Magnetic refrigeration: an attraction toward our future

Abstract

Magnetic refrigeration is an innovative, promising and ecologic technology, which aims to substitute the conventional vapor-compression refrigeration by the employment of solid materials as refrigerants instead of the fluid-state ones, own of vapour compression refrigeration. This emerging technology bases its operation on the magnetocaloric effect (MCE), which is a physical phenomenon, related to solid-state materials with magnetic properties. The magnetic field causes an entropy change due to magnetic ordering. The maximum MCE occurs near the magnetic ordering temperature, which is recognized as the Curie temperature of a ferromagnetic material. For materials displaying simple magnetic ordering (i.e. paramagnetic to ferromagnetic phase transformations) a rapid increase in magnetic field causes a temperature rise in the material; likewise, a rapid reduction in the field causes cooling. This variation in temperature is called adiabatic temperature change which is a function of the magnetic field intensity and of the initial temperature. To reach a useful temperature span it is required employing a regenerative thermodynamic cycle. In 1982, the employment of a reciprocating thermal regenerator coupled with magnetocaloric cycle has been shown: it was introduced the Active Magnetic Regenerative refrigeration cycle, well known as AMR cycle. The innovative idea leads to a new magnetic cycle, different from the previous ones (Carnot, Ericsson, Brayton, or Stirling). It considers a magnetic Brayton cycle but the main innovation consists of introducing the AMR regenerator concept, i.e. the employment of the magnetic material itself both as refrigerant and as regenerator. A secondary fluid is used to transfer heat from the cold to the hot end of the regenerator. Substantially every section of the regenerator experiments its own AMR cycle, according to the proper working temperature. Through an AMR one can appreciate a larger temperature span among the ends of the regenerator. Active Magnetic Regenerator is the core of a magnetic refrigerator system. The performance of an AMR system strongly depends on the magnetocaloric effect of the magnetic material used to build the regenerator, on the geometry of the regenerator and on the secondary fluid. The present thesis aims to explore, report and explain all the aspects of the research, treated during the PhD period. The personal contribution in the research field of magnetic refrigeration has combined both the numerical and the experimental research that have been done hand in hand. At the Refrigeration Lab (LTF) of University of Salerno, the first Italian prototype of a Rotary Permanent Magnet Magnetic Refrigerator (RPMMR) has been projected and developed (Aprea et al., 2014), whose name is 8Mag and presents a rotating magnetic group whereas the magnetocaloric material (MCM) is stationary. Gadolinium has been selected as magnetic refrigerant and demineralized water has been employed as heat transfer fluid. In the present thesis, the experimental tests conducted on the RPMMR have been presented, with the purpose to investigate the energy performances of the device, like temperature span, refrigerating power and Coefficient of Performance (COP), when the system was subjected to different operating conditions obtained by varying the cycle AMR frequency, the thermal load, the volumetric flow rate of the auxiliary fluid and the temperatures of the cold and hot heat exchangers. In particular, the results of three different campaigns of tests are presented: 1) a primary campaign based on zero load tests; then two other campaigns have been conducted in order to explore the energetic performances of 8Mag: 2) by changing the cycle frequencies, the cooling load and fluid flow rate, while the hot side temperature was fixed, in order to give an overview of the performances and to underline an optimal operating frequency, for each set of operating conditions. 3) Fixing flow rate and AMR cycle frequency to the optimal value, a further investigation has been conducted by varying cooling load. A two-dimensional numerical model of a packed bed- AMR regenerator has been developed, as primary purpose, to operate according to the prototype, since the model replicates the thermo-fluid-dynamical behavior of one of the RPMMR's regenerators, including the magnetocaloric effect acting into the solid refrigerant. To this aim, the model has been experimentally validated with experimental results provided by the prototype. This model has been used to optimize the experimental device and to identify significant areas of device improvement. Thus, it has been used to explore the critical aspects of 8Mag and to outline the way to improve performances. Anyway, the model has been easily generalized to consider different device geometries, temperature spans, secondary fluids, and magnetic materials. As a matter of fact, in this thesis are shown the results obtained investigating, through the model, the effect of other different magnetocaloric materials when they act as refrigerant employed in one of the AMR regenerator of the prototype. Moreover, the environmental impact in terms of greenhouse effect has also been investigated, by comparing the performances of the RPMMR with the one of a vapor compression plant in terms of TEWI index (Total Equivalent Warming Impact). [edited by author]

La refrigerazione magnetica è una nuova tecnologia innovative, promettente ed ecologica che punta a sostituire la convenzionale tecnica di refrigerazione a compressione di vapore, attraverso l’impiego di materiali refrigeranti solidi, al posto di quelli fluidi, propri della refrigerazione a compressione di vapore. Questa tecnologia emergente basa il suo funzionamento sull’effetto magnetocalorico (MCE), che è un fenomeno fisico, relativo ai materiali allo stato solido con proprietà magnetiche. Il campo magnetico provoca una variazione di entropia dovuta all’ordinamento magnetico. Il massimo MCE si verifica in prossimità della temperatura di ordinamento magnetico, che è riconosciuta come temperatura di Curie dei materiali ferromagnetici. Per materiali che hanno un ordinamento magnetico semplice (esempio: trasformazione di fare da paramagnetica a ferromagnetica), un rapido incremento del campo magnetico provoca un aumento della temperatura nel materiale; allo stesso modo, una rapida riduzione del campo magnetico provoca un raffreddamento. Questa variazione di temperatura è denominata salto adiabatico di temperatura che è funzione dell’intensità di campo magnetico e della temperatura iniziale. Per raggiungere una variazione di temperatura utile, è necessario l’impiego di un ciclo termodinamico rigenerativo. Nel 1982 è stato mostrato l’impiego di rigeneratori termici alternativi accoppiati ad un ciclo magnetocalorico: fu introdotto così il ciclo Active Magnetic Regenerative refrigeration cycle, meglio conosciuto come ciclo AMR. L’idea innovativa portava ad un ciclo magnetico diverso dai precedenti (Carnot, Ericsson, Brayton o Stirling). Esso considera un ciclo magnetico di Brayton ma la maggiore innovazione consta nell’introdurre il concetto di rigeneratore AMR, ovvero l’impiego del materiale magnetico stesso sia come refrigerante che come rigeneratore. Un fluido secondario è usato per trasferire il calore dal lato freddo al lato caldo del rigeneratore. Sostanzialmente ogni sezione del rigeneratore sperimenta il proprio ciclo AMR, in accordo alla propria temperatura di lavoro. Attraverso l’AMR è possibile apprezzare un ampio salto di temperatura ai capi del rigeneratore. Il rigeneratore AMR è il cuore di un sistema di refrigerazione magnetica. Le prestazioni di un sistema AMR dipendono fortemente dall’effetto magnetocalorico del materiale magnetico usato per costruire il rigeneratore, dalla geometria del rigeneratore e dal fluido secondario. La presente tesi si propone di esplorare, riportare e spiegare tutti gli aspetti della ricerca che hanno caratterizzato il periodo di dottorato. Il contributo personale nel campo di ricerca della refrigerazione magnetica combina ricerche sia numeriche che sperimentali che sono state condotte di pari passo. Presso il Laboratorio di Tecnica del Freddo (LTF) dell’Università di Salerno, è stato progettato e sviluppato il primo prototipo di Rigeneratore Magnetico Rotante a Magneti Permanenti (RPMMR), il cui nome è 8Mag e presenta un gruppo magnetico rotante mentre il materiale magnetocalorico (MCM) è stazionario. Il gadolinio è stato selezionato come refrigerante magnetico mentre acqua distillata è stata impiegata come fluido termovettore. Nella presente tesi sono presentati i test sperimentali condotti sul RPMMR, allo scopo di investigare le performance energetiche del dispositivo, come il salto di temperatura, la potenza refrigerante ed il coefficiente di prestazione (COP), quando il sistema è soggetto a diverse condizioni operative ottenute variando la frequenza di ciclo AMR, il carico termico, la portata volumetrica del fluido ausiliare e le temperature degli scambiatori di calore freddo e caldo. In particolare sono presentati i risultati relativi a tre diverse campagne di test: 1) una prima campagna basata su test a carico zero; successivamente sono state condotte altre due campagne per esplorare le performance di 8Mag: 2) variando la frequenza di ciclo, il carico termico e la portata del flusso del fluido, mantenendo costante la temperatura dallo scambiatore caldo, affinché si avesse una panoramica delle performance e affinché fosse individuata una frequenza ottimale di ciclo, a seconda delle condizioni operative. 3) Mantenendo costanti la portata del fluido e la frequenza di ciclo AMR al valore ottimane, è stata condotta un'altra indagine al variare del carico termico. È stato sviluppato un modello bidimensionale di un rigeneratore AMR ad impacchettamento di sfere, allo scopo principale di lavorare insieme al prototipo, dacché il modello replica il comportamento termo-fluido-dinamico di uno dei rigeneratori del RPMMR, incluso l’effetto magnetocalorico presente nel refrigerante solido. A tale scopo, il modello è stato validato sperimentalmente con risultati sperimentali forniti dal prototipo. Il modello è stato utilizzato per ottimizzare il prototipo sperimentale e per identificare una significativa are di miglioramento del dispositivo. Così, esso è stato usato per esplorare gli aspetti critici di 8Mag e per delineare la strada per migliorare le performance. In ogni caso, il modello è stato facilmente generalizzato al fine di considerare diverse geometrie del rigeneratore, salti di temperatura, fluidi secondari e materiali magnetici. In particolare, in questa tesi sono mostrati i risultati ottenuti indagando, attraverso il modello, gli effetti di altri materiali magnetici quando essi sono impiegati come refrigeranti in uno dei rigeneratori del prototipo. Inoltre, è stato anche investigato l’impatto ambientale in termini di effetto serra, attraverso il confronto delle performance del RPMMR con quelle di un refrigeratore a compressione di vapore in termini di indice TEWI (Total Equivalent Warming Impact). [a cura dell'autore]