La refrigerazione magnetica ad effetto magnetocalorico è una tecnologia di produzione del freddo alternativa alle attuali soluzioni basate sulla compressione di gas refrigeranti. Una volta raggiunto un livello di sviluppo maturo promette ridotto impatto ambientale, maggiore efficienza energetica, rumorosità e vibrazioni ridotte. Il principio di funzionamento sfrutta la variazione di temperatura in particolari materiali, detti magnetocalorici, indotta da ripetuti cicli di magnetizzazione, soppiantando l'azione di compressione meccanica dei gas. I fluidi refrigeranti sono sostituiti da solidi magnetici riciclabili e non inquinanti e lo scambio termico tra il materiale magnetocalorico e il carico termico e' garantito da liquidi sicuri ed ecologici a base d'acqua. Il presente prototipo è stato costruito per lo studio e la validazione della tecnologia.
Un esempio di rigeneratore magnetocalorico, “cuore” delle macchine termiche funzionanti secondo il principio della refrigerazione magnetica.
Il prototipo per la validazione della tecnologia magnetocalorica consta di tre parti funzionali: 1) il rigeneratore magnetico attivo, ovvero un contenitore in cui è alloggiato il materiale magnetocalorico responsabile della variazione di temperatura. Tale elemento consente la disposizione del materiale in forme ad alto rapporto superficie-volume, per massimizzare lo scambio termico con il fluido di trasporto del calore riducendo al contempo le perdite di pressione. La macchina è stata progettata per alloggiare fino a quattro rigeneratori, due in serie e due in parallelo, per avere maggiore flessibilità in termini di salto termico e potenza termica. 2) la sorgente di campo magnetico: in questo caso, un circuito di magneti permanenti capaci di concentrare il flusso magnetico in due regioni delimitate di spazio, regioni che saranno attraversate ciclicamente dai rigeneratori. La movimentazione è ottenuta tramite la rotazione del circuito magnetico, mentre i rigeneratori restano fissi. 3) il circuito di circolazione del fluido di trasporto del calore dal punto freddo (cella refrigerata) al punto caldo (radiatore in ambiente): costruito con un circolatore, una serie di elettrovalvole e valvole di non ritorno, consente la movimentazione alternata del fluido attraverso i rigeneratori senza alternare la direzione di circolazione principale, per un trasporto del calore con meno perdite di carico dalla sorgente calda a quella fredda.
Il prototipo propone un metodo non ancora presente sul mercato per produrre freddo. Si basa su un ciclo di funzionamento innovativo che sfrutta soluzioni acquose eco-compatibili e materiali solidi (magnetocalorici e magneti permanenti), facili da contenere e quindi a ridotto rischio di dispersione ambientale.
Macchine termiche a ridotto salto di temperatura: ad esempio cantinette, raffrescatori d'aria, frigoriferi per conservazione in ambito bio-medicale. Possibilità, tramite macchine multi stadio e ottimizzazione, di coprire salti di temperatura molto più elevati (congelazione, fino alla liquefazione dell'aria).
Prototipo di macchina frigorifera magnetocalorica
Applicazione frigorifera
Il prototipo è stato testato in configurazione frigorifera, con punto freddo in cella coibentata. Allo stato attuale di test (un rigeneratore) si è raggiunto un salto termico di 8 gradi con carico termico nullo. Le misure sono state eseguite in condizioni di utilizzo realistico (scambiatore caldo in ambiente libero). Ottimizzando i parametri di funzionamento ci si aspetta di raggiungere salti termici di 20-30 gradi. La potenza termica nominale, stimata sulla massa termica del rigeneratore magnetico, varia da 7,5 a 150 Watt a seconda della frequenza di funzionamento (intervallo 3-60 rpm).
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In futuro il sistema sarà testato per trovare il punto di lavoro ottimale in configurazione completa (4 rigeneratori). Si valuterà la sostituzione di alcuni elementi magnetocalorici, a diverse temperature di lavoro, per esplorare dinamiche multi stadio (ad elevato salto termico). Si cercheranno partner industriali interessati a specifiche applicazioni, es. cantinette, frigoriferi per bio-medicale.
Dettaglio degli scambiatori di calore, caldo (alto) e freddo in camera coibentata (basso).