Refrigerazione magnetica

Rubrica: Energia

Titolo o argomento: Principi fisici pratici…
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Ciclo termodinamico

Il ciclo termodinamico di un sistema frigorifero magnetico, ovvero di un sistema di refrigerazione che sfrutta l’effetto Magnetocalorico (vedi link riportati in basso), può essere a grandi linee assimilato a quello di una macchina frigorifera a compressore.

Prima di descrivere le 4 fasi ricordiamo che inizialmente il materiale (la lega magnetocalorica) si trova in equilibrio termico con l’ambiente nel quale è collocato, nello specifico tale ambiente risulta isolato per andare in contro alla condizione di adiabaticità.

Fase 1: Magnetizzazione adiabatica

La prima fase consiste nella “magnetizzazione adiabatica”. Il materiale, inserito in un ambiente isolato, viene accoppiato ad un refrigeratore e sottoposto ad un campo magnetico che induce l’allineamento dei dipoli magnetici degli atomi (i domini magnetici si orientano quindi tutti allo stesso modo), la vibrazione delle molecole si incrementa, il materiale si scalda. Conservandosi l’energia, l’aumento di temperatura avviene perché si riduce l’entropia e la capacità termica del materiale (ovvero l’attitudine ad accumulare calore).

Fase 2: Trasferimento entalpico isomagnetico

Nella seconda fase si ha un “trasferimento entalpico isomagnetico”, il calore ottenuto viene prelevato mediante un fluido che evolve attraverso il refrigeratore. Durante questa fase il campo magnetico applicato non cambia, ciò per impedire che i dipoli magnetici possano riassorbire calore. Una volta che il materiale è stato sufficientemente raffreddato (dal fluido che evolve nel circuito) viene separato dal refrigeratore.

Fase 3: Demagnetizzazione adiabatica

La terza fase, detta di “demagnetizzazione adiabatica”, prevede una riduzione del campo magnetico mantenendo la sorgente isolata dall’ambiente esterno (trasformazione adiabatica). I dipoli magnetici si orientano casualmente, la vibrazione delle molecole si riduce ed il materiale si raffredda. L’energia (e l’entropia) è trasferita da entropia termica a magnetica (ovvero disordine dei dipoli magnetici).

Fase 4: Trasferimento entropico isomagnetico

Nella quarta ed ultima fase ha luogo il “trasferimento entropico isomagnetico”, il campo magnetico è mantenuto costante per impedire al materiale di scaldarsi e la lega magnetocalorica (che è stata raffreddata ad una temperatura inferiore a quella ambiente) viene posta a contatto con l’ambiente caldo per asportare il suo calore raffreddandolo.

Nota semplificativa

All’atto pratico queste fasi vengono ottenute generalmente con sistemi assiali azionati da un motore elettrico che mette in rotazione un albero sul quale è posto il magnete che andrà ad avvicinarsi e ad allontanarsi ciclicamente dal materiale ferromagnetico.

Parallelismi con il ciclo frigorifero delle macchine a compressore

La fase 1 sopra descritta equivale a quella di compressione del gas frigorigeno (o fluido refrigerante) in un ordinario ciclo frigorifero.

La fase 2 è equivalente a quella dell’espulsione di calore nel ciclo frigorifero convenzionale.

La fase 3 corrisponde alla fase di espansione del ciclo frigorifero convenzionale ove l’espansione del gas produce l’effetto di raffreddamento. Ed è proprio in seguito all’espansione del gas refrigerante che si produce la potenza frigorifera principale.

La fase 4 equivale all’assorbimento di calore nel ciclo frigorifero convenzionale. L’assorbimento di calore produce l’effetto di raffreddamento nel vano isolato che inizialmente si trovava a temperatura ambiente

Sostanzialmente, quindi, al posto della compressione del gas, si ha l’introduzione di una lega magnetocalorica in un campo magnetico e, al posto dell’espansione del gas, la stessa, viene portata al di fuori del campo. Grazie all’effetto magnetocalorico (vedi in basso i link correlati) si ottiene un assorbimento e un espulsione ciclica di calore analoga a quella di un tradizionale ciclo frigorifero.

Esistono tuttavia delle differenze sostanziali infatti in un fluido refrigerante gassoso l’acquisto e la cessione di calore sono piuttosto rapidi grazie alle turbolenze che si creano le quali inducono una rapida ed efficiente trasmissione del calore. Ciò non avviene invece nei materiali solidi magnetocalorici dove il calore viene trasportato a seguito di una lenta propagazione molecolare. Attualmente sono in studio conformazioni “porose” che si pensa dovrebbero agevolare la propagazione del calore; inoltre una riduzione delle distanze tra la lega magnetocalorica ed il fluido che asporta calore renderebbero più veloce il processo di raffreddamento magnetico.

Vantaggi
Il sistema non necessità di un compressore.
Non vi sono gas refrigeranti (inquinanti o infiammabili) nel circuito.
Non vi sono alte pressioni operative.
Il sistema consuma il 35% di energia in meno rispetto al ciclo a compressore.
Il sistema è sicuro per l’ambiente.
Il sistema permette di raggiungere temperature estremamente basse prossime allo 0 Kelvin (impianti multi-stadio).
Alta reversibilità.
Svantaggi (vedi il video della presentazione)
Il costo iniziale del sistema di refrigerazione è piuttosto alto.
Le leghe magnetocaloriche attuali risultano costose.
I materiali magnetocalorici ideali sono attualmente alla fase di studio

Fonti:
Centro Studi Galileo
Università di Scienze Applicate di Yverdon-les-Bains Svizzera

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Schema refrigerazione magnetica

Image’s copyright: Harekrushna Maharana
https://www.youtube.com/watch?v=KrQR8h4NKk0

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Si tratta di un processo di tipo magneto-termodinamico, ossia un processo nel quale un cambiamento del campo magnetico induce una variazione, reversibile, della temperatura. Il fenomeno si osserva applicando e rimuovendo opportunamente un campo magnetico ad un materiale ferromagnetico (più precisamente parliamo di leghe magnetocaloriche* costituite ad esempio da Gadolinio, Silicio e Germanio oppure da Ferro e Rodio) posto in ambiente isolato (condizione adiabatica).

*Leghe magnetocaloriche dai costi contenuti e dalle proprietà prossime a quelle ideali sono attualmente in fase di studio. La tecnologia dei materiali può fare passi da gigante in questo ambito grazie alle scoperte degli ultimi decenni.

Il materiale ferromagnetico è suddiviso in regioni ognuna delle quali viene denominata dominio magnetico (nell’accezione matematica del termine). Tali regioni hanno la caratteristica di contenere atomi i cui momenti magnetici sono di egual verso e direzione. Ognuna di queste regioni, pertanto, possiede una magnetizzazione uniforme (vedi figura in basso) ma di differente orientamento rispetto alle regioni limitrofe. In linea di massima vi è comunque un orientamento maggiormente ricorrente a seconda della struttura cristallina del materiale.

Quando un campo magnetico viene applicato alla lega magnetocalorica i domini magnetici tendono ad uniformarsi in un unico dominio più grande dove i momenti magnetici degli atomi sono tutti uguali (vedi figura in basso) e il materiale si scalda per la maggiore agitazione molecolare che questo comporta. Ad una diminuzione del campo magnetico precedentemente applicato corrisponde una tendenza alla ri-orientazione libera dei singoli domini magnetici. Tale ri-orientazione dei domini avviene con assorbimento di energia termica ed il materiale, che ricordiamo si trova in ambiente isolato, si raffredda. L’energia termica viene utilizzata proprio per riorientare i momenti magnetici degli atomi.

Continua…

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Domini magnetici

A sinistra i diversi orientamenti magnetici, uniformi solo in
precise regioni dette domini. A destra l’orientamento totalmente
uniforme indotto da una campo magnetico.