrico.Finalmente, en la regin de bajo campo magntico el refrigerante intercambia calor con el fluido, absorbiendo energa de ste para aumentar la entropa y la temperatura hasta TA. El ciclo realizado por el fluido, es similar al efectuado cuando el refrigerante ejecuta el ciclo de Carnot. El fluido expulsa al sumidero la energa absorbida del refrigerante magnetizado y absorbe del sistema a refrigerar la energa cedida al refrigerante desmagnetizado.Los cambios de temperatura adiabticos de los procesos CD y BA se calculan igual a los del ciclo de Carnot. Es decir, se obtienen, respectivamente, de las ecuaciones 17 y 18. El intercambio de calor con el fluido durante los procesos BC y DA, se obtiene, respectivamente, de las ecuaciones 21 y 22, a partir del correspondiente cambio de entropa (con el campo magntico aplicado constante) calculado con la ecuacin 13.

El intervalo de temperaturas de operacin del ciclo de Carnot est limitado por el cambio de temperatura adiabtico de los procesos CD y BA. Cuando la temperatura aumenta, aumenta la capacidad de calor. En las ecuaciones 17 y 18 es evidente la disminucin del cambio de temperatura adiabtico cuando aumenta la capacidad de calor. Cuando la entropa de retcula es muy grande comparada con la entropa magntica, el cambio de temperatura adiabtico del material es insignificante.La entropa de retcula aumenta con el aumento de la vibracin de los tomos, la cual crece con el aumento de la temperatura. Esto limit la aplicacin de la refrigeracin magntica a temperaturas inferiores a 20K [Saito, et al., 2003]. El ciclo de Carnot no se emplea a temperaturas altas, esto se debe a la constitucin del ciclo. La operacin mediante dos procesos continuos de magnetizacin (procesos AB y BC) y dos procesos continuos de desmagnetizacin (procesos CD y DA), requieren campos magnticos muy grandes para disminuir la vibracin de los tomos.La aplicacin de la refrigeracin magntica a temperaturas ms altas se realiza desde la dcada de 1970. En estas aplicaciones se aprovecha la transformacin de fase magntica de un material ferromagntico, entre los estados ferromagntico y paramagntico. Por tanto, el rango de temperatura de aplicacin est limitado a la vecindad de la temperatura de transformacin. En el caso del gadolinio, el mejor material magnetocalrico a temperatura ambiente, el rango de temperatura mximo para el ciclo de Carnot es 22K [Saito, et al., 2003].En aplicaciones de la refrigeracin magntica a temperaturas altas, se emplean tres tipos de regeneradores: un regenerador externo, un regenerador interno y el regenerador magntico activo [Yu, et al., 2003].El ciclo Brayton que se describe en el artculo, es un regenerador externo. En este tipo de regeneradores, la transferencia de calor entre el material regenerador (generalmente un slido) y el material refrigerador se realiza a travs de un fluido. En el regenerador interno, el material regenerador (generalmente un fluido) y el material refrigerante se colocan dentro del regenerador, por tanto la transferencia de calor se realiza directamente entre ellos.En el AMR, el material magntico no slo es el material refrigerante sino tambin el regenerador. Esto disminuye las perdidas irreversibles por los procesos de transferencia de calor adicionales en el regenerador externo y la mezcla de las regiones del fluido regenerador con diferentes temperaturas en el regenerador interno. De los tres regeneradores, el ms ineficiente es el regenerador interno, sin embargo tiene gran valor histrico al ser el empleado en la primera aplicacin de la refrigeracin magntica a temperatura ambiente [Brown, 1976].De acuerdo a la capacidad de calor relativa entre el fluido y el material refrigerante se tienen dos aplicaciones limites. En la primera, la capacidad de calor del fluido es mucho mayor que la del material refrigerante (regenerador interno). En la segunda, la capacidad de calor del fluido es mucho menor que la del material refrigerante (AMR). En el regenerador interno, el gradiente de temperatura es afectado fcilmente por la accin del fluido. En el AMR, el gradiente de temperaturas es estable y la rata de flujo requerida para una carga de refrigeracin dada es mucho menor que en el regenerador interno.El mecanismo de transferencia de calor del AMR es similar al de un regenerador ordinario, excepto porque el cambio de temperatura se debe a la aplicacin y remocin del campo magntico, es decir, el trmino activo se refiere a la aplicacin y remocin del campo magntico, en oposicin a un regenerador normal o pasivo donde el campo magntico es nulo.Este ciclo permite obtener intervalos de temperatura de operacin muy superiores a los obtenidos por ciclos termodinmicos convencionales, en un volumen considerablemente menor. Se pueden obtener intervalos de temperatura desde 50K para un lecho magntico conformado por un solo material hasta intervalos superiores a 300K para un lecho magntico conformado por varios materiales magnetocalricos ordenados de menor a mayor temperatura de Curie [Hoyos, 2004]. Los procesos termodinmicos, son similares a los realizados en el ciclo de Brayton (Figura 5). Primero, el lecho magntico es magnetizado, por lo tanto el material magntico aumenta la temperatura. Despus de la magnetizacin, el fluido absorbe energa del lecho magntico en un proceso donde el campo magntico aplicado permanece constante. El fluido entra por el extremo de menor temperatura y sale por el de mayor temperatura.

Figura 5.Perfil de temperaturas del ciclo AMR. La capacidad de calor del fluido es menor a la del lecho magntico.Figure 5.Temperatures profile of AMR cycle. Heat capacity of the fluid blow through the magnetic bed is leseer than that of the magnetic bed.Durante la desmagnetizacin todos los elementos del lecho magntico alcanzan las temperaturas locales ms bajas del ciclo, por lo tanto cuando el fluido entra nuevamente al lecho magntico en lugar de absorber energa, expulsa energa calentando el lecho magntico. En este proceso, el fluido entra por el extremo de mayor temperatura y sale por el extremo de menor temperatura.Esta descripcin slo es correcta cuando el lecho magntico tiene una capacidad de calor muy superior a la del fluido, y cumple tanto la funcin de material refrigerante como la de regenerador [Barclay y Steyert, 1982].En un ciclo AMR ideal (sin generacin de entropa) cada elemento del lecho magntico realiza un ciclo Brayton (Figura 6) en un intervalo de temperaturas que depende de su temperatura de Curie.

Figura 6.Ciclo AMR. El lecho magntico puede contener uno o ms materiales, ordenados de menor a mayor temperatura de Curie.Figure 6.Cycle AMR. Magnetic bed can composed of layers of different magnetic materials with Curie temperature increasing progressively.Dentro del lecho magntico, los materiales magnetocalricos, funcionan como un ensamble de refrigeradores elementales actuando en paralelo para intercambiar calor con el fluido que transfiere calor con los dos depsitos. Esto permite alcanzar un amplio intervalo de temperaturas [Kral y Barclay, 1991].El problema principal es la generacin de entropa. Para minimizarla, la temperatura dentro del lecho magntico debe aumentar gradualmente sin discontinuidades ni cambios abruptos, es decir, cuando el cambio en la entropa del lecho magntico se considera constante.Esta condicin limita considerablemente la utilizacin del ciclo del AMR y experimentalmente slo se reportan dispositivos con un lecho magntico conformado por dos materiales magnetocalricos [Hoyos, 2004]. Actualmente, las investigaciones estn orientadas al diseo de refrigeradores magnticos, estudiar la termodinmica de las transformaciones magnticas de primer y segundo orden y realizar modelos del principio AMR.La realizacin de modelos que describan apropiadamente la transferencia de calor entre el material refrigerante y el fluido, se constituye en la base para la aplicacin comercial de la refrigeracin magntica. Debido a la falta de estos modelos, no es posible calcular los parmetros de operacin reales de un refrigerador con base en una carga de refrigeracin dada, como la frecuencia de operacin, el volumen del material refrigerante, el rea de contacto, la magnitud del campo y la transferencia de calor en rgimen transitorio.5. CONCLUSIONESLa refrigeracin magntica se constituye en una de las tecnologas ms importantes y con mayor potencial debido a sus ventajas ambientales y energticas frente a los sistemas convencionales. Sin embargo, involucra fenmenos termodinmicos muy complejos y poco estudiados como las transformaciones magnticas de primer orden y el principio de regeneracin magntica activa. El estudio de estos fenmenos y el desarrollo de modelos termodinmicos que validen los resultados experimentales son fundamentales para su aplicacin comercial. La entalpa de las transformaciones de primer orden, aumenta la magnitud del efecto magnetocalrico. Sin embargo, la discontinuidad en la entropa puede disminuir considerablemente la reversibilidad del proceso.Los ciclos de Carnot y de Brayton permiten estudiar los aspectos bsicos de la refrigeracin magntica. Sin embargo, la aplicacin del ciclo de Carnot se limita a bajas temperaturas y la del ciclo de Brayton a bajos intervalos de temperatura. En aplicaciones comerciales se emplean los principios de la Regeneracin Magntica Activa. En este ciclo, el material magntico realiza la funcin de refrigerante y regenerador, aumentando considerablemente la eficiencia y el intervalo de temperatura de operacin.NOMENCLATURAC: Capacidad de calorE:Entalpa de transformacinG:Energa libre de GibbsH:Intensidad magnticaH*:EntalpaM:magnetizacin por unidad de volumenQ:CalorS:EntropaT:TemperaturaU:Energa internaV:VolumenCaracteres griegoso=permeabilidad en el vacoSubndicesA:Alta Temperaturaad:AdiabticoB:Baja temperaturaC:Relativo a la desmagnetizacinE:Entropa de retculaH:Intensidad constanteHI::Relativo a la intensidad inicialHF::Relativo a la intensidad finalH1:Relativo al estado de baja intensidadH2:Relativo al estado de alta intensidadL:ElectrnicaM:MagnticaO:promediop:Presin constanteT:IsotrmicoSuperndicesH:Posterior a la transformacin de primer ordenl:Antes a la transformacin de primer ordenREFERENCIAS[Links][2] BARCLAY, J., Wheel-Type Magnetic Refrigerator. USP No 4,408,463, Octubre, 1983. [Links][3] BARCLAY, J., OVERTON, W., Y STEWART, W., Magnetic Refrigeration Apparatus and Method. USP No 4,459,811, Julio, 1984. [Links][4] BARCLAY, J., STEYERT, W., Active Magnetic Regenerator. USP No 4,332,135, Junio, 1982. [Links][5] BROWN, GERALD, Magnetic Heat Pumping. USP No 4,069,028, Noviembre, 1976. [Links][6] HOYOS , J., Refrigeracin magntica, Universidad Nacional de Colombia (Tesis Ingeniera Mecnica), Medelln, 2004. [Links][7] KRAL, S., Y BARCLAY, J., Magnetic refrigeration: a large cooling power cryogenic refrigeration technology. Applications of cryogenic technology, Vol 10, 27-41, Plenum press, New York, 1991. [Links][8] PECHARSKY, V., GSCHNEIDNER, K., PECHARSKY, A., y Tishin, A., Thermodynamics of the magnetocaloric effect. Physical review B, Vol 64, No 144406, 2001. [Links][9] SAITO, A., KOBAYASHI, T., SAWA, T., Y SAHASHI, M., Magnetic material. USP No 2003/0051774A1, Marzo, 2003. [Links][10] STEYERT, W. High temperature refrigerator. USP No 4,107,935. 1978. [Links][11] TISHIN, A. Adiabatic processes in magnetic materials. Advances in cryogenic engineering (materials), Vol 46, 2000. [Links][12] TISHIN, A., AND SPICHKIN, YOURI. Relationships of adiabatic, isothermal and field constant changes of a magnetic entropy. En: Advances incryogenic engineering: proceedings of the international cryogenic materials conference, Vol 48, CP614, p. 27-33, 2002. [Links][13] VELSQUEZ, JUAN ESTEBAN. CHEJNE, FARID. Hill, Alan. Produccin de fro a partir de campos magnticos. Parte II: Anlisis termodinmico. En: Revista Facultad de Ingeniera, no 30, p. 71-77, 2003. [Links][14] YU, B., GAO, Q., ZHANG, B., MENG X., CHEN, Z., Review on research of room temperature magnetic refrigeration. International of Refrigeration, no 26, p. 622-636, 2003. [Links][15] ZIMM, C., JASTRAB, A., STERNBERG, A., PECHARSKY, V., GSCHNEIDNER, K., OSBORNE, M., Y ANDERSON, I., Description and Performance of a near-room temperature magnetic refrigerator. En: Advances in cryogenic engineering. Vol 43, p. 1759-1766, 1998. [Links]http://www.scielo.org.co/scielo.php?pid=S0012-73532006000200008&script=sci_arttexthttp://digital.csic.es/bitstream/10261/48185/1/refrigeracion_web%5B1%5D.pdfhttp://digital.csic.es/bitstream/10261/48185/1/refrigeracion_web%5B1%5D.pdfhttp://zaguan.unizar.es/record/9510/files/TESIS-2012-086.pdfhttp://servicioinformativodelaconstruccion.com/refrigeracion-magnetica-para-reducir-emision-de-gases/http://digibug.ugr.es/bitstream/10481/864/1/15887352.pdfhttp://es.slideshare.net/titosangui/conferencia-expofrio-2014-sistemas-de-refrigeracinhttp://cybertesis.unmsm.edu.pe/bitstream/cybertesis/3451/1/ramos_gj.pdfhttp://www.basf-new-business.com/en/businesses/uebersicht-geschaeftsaufbau/