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IL FREDDO MAGNETICO

La produzione del freddo senza fluido refrigerante 

Jacques Loigerot - Centre Techniques des Industries Mcaniques - CETIM

PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO

Alcuni cilindri contengono un metallo come il gadolinio. Il campo magnetico applicato eleva la temperatura del materiale magnetico. Al di fuori del campo magnetico, il materiale raffredda. Questo effetto magnetocalorifero produce una variazione della temperatura da 0,5 a 2C. per un cambiamento del campo di 1 Tesla alla temperatura ambiente.

In un refrigeratore magnetico ad uso domestico, due cilindri che contengono del gadolinio passano alternativamente in un campo magnetico alto e in uno basso. Un circuito d'acqua assorbe il calore emesso da questo materiale magnetico. Il flusso dell'acqua costituisce un sistema di refrigerazione. Gli additivi aggiunti all'acqua permettono di scendere al di sotto di 0C.

L'effetto magnetocalorifico aumenta con l'aumentare dell'intensita' del campo magnetico. Questo sistema esige, dunque, campi magnetici elevati.

VANTAGGI

Questo sistema evita le fughe che si verificano nei sistemi a compressione di gas (tenuta stagna) e con COP elevati. Non ci sono n parti in movimento n fluido refrigerante.

INCONVENIENTI

Questa tecnologia necessita di campi magnetici intensi e della presenza di superconduttori, che sono sistemi complessi e dispendiosi dal punto di vista energetico. Cosi', il rendimento non sembra essere sufficiente alla realizzazione di applicazioni commerciali. La tendenza sembra essere quella di utilizzare calamite permanenti che sostituiscono i materiali superconduttori che funzionano a temperature molto basse: le calamite permanenti sono meno ingombranti e non consumano energia. Quelle piu' utilizzate sono le leghe Nd-Fe-B.

I DIVERSI TIPI DI REFRIGERATORI MAGNETICI

Il refrigeratore magnetico di Brown utilizza il ciclo di Ericsson. Il campo magnetico fornito da un elettromagnete raffreddato ad acqua con un campo massimo di 7 T.

Il materiale magnetico una placca di gadolinio di 1 mm. di spessore. Il refrigeratore una colonna di fluido verticale di 0,4 litri composta per l80% di acqua e per il 20% di alcool.

Dopo 50 cicli, la temperatura massima ottenuta di 46C. al punto caldo e di 1C. al punto freddo.

IL REFRIGERATORE MAGNETICO DI STEYERT si appoggia al ciclo di Brayton con un sistema rotativo che fa passare il materiale magnetico alternativamente in un campo magnetico elevato e in uno basso.

IL REFRIGERATORE MAGNETICO DI KIROL segue il ciclo di Ericsson e utilizza calamite permanenti  NdFeB con un campo magnetico massimo di 0,9T.

Il rotore costituito da dischi di gadolinio spaziati tra loro. Lo spessore di ogni disco di 0,127mm. Ci sono 120 dischi per un peso totale di 270g. 

IL REFRIGERATORE MAGNETICO DI ZIMM utilizza il ciclo di Brayton. Il campo magnetico massimo  di 5T ottenuto grazie alla presenza dei superconduttori NbTi. Si utilizza il principio dellAMR ( rigeneratore magnetico attivo).

Comporta una carica di 3kg. di sfere di gadolinio da 0,15 a 0,3mm.

Il fluido di trasferimento l'acqua unita ad un antigelo. Il ciclo completo ha una durata di 6 s (magnetizzazione e demagnetizzazione in 1 s e due tappe di 2 s per la circolazione del fluido).

Per un campo di 5T, la potenza di raffreddamento di 600W Per una differenza di temperatura tra la zona fredda e quella calda di 38C., la potenza solo di 100W. Il rendimento relativo circa del 60% (in rapporto al ciclo di Carnot) e il COP di 15. Tuttavia, l'energia fornita per la superconduzione fa calare notevolmente il rendimento.

Notiamo che il sistema non necessita di una manutenzione importante.

D'altronde il Laboratorio Ames ha depositato un brevetto per un refrigeratore magnetico che utilizza calamite permanenti in grado di produrre campi che vanno fino a 1,9 T. L'assemblaggio costituito da 7 calamite permanenti.

Le dimensioni sono 114x128 mm con un passaggio di 12,7 mm.

RENDIMENTI

Il rendimento dato dal COP di Carnot e dal rendimento globale. L'efficacia data dall'energia estratta dal refrigeratore diviso per l'energia fornita al sistema. Spesso, gli studi omettono di fornire le informazioni legate all'apporto energetico esterno per far funzionare l'impianto.

COP di Carnot = Tf /( Tc-Tf)

Per un refrigeratore classico, il COP di Carnot dell'ordine di 5.

Il freddo magnetico permette in genere di ottenere temperature basse con rendimenti piccoli, per esempio temperature che vanno fino a 1 K per la liquefazione di prodotti come l'elio.

L'efficacia di questa tecnologia sembra notevole perche' si perde poca energia durante le fasi di riscaldamento e di raffreddamento. Il prototipo messo in opera funziona al 30% del limite del ciclo di Carnot, risultato che comparabile con quello dei refrigeratori domestici abituali.

Sono in corso studi tesi all'attuazione di applicazioni industriali che funzionino al 70% del limite del ciclo di Carnot.

QUALCHE RISULTATO DEGLI STUDI SPERIMENTALI

Durante uno studio sperimentale del 2002 stato realizzato un impianto magnetico con campi che andavano da 0 a 4T. I campi magnetici sono generati grazie a 2,2 kg. di sfere di gadolinio il cui diametro di 0,3 mm.

La capacita' di raffreddamento di circa 100 W a 0C per un campo magnetico di 4 T e una temperatura  esterna di 25C. IL COP calcolato seguendo il metodo classico senza tener conto dell'energia fornita per raffreddare gli elementi superconduttori:

-temperatura della fonte calda: 28,7C.

-temperatura della fonte fredda: 2,6C.

-Q entrata=100 W

-Q uscita= 118 W.

-COP= 5,6 al massimo

-COP Carnot = 10,56

Il massimo dell'efficacia del 52% del Ciclo di Carnot. L'energia per raffreddare le calamite ed ottenere un campo di 4 T superiore a 5 kW. L'energia consumata a causa di sfregamento negli impianti meccanici non viene tenuta presente.

COOLTECH propone un sistema di refrigerazione magnetica che annuncia dei COP da 6 a 12 con il supporto di campi magnetici intensi che vanno da 5 a 10 T.

Il limitato consumo energetico dovuto all'utilizzo di calamite permanenti al posto dei superconduttori. Ora si stanno portando avanti delle prove sulle calamite permanenti in grado di produrre campi di 1,5 T allo stato  naturale. Secondo Cooltech la potenza sarebbe limitata a 12-15KW.

Nel Laboratorio OAK, i COP ottenuti sono legati alla differenza di temperatura tra la fonte calda e la fonte fredda: il loro valore di 8 per un calo della temperatura di 8C e di 1 per un calo della temperatura di 23C. I fluidi utilizzati sono l'acqua o miscele acqua-glicole. 

Questi COP escludono gli ausiliari, come quelli che realizzano la superconduzione e quelli che fanno entrare ed uscire il sistema dal campo magnetico. I COP teorici che interessano solo il sistema freddo sono i seguenti:

Recentemente, leghe a base di gadolinio sono state sviluppate con elementi come il silicone e il germanio che permettono di generare un effetto magnetocalorifero ancora piu' importante.

Gli sviluppi futuri legati ai materiali superconduttori dovrebbero permettere di migliorare i coefficienti magnetocaloriferi e di fabbricare refrigeratori domestici.

PROSPETTIVE ED EVOLUZIONI

Le elettrocalamite e i superconduttori producono campi magnetici elevati (da 5 a 7 T) ma consumano molta energia. Gli studi pubblicati dimostrano spesso la presenza di un COP elevato per il freddo magnetico ma il rendimento piu' debole perche' non si prende mai in considerazione il consumo energetico per creare il campo magnetico.

Le calamite permanenti non consumano energia ma producono campi piu' deboli (1,5 T). Il laboratorio Ames sta lavorando su di un refrigeratore che utilizza calamite permanenti in grado di creare il campi che vanno da 2 a 3 T.  Il materiale utilizzato una lega neodimio -ferro- boro (Nd2e14B).

Le potenze fornite con calamite permanenti potrebbero raggiungere da qualche centinaia a qualche migliaia di watt e creare campi da 1 a 7 T. Un campo di 7 T potrebbe generare differenze di 16C tra la zona calda e la zona fredda. Ma si sviluppano solo un campo di 0,8 T e una differenza ottimale di 4C, ben lontano dalle estrapolazioni presentate.

Un altro studio propone l'utilizzo di calamite permanenti (FeNdB) con un refrigerante a base di gadolinio  (Gd5 (Si4Ge 1-4) 4). Una differenza di 1,6C stata ottenuta per un campo magnetico di 0,3 T con una velocita' da 4 a 50 giri al minuto, partendo da 25C. E stata fatta una riconfigurazione delle calamite per un campo di 0,95 T con una differenza di 5C.

Alcuni campi magnetici avrebbero raggiunto livelli da 1,9 a  3 T con sezioni che raggiungono i 64 mm.

Sono in corso di sviluppo simulazioni sulle modifiche alle calamite permanenti che permetteranno di proporre alternative ai superconduttori.

Chubu e Toshiba hanno pubblicato nel 2003 dei risultati ottenuti su di un refrigeratore magnetico con calamita permanente di 60 W, con un campo magnetico di 0,76 T ed elementi magnetici a base di Gd e Dy. La variazione di temperatura di 20C.

NUOVI MATERIALI MAGNETICI

I materiali magnetici utilizzati per questi impianti refrigeranti sono una terra rara (gadolinio), formule a base di gadolinio come per esempio: Gd5(SiO.455eo.545)4 o  materiali come La(Fe,Si)13Hy o MnFe (P, As) (P,Ge).

Sono allo studio nuovi materiali.

Una lega recente  a base di magnesio, ferro, fosforo e arsenico sembra piu' efficace delle leghe di gadolinio; permette di fornire freddo tra 105 e 335K mentre il Gd viene utilizzato per una gamma di freddo da 270 a 310 K. Questa nuova gamma di refrigeranti in corso di studio in una pompa di calore.