Sistema de enfriamiento magnetocalórico sin refrigerantes nocivos

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sistema enfriamiento magnetocalorico
09/09/2019

Un descubrimiento de 1917 se vuelve viable para el futuro. Y es que, un equipo de investigadores del Instituto Fraunhofer para Técnicas de Medición Física IPM, dirigidos por el físico Kilian Bartholomé, está desarrollando sistemas eficientes de enfriamiento magnetocalórico que funcionan sin refrigerantes nocivos.

En la actualidad, son muchos los grupos de investigación en todo el mundo que están trabajando en refrigeradores, sistemas de enfriamiento industrial y aires acondicionados que bombean calor utilizando materiales magnetocalóricos.

Los investigadores del Instituto Fraunhofer, esperan alcanzar el 50 por ciento del máximo nivel de eficiencia con su proceso, un importante avance si tenemos en cuenta que los sistemas magnetocalóricos existentes comparables alcanzan solo aproximadamente el 30 por ciento.

Ciclo de calentamiento y enfriamiento por magnetización

El ciclo de calentamiento y enfriamiento generado por la magnetización es excelente para el enfriamiento. El físico Dr. Kilian Bartholomé y su equipo en el Fraunhofer IPM en Friburgo, Alemania, están utilizando esta tecnología para desarrollar un concepto de conductividad térmica extremadamente eficiente que elimina la necesidad de refrigerantes perjudiciales para el medio ambiente.

Existe una gran demanda de tecnologías innovadoras de enfriamiento, ya que los hidrofluorocarbonos convencionales (HFC) utilizados hoy en día son potentes gases de efecto invernadero. Por esta razón, la UE ha restringido significativamente el uso de HFC. Existen alternativas a los HFC, como los refrigerantes naturales de butano y propano que se utilizan, por ejemplo, en refrigeradores domésticos. Estos gases son inflamables, pero no se consideran peligrosos en las cantidades utilizadas en los refrigeradores domésticos. Aun así, no son una opción viable para sistemas de enfriamiento más grandes como los que se encuentran en los supermercados.

La industria está trabajando en refrigerantes alternativos, pero aún no ha encontrado soluciones convincentes.

Aleación de lantano-hierro-silicio respetuosa con el medio ambiente

Un sistema de enfriamiento magnetocalórico no requiere refrigerantes dañinos de ningún tipo. Los investigadores están utilizando una aleación de lantano-hierro-silicio ecológica como material magnetocalórico, que se calienta cuando se aplica un campo magnético y se enfría cuando se elimina el campo. Kilian Bartholomé y su equipo han desarrollado y patentado un procedimiento especial para transferir el calor producido.

El sistema de enfriamiento de Bartholomé utiliza calor latente, es decir, la energía requerida por un líquido para convertirse en vapor. «Dado que el agua absorbe mucha energía cuando cambia de un estado líquido a un estado gaseoso, utilizamos el proceso de evaporación para transferir el calor», dice el físico. «Este es un medio altamente eficiente de transferir la energía térmica».

Al decidir utilizar el proceso de evaporación para el transporte de calor, Kilian Bartholomé y su colega Jan König se inspiraron en los tubos de calor utilizados como colectores de tuberías en sistemas de energía solar y para enfriar computadoras. Una tubería de calor es un recipiente evacuado, donde se ha encerrado una pequeña cantidad de fluido. Si se calienta un lado de la tubería, el fluido se evapora en este lado calentado y se condensa nuevamente en el lado frío. Se logran tasas de transmisión de calor muy altas en el proceso.

Sin embargo, el tubo de calor magnetocalórico que se desarrolla en Fraunhofer IPM es significativamente más complejo. Se compone de muchas cámaras pequeñas que contienen el material magnetocalórico. La aleación tiene una estructura finamente porosa para que pueda ser penetrada óptimamente por el vapor de agua. El método para producir la aleación porosa es el trabajo de la Dra. Sandra Wieland y el Dr. Martin Dressler en el Instituto Fraunhofer de Tecnología de Fabricación y Materiales Avanzados IFAM.

Nuevo récord mundial para los sistemas de enfriamiento magnetocalórico

Para aumentar aún más la eficiencia, Bartholomé organiza los segmentos de la tubería de calor en un patrón circular y coloca un imán giratorio en el medio. Se espera que el demostrador genere 300 vatios de potencia para cuando termine a fin de año. A modo de comparación: el compresor en un refrigerador doméstico produce de 50 a 100 vatios de potencia. El sistema actual ya funciona a una frecuencia muy alta.

Los investigadores en Friburgo planean usar el demostrador para romper un récord mundial de sistemas de enfriamiento magnetocalórico con respecto a la frecuencia del sistema. El objetivo a largo plazo es alcanzar el 50 por ciento del nivel teórico de máxima eficiencia. Los sistemas existentes comparables alcanzan aproximadamente el 30 por ciento.

Los actores de la industria ya están expresando un gran interés en la investigación, por ejemplo, Philipp Kirsch GmbH, compañía que fabrica refrigeradores especiales para laboratorios médicos, farmacias y hospitales está trabajando con Fraunhofer IPM en un proyecto patrocinado por el Ministerio Federal de Economía y Tecnología (BMWi) de Alemania con el objetivo de “poner una unidad de menos 86 grados en el mercado basada en magnetocalóricas», según comenta el propio CEO, Jochen Kopitzke. “El magnetocalórico tiene un potencial disruptivo muy grande y podría ser capaz de reemplazar el enfriamiento basado en el compresor en un plazo medio de tiempo. Vemos aquí un mercado claramente en desarrollo en el que podemos penetrar”.

Más información:

fraunhofer logo

*imagen de la portada: Configuración de un sistema de enfriamiento magnetocalórico: los segmentos que se muestran en gris contienen el material magnetocalórico. Este material es calentado y enfriado alternativamente por el imán giratorio. Debido a la estructura interna de los segmentos, el calor se transfiere al aire ambiente en el lado derecho, mientras que en el lado izquierdo se elimina el calor del recipiente para enfriarlo.

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