Magnetic Refrigeration: Design, construction and evaluation of a valve switched rotary prototype. Numerical modeling of a solid state magnetocaloric heat elevator.

Beltrán López, Jesús Francisco
Palacios Latasa, Elías (dir.)

Universidad de Zaragoza, 2021


Resumen: Este trabajo tiene como objetivo aportar una nueva luz a las posibilidades de que las tecnologías de refrigeración magnética se acerquen al mercado, desplazando de su trono a los sistemas de compresión de vapor.
En la introducción a esta tesis, se presenta una breve descripción de los conceptos básicos de esta tecnología y sus "condiciones de frontera", y se incluyen algunas discusiones y reflexiones personales. Se ha diseñado y construido un prototipo rotatorio de refrigeración magnética para probar lo que, en ese momento y según nuestro conocimiento, constituye un nuevo diseño. La singularidad de este prototipo reside en el uso de electroválvulas en conjunto con un sistema de bombeo de fluido continuo. Otro comentario importante sobre este prototipo es que el diseño del imán se realizó mediante un proceso de optimización original. Se llevaron a cabo algunas pruebas con compuestos Gd y GdEr, y se presentan y discuten sus resultados, encontrando también las principales fuentes de pérdidas en el dispositivo. Se desarrolló un modelo de simulación por ordenador para evaluar los tiempos de relajación de temperatura de lechos porosos de esferas de un material magnetocalórico, en función de su diámetro. Esta simulación ayudó a conocer los valores límite y seleccionar el diámetro de las partículas de los materiales magnetocalóricos a utilizar. Finalmente, se realizó un estudio comparativo del uso de sistemas híbridos termoeléctricos-magnetocalóricos. Para ello, se introdujo una ecuación maestra original para el uso de esta tecnología con materiales de transición de primer orden y se programó un modelo informático para realizar simulaciones en diferentes condiciones de trabajo. Con esto, se determinó cómo debían seleccionarse los parámetros de trabajo del sistema para obtener mejoras de rendimiento con respecto a las condiciones de enfriamiento termoeléctrico puro.
La tesis se estructura en una introducción general y dos partes separadas, a saber, la construcción de un prototipo rotatorio de refrigeración magnética y el estudio comparativo de sistemas híbridos termoeléctrico-magnetocalóricos. La introducción constituye un solo capítulo y las dos partes separadas comprenden ocho y dos capítulos, respectivamente.
La introducción comienza con un análisis de la relevancia de las tecnologías de refrigeración y la importancia de reducir su impacto en el consumo energético mundial, así como su relación con diferentes aspectos estratégicos y ecológicos. A continuación, se aborda la necesidad de encontrar nuevas tecnologías de refrigeración que eviten o minimicen los perjuicios de los sistemas de compresión de vapor. Las tecnologías de enfriamiento magnetocalórico se introducen haciendo un breve resumen histórico y una pequeña revisión sobre los materiales magnetocalóricos relevantes, así como de la termodinámica del efecto magnetocalórico. La introducción finaliza con un análisis de la potencia de refrigeración y las condiciones de salto térmico que deben cubrir los refrigeradores magnetocalóricos, para cumplir con la regulación europea de etiquetado
energético. Además, se presenta una discusión personal sobre cómo interpretar los gráficos de salto térmico frente a potencia de enfriamiento desde un punto de vista práctico.
La Parte I presenta el diseño y construcción de un refrigerador magnético rotatorio. Una descripción completa del proceso de diseño está estructurada en diferentes secciones y subsecciones que comprenden diferentes partes del proceso de diseño. A partir de las especificaciones básicas del capítulo 2, la selección de los materiales magnetocalóricos y su forma se describe en el capítulo 3. Este capítulo incluye un modelo 1D de relajación térmica para un lecho de bolas, que se utilizó para ver las limitaciones del intercambio de calor
con diferentes diámetros de esferas y el fluido que fluye a través del lecho. El capítulo 4 explica el proceso de diseño de la carcasa del bloque de regeneradores, describiendo las principales problemáticas a resolver y las decisiones tomadas al respecto. Este capítulo incluye también una descripción del proceso de fabricación e instalación de termopares, así como una descripción de las herramientas que tuvieron que diseñarse y construirse para obtener mallas conformadas, para separar y retener las partículas esféricas en los regeneradores. En el capítulo 5, se explica detalladamente la optimización del diseño de un imán mediante un proceso original. Se incluye también una comparación del diseño optimizado con las medidas del imán fabricado. En el capítulo 6, se describe el diseño del sistema de distribución de fluidos y se presentan las consideraciones sobre la tubería, la inserción del termopar, el diseño del punto frío y la caracterización del sistema de bombeo. El capítulo 7 describe el sistema de adquisición de datos. Finalmente, el capítulo 8 presenta el proceso de prueba y los resultados obtenidos, para analizar con una discusión sobre las pérdidas
y fuentes de ineficiencia observadas. Esta discusión incluye una prueba de relajación térmica realizada, que señala la ubicación de las principales áreas de pérdidas en el dispositivo.
La Parte II, aunque más corta, contiene el desarrollo de importantes simulaciones que iluminan la posibilidad de que los sándwiches termoeléctrico-magnetocalórico-termoeléctrico sigan siendo considerados como ladrillos de construcción para equipos de enfriamiento magnético alternativo, aprovechando las mejores características de termoeléctricos y magnetocalóricos. El capítulo 9 es una introducción donde se explica el concepto básico y el capítulo 10 relata la simulación del sistema híbrido. En este último capítulo se describe el modelo del sándwich, incluyendo los parámetros fijos de algunas celdas Peltier comerciales que se utilizan en él, y las particularidades a tener en cuenta a la hora de trabajar con materiales de transición de fase de primer y segundo orden. De especial relevancia es la introducción de una ecuación maestra que permite modelar adecuadamente la transferencia de calor en materiales con transición de primer orden. Se comparan el enfriamiento termoeléctrico puro, el enfriamiento magnetocalórico puro con diodos térmicos pasivos y el enfriamiento magnetocalórico-termoeléctrico híbrido. Finalmente, se comparan también estos resultados con los de otros autores y se da una explicación sobre sus malos resultados.
Además de esto, En el Anexo C se proporcionan un conjunto de dibujos con el diseño de diferentes partes del prototipo y utillajes adicionales, desarrollados para la construcción del prototipo.


Resumen (otro idioma): 

Pal. clave: equipo de refrigeracion ; magnetismo ; dispositivos termoelectricos ; transmision de calor en refrigeracion y congelacion

Titulación: Programa de Doctorado en Física
Plan(es): Plan 488
Nota: Presentado: 13 07 2021
Nota: Tesis-Univ. Zaragoza, , 2021

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 Registro creado el 2021-10-04, última modificación el 2021-10-04


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