ES2300003T3 - Dispositivo y procedimiento de generacion de termias con material magnetocalorico. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo (1a-c) de generación de termias con material magnetocalórico que comprende al menos un elemento magnético (2a-c) destinado a generar un campo magnético, al menos un elemento magnetocalórico (4a-c) destinado a ser sometido de manera alternada a dicho campo magnético para generar unas calorías y unas frigorías, al menos un circuito (5) de fluido caloportador del cual al menos una parte está dispuesta en el entorno inmediato de dicho elemento magnetocalórico (4a-c) de manera que recupera al menos una parte de dichas calorías y/o frigorías que emite, estando dicho circuito (5) acoplado a unos medios de circulación (6) y al menos a un intercambiador térmico (7, 8, 78) dispuesto para transferir al menos una parte de dichas calorías y/o frigorías recuperadas por dicho fluido caloportador, caracterizado porque dicho elemento magnético es un electroimán (2a-c) acoplado al menos a una alimentación eléctrica (3a-c) sometida por al menos una unidad de mando (20) dispuesta para generar unos impulsos eléctricos (9ac) de manera que se crea un campo magnético por impulsos, siendo estos impulsos eléctricos (9a-c) de intensidad I, de duración t y de frecuencia T activados en función de al menos un parámetro de impulso predeterminado, comprendiendo dicho dispositivo al menos un sensor térmico (10) dispuesto para determinar la temperatura de dicho fluido caloportador, definiendo esta temperatura de fluido al menos un parámetro de impulso.
Description
Dispositivo y procedimiento de generación de
termias con material magnetocalórico.
La presente invención se refiere a un
dispositivo de generación de termias con material magnetocalórico
que comprende al menos un elemento magnético destinado a generar un
campo magnético, al menos un elemento magnetocalórico destinado a
ser sometido de manera alternada a dicho campo magnético para
generar unas calorías y una frigorías, al menos un circuito de
fluido caloportador del cual al menos una porción está dispuesta en
el entorno inmediato del elemento magnetocalórico de manera que
recupera al menos una parte de las calorías y/o frigorías que emite,
estando dicho circuito acoplado a unos medios de circulación de
fluido caloportador y al menos a un intercambiador térmico
dispuesto para transferir al menos una parte de las calorías y/o
frigorías recuperadas por dicho fluido caloportador. La invención
se refiere asimismo a un procedimiento de generación de termias que
utiliza dicho dispositivo.
De manera conocida, los generadores térmicos con
material magnetocalórico comprenden unos medios magnéticos fijos y
unos elementos magnetocalóricos móviles acoplados a unos medios de
desplazamiento, o inversamente. Así, los elementos magnetocalóricos
están sometidos alternativamente a la presencia y a la ausencia de
campo magnético, y generan alternativamente unas calorías y unas
frigorías. Estas termias se recuperan mediante unos fluidos
caloportadores que atraviesan los elementos magnetocalóricos y se
conectan con unos circuitos "caliente" y "frío" que
comprenden unos intercambiadores térmicos para calentar y/o enfriar
y/o atemperar y/o climatizar, por ejemplo un medioambiente, un
recinto, un local, el interior de un contenedor.
En el caso en el que los elementos
magnetocalóricos son móviles con relación a los medios magnéticos,
resulta muy difícil garantizar una buena estanqueidad entre los
tramos que atraviesan los elementos magnetocalóricos y los circuitos
"caliente" y "frío", y los escapes son frecuentes.
Los medios magnéticos comprenden generalmente un
ensamblaje magnético, un imán permanente, un electroimán, un imán
supraconductor, un electroimán supraconductor, un supraconductor.
Los imanes permanentes no permiten obtener resultados
satisfactorios en términos de potencia magnética. Con relación a
este criterio, los mejores resultados se obtienen mediante los
electroimanes y los electroimanes supraconductores.
Desgraciadamente, los electroimanes son unos grandes consumidores
de energía eléctrica, lo que los convierte en onerosos de usar.
Además, se calientan rápidamente y la evacuación de sus calorías
complica la construcción de los generadores térmicos. Además, la
técnica de los electroimanes supraconductores es muy costosa.
Por otra parte, el uso de electroimanes permite
hacer variar su campo magnético alimentándolos mediante una
corriente eléctrica variable. Esta solución presenta la ventaja de
suprimir cualquier movimiento relativo entre los elementos
magnetocalóricos y los medios magnéticos. Las publicaciones
FR-A-2 574 913,
EP-A-0 104 713 y
US-B-6.595.004 describen unos
ejemplos de alimentación eléctrica con corriente variable, estando
algunos limitados a unos electroimanes supraconductores no
compatibles con la presente invención. Asimismo, la alimentación
eléctrica mediante corriente variable no permite obtener resultados
satisfactorios en términos de consumo de energía y de
coste.
coste.
Por lo tanto, las soluciones existentes no
resultan satisfactorias.
La presente invención pretende evitar estos
inconvenientes proponiendo un dispositivo de generación de termias
con material magnetocalórico que consume poca energía, evolutivo, de
concepción simple, de funcionamiento fiable, que permite la
generación de termias de manera económicamente rentable suprimiendo
al mismo tiempo los riesgos de escape de líquido térmico y limitando
el número de piezas mecánicas.
Con este objetivo, la invención se refiere a un
dispositivo de generación de termias del tipo indicado en el
preámbulo, caracterizado porque el elemento magnético es un
electroimán acoplado al menos a una alimentación eléctrica sometida
por al menos una unidad de mando dispuesta para generar unos
impulsos eléctricos a fin de crear un campo magnético por impulsos,
siendo estos impulsos eléctricos de intensidad I, de duración t y
de frecuencia T activados en función de al menos un parámetro de
impulso predeterminado, comprendiendo dicho dispositivo al menos un
sensor térmico dispuesto para determinar la temperatura de dicho
fluido calo-portador, definiendo esta temperatura de
fluido al menos un parámetro de impulso.
Los medios de recuperación comprenden,
preferentemente, al menos dos intercambiadores térmicos unidos al
circuito en serie, en paralelo o según una combinación
serie/paralelo.
Preferentemente, los medios de recuperación
comprenden al menos un intercambiador térmico de calorías dispuesto
para transferir las calorías, y al menos un intercambiador térmico
de frigorías dispuesto para transferir las frigorías, estando los
intercambiadores térmicos acoplados a unos medios de conmutación
sometidos por una unidad de mando dispuesta para conectar
sucesivamente cada intercambiador térmico al elemento
magnetocalórico en función de al menos un parámetro de conmutación
predeterminado.
La unidad de mando puede estar dispuesta para
que la frecuencia T esté comprendida entre 60 segundos y 1/150ª de
segundo, y preferentemente inferior a 2 segundos.
La unidad de mando puede estar dispuesta
asimismo para que la relación T/t esté comprendida entre 10 y
100.000, y preferentemente superior a 1.000.
Por último, la unidad de mando puede estar
dispuesta para que la intensidad I genere en el elemento magnético
un campo magnético comprendido entre 0,05 Tesla y 10 Teslas, y
preferentemente superior a 2 Teslas.
Según una forma de realización preferida, la
unidad de mando comprende unos medios de regulación de al menos uno
de los parámetros del impulso eléctrico seleccionado de entre el
grupo que comprende la duración t, la frecuencia T, la intensidad
I.
Según una forma de realización preferida, la
unidad de mando comprende unos medios de temporización dispuestos
para determinar el intervalo de tiempo transcurrido desde la
conmutación y/o el impulso eléctrico anterior, definiendo este
intervalo de tiempo al menos un parámetro de conmutación y/o de
impulso.
Con este fin, la unidad de mando puede
comprender unos medios de regulación del parámetro de conmutación
y/o de impulso predeterminado.
Los medios de recuperación comprenden
ventajosamente al menos un intercambiador "mixto" dispuesto
para transferir las calorías y las frigorías, por ejemplo en el
medio ambiente.
El dispositivo comprende preferentemente al
menos dos elementos magnetocalóricos conectados entre sí en serie,
en paralelo o según una combinación serie/paralelo, pudiendo los
elementos magnetocalóricos tener estas características
magnetocalóricas diferentes.
De manera ventajosa, el dispositivo comprende al
menos dos electroimanes, asociado cada uno a un elemento
magnetocalórico, y al menos dos alimentaciones eléctricas dispuestas
para alimentar eléctricamente los electroimanes de manera
disociada.
De manera preferida, el núcleo de dicho
electroimán está realizado en un material magnético de fuerte
remanencia.
El elemento magnético y el elemento
magnetocalórico son preferentemente fijos uno con relación al
otro.
La invención se refiere asimismo a un
procedimiento de generación de termias durante el cual se usa el
dispositivo anterior.
Durante este procedimiento, se pueden usar al
menos dos elementos magnetocalóricos, cada uno asociado con un
electroimán, y al menos dos alimentaciones eléctricas, y, en unas
fases sucesivas, usar un primer elemento magnetocalórico solo y a
continuación un primer y un segundo elementos magnetocalóricos
simultáneamente, y por último el segundo elemento magnetocalórico
solo, a fin de combinar las propiedades magnetocalóricas de los
primer y segundo elementos magnetocalóricos.
La presente invención y sus ventajas se pondrán
más claramente de manifiesto a partir de la siguiente descripción de
varios modos de realización haciendo referencia a los dibujos
adjuntos dados a título de ejemplos no limitativos, en los que:
- la figura 1 es una vista esquemática del
dispositivo según la invención,
- las figuras 2A y 2B son unas curvas que
ilustran el funcionamiento del dispositivo de la figura 1
respectivamente según los modos de enfriamiento y de
calentamiento,
- la figura 3 es un vista esquemática de una
primera variante de realización del dispositivo según la
invención,
- la figura 4 es una curva que ilustra un modo
de funcionamiento del dispositivo de la figura 3,
- la figura 5 es una vista esquemática de una
segunda variante de realización del dispositivo según la
invención,
- las figuras 6A y 6B son unas curvas que
ilustran el funcionamiento del dispositivo de la figura 5
respectivamente según los modos de enfriamiento y de calentamiento,
y
- la figura 7 es un esquema de la unidad de
mando del dispositivo según la invención.
En aras de la simplificación, se usarán los
términos "dispositivo" y "procedimiento" para sustituir
las expresiones "dispositivo de generación de termias con material
magnetocalórico" y "procedimiento de generación de termias con
material magnetocalórico".
Por otra parte, se entiende mediante la
expresión "intercambiador térmico" cualquier medio que permite
la transferencia y/o la difusión de calorías y/o de frigorías.
Haciendo referencia a la figura 1, el
dispositivo 1a comprende un elemento magnético 2a acoplado a una
alimentación eléctrica 3a, un elemento magnetocalórico 4a, un
circuito de fluido caloportador 5 en el que uno o varios fluidos
caloportadores están puestos en circulación mediante unos medios de
circulación 6, y dos intercambiadores térmicos 7, 8.
El elemento magnetocalórico 4a contiene un
material magnetocalórico tal como, por ejemplo, gadolinio (Gd), una
aleación de gadolinio que comprende silicio (Si), germanio (Ge),
hierro (Fe), magnesio (Mg), fósforo (P), arsénico (As), o cualquier
otro material equivalente. Este material magnetocalórico se
presenta, por ejemplo, en forma de un bloque, de pastillas, de
polvo, de aglomerado, de fragmentos.
Las características magnetocalóricas del
elemento magnetocalórico 4a son tales que:
- -
- cuando se somete a la presencia de un campo magnético, el elemento magnetocalórico 4a se calienta bajo el efecto magnetocalórico calentador, y que,
- -
- cuando el campo magnético desaparece o disminuye, el elemento magnetocalórico 4a continúa calentándose bajo el efecto de la inercia magnetocalórica, y que,
- -
- después del agotamiento de esta inercia magnetocalórica, el elemento magnetocalórico 4a se enfría hasta una temperatura inferior a su temperatura inicial bajo el efecto magnetocalórico enfriador.
El principio de funcionamiento del dispositivo
1a consiste por lo tanto en someter el elemento magnetocalórico 4a a
una variación de campo magnético para generar unas calorías y unas
frigorías usadas para calentar, enfriar, climatizar, atemperar un
recinto, un medioambiente, etc.
Para ello, se usa como elemento magnético un
electroimán 2a, que se dispone en el entorno cercano al elemento
magnetocalórico 4a para que sea sometido al campo magnético. Se
alimenta eléctricamente el electroimán 2a mediante una alimentación
eléctrica 3a que genera una corriente eléctrica por impulsos, a fin
de obtener una modificación del campo magnético. El elemento
magnetocalórico 4a así sometido a un campo magnético impulsivo
genera unas calorías y unas frigorías. Se seleccionará
preferentemente, pero no exclusivamente, un electroimán 2a cuyo
núcleo magnético está realizado en un material magnético de alta
remanencia, como por ejemplo las aleaciones hierro cobalto, las
tierras raras, las ferritas, las aleaciones de hierro y de silicio,
el hierro, el níquel.
Esta calorías y frigorías son recuperadas por el
fluido caloportador que circula en la porción del circuito 5 de
fluido caloportador dispuesto en el entorno inmediato del elemento
magnetocalórico 4a. El elemento magnetocalórico 4a está, por
ejemplo, atravesado por esta porción. El circuito 5 se realiza, por
ejemplo, de manera habitual mediante el ensamblaje de tubos o
mediante cualquier otro medio adaptado. El circuito 5 comprende unos
medios de circulación 6 del fluido caloportador tales como por
ejemplo una bomba o cualquier otro medio equivalente.
En este ejemplo, la alimentación eléctrica 3a
está sometida por una unidad de mando 20 (véase la fig. 7) que
genera unos impulsos eléctricos 9a sucesivos de intensidad I, de
duración t, con una frecuencia T, pudiendo estas características ser
regulables.
Estos impulsos eléctricos 9a son generados en
función de uno o varios parámetros de impulso predeterminados, por
ejemplo en función de la temperatura del fluido caloportador y/o del
intervalo de tiempo transcurrido desde el impulso eléctrico 9a
anterior. Con este fin, el dispositivo comprende un sensor térmico
10 y/o unos medios de temporización (no representados).
El sensor térmico 10 permite determinar la
temperatura del fluido caloportador, por ejemplo a la salida del
elemento magnetocalórico 4a. Esta determinación se realiza de manera
absoluta, por ejemplo, mediante la medición en grados, mediante la
detección de un umbral de temperatura o, de manera relativa por
comparación, por ejemplo en grados, con relación a otra
temperatura. La temperatura determinada se compara con una consigna
de temperatura predeterminada. Cuando se alcanza la consigna de
temperatura, se genera el impulso eléctrico 9a.
Los medios de temporización permiten determinar
el intervalo de tiempo transcurrido, por ejemplo, desde el impulso
eléctrico 9a anterior, y compararlo con una consigna de tiempo
predeterminada. Cuando se alcanza la consigna de tiempo, se genera
el impulso eléctrico 9a. Los medios de temporización son, por
ejemplo, unos circuitos electrónicos, unos circuitos neumáticos, una
combinación de circuitos electrónicos y neumáticos o cualquier otro
medio conocido.
En este ejemplo, el dispositivo 1a comprende un
intercambiador de calorías 7 para transferir las calorías, y un
intercambiador de frigorías 8 para transferir las frigorías. Estos
intercambiadores térmicos 7, 8 están conectados en paralelo al
circuito 5 de fluido caloportador mediante unos medios de
conmutación 11 sometidos por una unidad de mando, que puede ser la
misma que la que somete la alimentación eléctrica 3a, y que permite
conectar sucesivamente cada intercambiador térmico 7, 8 con el
elemento magnetocalórico 4a.
Esta conmutación se efectúa en función de uno o
varios parámetros de conmutación predeterminados, por ejemplo en
función de un intervalo de tiempo transcurrido desde el impulso
eléctrico 9a y/o desde la conmutación anterior y/o en función de la
temperatura del fluido caloportador. Con este fin, la unidad de
mando comprende unos medios de temporización y/o un sensor térmico
10.
Los medios de temporización y/o el sensor
térmico 10 pueden ser los mismos que los anteriores. Cuando se
alcanza la consigna de tiempo y/o la consigna de temperatura, los
medios de conmutación 11 ponen en comunicación el elemento
magnetocalórico 4a con un intercambiador térmico 7, y después con el
otro 8. Estos medios de conmutación 11 comprenden, por ejemplo, una
válvula, una válvula de mando eléctrico, neumático, hidráulico, un
interruptor, o cualquier otro medio adaptado.
Resulta evidente que la unidad de mando 20 puede
comprender varios sensores térmicos 10 y/o varios medios de
temporización y/o usar otro parámetro de impulso y/o de
conmutación.
La unidad de mando 20 esquematizada en la figura
7 se proporciona a título de ejemplo no limitativo. Ésta comprende
un nivel de potencia alimentado por el sector en 220 ó 380 V a
través de un transformador seguido de un rectificador, de una
alimentación con recorte y de protecciones contra los
cortocircuitos, las sobrecargas y las inversiones de fases.
Comprende asimismo una unidad de cálculo mandada por al menos tres
datos: la temperatura del fluido caloportador medida por el sensor
de temperatura 10, una consigna de temperatura Tc y el modo de
funcionamiento, o bien en modo calentamiento, o bien en modo de
refrigeración. Esta unidad de cálculo genera tres datos: la
duración t de los impulsos eléctricos y su frecuencia T, así como su
intensidad I. La intensidad I alimenta el nivel de potencia
mientras que la duración t y la frecuencia T alimentan una base de
tiempo acoplada a un generador de impulsos eléctricos, por ejemplo
del tipo con transistores, con triac, con tiristores, con lámpara,
con inducción, con descarga, con bloqueo de corriente, y de manera
preferida, un generador de impulsos eléctricos de potencia con
transistores. Los impulsos eléctricos 9a generados se transmiten al
nivel de potencia a través de un módulo de conformación, antes de
alimentar el electroimán 2a a través de una interfaz de salida. Los
diferentes módulos que entran en esta unidad de mando 20 no se
detallan puesto que forman parte de los conocimientos normales de un
especialista en
electrónica.
electrónica.
El procedimiento que usa este dispositivo 1a se
describe haciendo referencia a las curvas de impulso "Curva I"
y de temperatura "Curva \theta" del fluido caloportador
ilustradas mediante las figuras 2A y 2B, respectivamente, según unos
modos de "enfriamiento" y de "calentamiento".
En modo "enfriamiento", ilustrado por las
curvas de la figura 2A, el procedimiento se divide en varios ciclos
sucesivos que comprende cada uno varias etapas sucesivas.
Ciclo 1 (puesta en
marcha)
Preparación: Se posicionan los medios de
conmutación 11 de manera que el elemento magnetocalórico 4a esté
conectado con el intercambiador de calorías 7.
Puesta en marcha:
Se alimenta el electroimán 2a mediante un
impulso eléctrico 9a de intensidad I, que genera en el electroimán
2a un campo magnético comprendido entre 0,05 Tesla y 10 Teslas, y
preferentemente superior a 2 Teslas, de duración t comprendida entre
10^{-9} segundos y 60 segundos, y preferentemente inferior a
10^{-2} segundos.
Etapa 1 - Ciclo
1
Durante el impulso eléctrico 9a, el electroimán
2a genera un campo magnético.
El elemento magnetocalórico 4a sometido a este
campo magnético sufre el efecto magnetocalórico calentador y se
calienta.
El fluido caloportador que atraviesa el elemento
magnetocalórico 4a se somete a este calentamiento, y se calienta así
hasta una temperatura \theta11 (temperatura de la etapa 1 ciclo 1)
superior a la temperatura \theta01 de partida.
El fluido caloportador se transporta hacia el
intercambiador de calorías 7 que transfiere las calorías al medio
ambiente.
\newpage
Etapa 2 - ciclo
1
Después del impulso eléctrico 9a, el electroimán
2a ya no está alimentado eléctricamente y ya no genera ningún campo
magnético.
El elemento magnetocalórico 4a sigue
calentándose, sometido a la inercia del efecto magnetocalórico
calentador.
El fluido caloportador que atraviesa el elemento
magnetocalórico 4a sigue así calentándose hasta una temperatura
\theta21 (temperatura de la etapa 2 ciclo 1) superior a la
temperatura \theta11, y que corresponde a la temperatura máxima
del fluido caloportador durante este ciclo 1.
El fluido caloportador se transporta hacia el
intercambiador de calorías 7 que transfiere las calorías hacia el
medio ambiente.
Etapa 3 - ciclo
1
Se detiene la inercia del efecto magnetocalórico
calentador.
El elemento magnetocalórico 4a, sometido a la
ausencia de campo magnético, sufre el efecto magnetocalórico
enfriador y se enfría.
El fluido caloportador que atraviesa el elemento
magnetocalórico 4a está sometido a su enfriamiento y se enfría así
hasta una temperatura \theta31 (temperatura de la etapa 3 ciclo 1)
inferior a la temperatura \theta21. El fluido caloportador se
transporta hacia el intercambiador de calorías 7 que transfiere las
calorías hacia el medioambiente.
Cuando:
- -
- los medios de temporización detectan que el intervalo de tiempo transcurrido desde el impulso eléctrico 9a anterior, o
- -
- el sensor térmico 10 detecta que la diferencia entre las temperaturas \theta31 y \theta21 o \theta11 o \theta01 del fluido caloportador,
es igual o inferior a la consigna de conmutación
C1, los medios de conmutación 11 basculan y conectan el elemento
magnetocalórico 4a al intercambiador de frigorías 8.
Etapa 4 - ciclo
1
El elemento magnetocalórico 4a sigue
enfriándose.
El fluido caloportador que atraviesa el elemento
magnetocalórico 4a sigue enfriándose hasta una temperatura
\theta41 (temperatura de la etapa 4 ciclo 1) inferior a la
temperatura \theta01 que corresponde a la temperatura de inicio
del fluido caloportador durante este ciclo 1.
El fluido caloportador se transporta hacia el
intercambiador de frigorías 8 que transfiere las frigorías hacia el
medioambiente.
Cuando:
- -
- los medios de temporización detectan que el tiempo transcurrido desde el impulso eléctrico 9a anterior, o
- -
- el sensor térmico 10 detecta que la diferencia entre las temperaturas \theta41 y \theta31 o \theta01 o \theta11 o \theta21 del fluido caloportador,
es igual o superior al ajuste de impulso I1, la
unidad de mando genera un nuevo impulso eléctrico 9a que alimenta el
electroimán 2a, pudiendo este impulso eléctrico 9a ser
sustancialmente similar al impulso eléctrico 9a inicial o diferente
según las necesidades.
De manera simultánea en este ejemplo, los medios
de conmutación 11 conectan nuevamente el elemento magnetocalórico 4a
con el intercambiador de calorías 7.
Resulta evidente que esta conmutación se puede
desplazar ligeramente en el tiempo, realizar en una etapa 5, de
manera que conecta el elemento magnetocalórico 4a al intercambiador
de calorías 7 únicamente cuando el fluido caloportador, bajo el
efecto del nuevo impulso eléctrico 9a y del campo magnético, alcanza
una cierta temperatura.
Se regulan las consignas de impulso In de manera
que la relación T/t de la frecuencia T entre dos impulsos eléctricos
9a y la duración t del impulso eléctrico 9a considerado, esté
comprendida entre 10 y 100.000, y preferentemente superior a
1.000.
Se pasa a continuación al ciclo 2.
Los ciclos de funcionamiento siguientes son
sustancialmente similares al primer ciclo y se desarrollan como
sigue para el fluido caloportador:
Etapa 1 - ciclo
n
Durante el impulso eléctrico 9a, calentamiento
del fluido caloportador hasta una temperatura \theta1n
(temperatura de la etapa 1 del ciclo en curso), superior a la
temperatura \theta4n-1 (temperatura de la etapa 4
del ciclo anterior) pero inferior a la temperatura
\theta1n-1 (temperatura de la etapa 1 del ciclo
anterior). Transferencia de las calorías mediante el intercambiador
de calorías 7.
Etapa 2 - ciclo
n
Después del impulso eléctrico 9a, bajo la
inercia del efecto magnetocalórico calentador, calentamiento del
fluido caloportador hasta una temperatura \theta2n (temperatura de
la etapa 2 del ciclo en curso) superior a la temperatura \theta1n
(temperatura de la etapa 1 del ciclo en curso) que corresponde a la
temperatura máxima del fluido caloportador durante este ciclo, pero
inferior a la temperatura \theta2n-1 (temperatura
de la etapa 2 del ciclo anterior) que corresponde a la temperatura
máxima del fluido caloportador durante el ciclo anterior.
Transferencia de las calorías mediante el intercambiador de calorías
7.
Etapa 3 - ciclo
n
Al final de la inercia del efecto
magnetocalórico calentador, efecto magnetocalórico enfriador.
Enfriamiento del fluido caloportador hasta una temperatura
\theta3n (temperatura de la etapa 3 del ciclo en curso) inferior a
la temperatura \theta2n e inferior a la temperatura
\theta2n-1 (temperatura de la etapa 2 del ciclo
anterior). Transferencia de las calorías mediante el intercambiador
de calorías 7.
Detección de la consigna de conmutación Cn y
conmutación para conectar el elemento magnetocalórico 4a al
intercambiador de frigorías 8.
Etapa 4 - ciclo
n
Efecto magnetocalórico enfriador, enfriamiento
del fluido caloportador hasta una temperatura \theta4n
(temperatura de la etapa 4 del ciclo en curso) inferior a la
temperatura \theta0n y que corresponde a la temperatura de partida
del fluido caloportador de este ciclo n.
Transferencia de las frigorías mediante el
intercambiador de frigorías 8. Detección de la consigna de impulso
In y alimentación del electroimán 2a mediante un nuevo impulso
eléctrico 9a.
Simultáneamente o no, conmutación para conectar
el elemento magnetocalórico 4a al intercambiador de calorías 7.
En el modo "enfriamiento", las temperaturas
máximas "T superior" que corresponden a \theta2n y mínimas
"T mínimas" que corresponden a \theta4n, del fluido
caloportador, son cada vez más bajas. Por eso, la temperatura media
"T media" del fluido caloportador es asimismo cada vez más
baja, de lo cual resulta un poder refrigerante y una eficacia del
dispositivo 1a y del procedimiento crecientes a medida que tienen
lugar los ciclos de funcionamiento hasta alcanzar la temperatura de
enfriamiento mínimo "T baja" del elemento magnetocalórico 4a en
la que la temperatura del fluido caloportador se estabilizará.
En modo "calentamiento" ilustrado por las
curvas de la figura 2B, el procedimiento se divide en varios ciclos
sucesivos sustancialmente similares a los anteriores. Este
procedimiento se diferencia del anterior debido a que los valores de
las consignas de conmutación Cn y de impulso In son diferentes de
los anteriores, y se seleccionan de manera que se obtienen las
siguientes etapas sucesivas:
Ciclo 1 (puesta en
marcha)
Preparación: se posicionan los medios de
conmutación 11 de manera que el elemento magnetocalórico 4a esté
conectado con el intercambiador de calorías 7.
Puesta en marcha:
Se alimenta el electroimán 2a mediante un
impulso eléctrico 9a de una intensidad I que genera en el elemento
magnético un campo magnético comprendido entre 0,05 Tesla y 10
Teslas, y preferentemente superior a 2 Teslas, de duración t
comprendida entre 10^{-9} segundos y 60 segundos, y
preferentemente inferior a 10^{-2} segundos.
\newpage
Ciclo
n
Etapa 1 - ciclo
n
Durante el impulso eléctrico 9a, calentamiento
del fluido caloportador hasta una temperatura \theta1n
(temperatura de la etapa 1 del ciclo en curso), superior a la
temperatura \theta0 de partida o a la temperatura
\theta4n-1 (temperatura de la etapa 4 del ciclo
anterior) pero superior a la temperatura
\theta1n-1 (temperatura de la etapa 1 del ciclo
anterior). Transferencia de las calorías mediante el intercambiador
de calorías 7.
Etapa 2 - ciclo
n
Después del impulso eléctrico 9a, calentamiento
del fluido caloportador bajo la inercia del efecto magnetocalórico
calentador, hasta una temperatura \theta2n (temperatura de la
etapa 2 del ciclo en curso) superior a la temperatura \theta1n
(temperatura de la etapa 1 del ciclo en curso) que corresponde a la
temperatura máxima del fluido caloportador durante este ciclo n,
pero inferior a la temperatura \theta2n+1 (temperatura de la etapa
2 del ciclo siguiente) que corresponde a la temperatura máxima del
fluido caloportador durante el ciclo siguiente. Transferencia de las
calorías mediante el intercambiador de calorías 7.
Etapa 3 - ciclo
n
Al final de la inercia del efecto de la inercia
magnetocalórico calentador, efecto magnetocalórico enfriador.
Enfriamiento del fluido caloportador hasta una temperatura
\theta3n (temperatura de la etapa 3 del ciclo en curso) inferior a
la temperatura \theta2n e inferior a la temperatura \theta2n+1
(temperatura de la etapa 2 del ciclo siguiente). Transferencia de
las calorías mediante el intercambiador de calorías 7.
Detección de la consigna de conmutación Cn y
conmutación para conectar el elemento magnetocalórico 4a al
intercambiador de frigorías 8.
Etapa 4 - ciclo
n
Efecto magnetocalórico enfriador, enfriamiento
del fluido caloportador hasta una temperatura \theta4n
(temperatura de la etapa 4 del ciclo en curso) superior a la
temperatura \theta0n y que corresponde a la temperatura de partida
el fluido caloportador de este ciclo n. Transferencia de las
frigorías mediante el intercambiador de frigorías 8. Detección de la
consigna de impulso In y alimentación del electroimán 2a mediante un
nuevo impulso eléctrico 9a. Simultáneamente o no, conmutación para
conectar el elemento magnetocalórico 4a al intercambiador de
calorías 7.
En el modo "calentamiento" las temperaturas
máximas "T superior" que corresponden a \theta2n y mínimas
"T mínima" que corresponde a \theta4n, del fluido
caloportador, son cada vez más elevadas. Por eso, la temperatura
media "T media" del fluido caloportador es asimismo cada vez
más elevada, dando como resultado un poder calentador y una eficacia
del dispositivo 1a crecientes a medida que tienen lugar los ciclos
de funcionamiento hasta alcanzar la temperatura de calentamiento
máxima "T alta" del elemento magnetocalórico 4a en la que la
temperatura del fluido caloportador se estabilizará.
El dispositivo 1b de la figura 3 es
sustancialmente similar al anterior. Se diferencia porque comprende
dos elementos magnetocalóricos 4b, 4c, conectados entre sí por el
circuito 5 de fluido caloportador en serie, pudiendo tener estos
elementos magnetocalóricos 4b, 4c unas características
magnetocalóricas sustancialmente similares o diferentes. Los
elementos magnetocalóricos 4b, 4c pueden asimismo ser conectados
entre sí en paralelo o según una combinación serie/paralelo. Es
posible asimismo prever unos grupos de elementos magnetocalóricos,
siendo estos grupos conectados entre sí en serie, en paralelo o
según una combinación serie/paralelo. El dispositivo 1b y el
procedimiento son así fácilmente evolutivos.
Cada elemento magnetocalórico 4b, 4c está
solicitado por un electroimán 2b, 2c unido a una alimentación
eléctrica 3b, 3c disociada, estando estas alimentaciones eléctricas
3b, 3c mandadas por una o varias unidades de mando (no
representadas). Así, es posible generar de manera disociada, para
cada electroimán 2b, 2c, unos impulsos eléctricos 9b, 9c, simultánea
o sucesivamente, con o sin periodo de solapamiento de estos impulsos
eléctricos 9b, 9c.
Esta configuración permite combinar las
propiedades magnetocalóricas de varios elementos magnetocalóricos
4b, 4c, lo cual es particularmente ventajoso cuando éstas son
diferentes. El funcionamiento de dicho dispositivo 1b se describe
haciendo referencia al gráfico de la figura 4 que ilustra en forma
de superficies rayadas los intervalos de temperatura P1, P2, P3
accesibles usando sucesivamente:
- -
- un primer elemento magnetocalórico 4b solo para obtener el intervalo de temperatura P1 situado entre \theta1 máx. y \theta1 mín.,
- -
- un primer elemento magnetocalórico 4b y un segundo elemento magnetocalórico 4c simultáneamente para obtener el intervalo de temperatura P2 situado entre \theta2 máx. y \theta2 mín.,
- -
- el segundo elemento magnetocalórico 4c solo para obtener el intervalo de temperatura P3 situado entre \theta3 máx. y \theta3 mín.
Así, combinando las propiedades magnetocalóricas
diferentes del primer y segundo elementos magnetocalóricos, se puede
cubrir un intervalo total de temperatura P muy importante situado
entre \theta1 máx. y \theta3 mín.
El dispositivo 1c de la figura 5 es
sustancialmente similar al dispositivo de la figura 1. Éste se
diferencia porque no comprende ningún intercambiador térmico
"mixto" 78 para transferir sucesivamente las calorías y las
frigorías.
El procedimiento que usa este dispositivo 1c se
describe haciendo referencia a las curvas de impulso "Curva I"
y de temperatura "Curva \theta" del fluido caloportador de
las figuras 6A y 6B, respectivamente según unos modos de
"enfriamiento" y de "calentamiento". Este procedimiento es
sustancialmente similar al del dispositivo de la figura 1 ilustrado
por las figuras 2A y 2B.
El funcionamiento en el modo "enfriamiento"
ilustrado por al figura 6A se diferencia principalmente del de la
figura 2A porque, como existe sólo un intercambiador térmico 78, no
existe ninguna conmutación, y el intercambiador térmico 78 sigue
estando permanentemente unido al elemento magnetocalórico 4a para
transferir sucesivamente las calorías y después las frigorías. Por
lo tanto, el funcionamiento presenta sólo las tres etapas siguientes
para cada
ciclo n:
ciclo n:
Etapa 1 - ciclo
n
Impulso eléctrico 9a, calentamiento del fluido
caloportador hasta una temperatura \theta1n (temperatura de la
etapa 1 del ciclo en curso), superior a la temperatura \theta0n de
partida o a la temperatura \theta4n-1 (temperatura
de la etapa 3 del ciclo anterior) y a la temperatura
\theta1n-1 (temperatura de la etapa 1 del ciclo
anterior). Transferencia de las calorías mediante el intercambiador
térmico 78.
Etapa 2 - ciclo
n
Después del impulso eléctrico 9a, calentamiento
del fluido caloportador bajo la inercia del efecto magnetocalórico
calentador, hasta una temperatura \theta2n (temperatura de la
etapa 2 del ciclo en curso) superior a la temperatura \theta1n
(temperatura de la etapa 1 del ciclo en curso) que corresponde a la
temperatura máxima del fluido caloportador durante este ciclo n, y
superior a la temperatura \theta2n+1 (temperatura de la etapa 2
del ciclo siguiente) que corresponde a la temperatura máxima del
fluido caloportador durante el ciclo siguiente. Transferencia de las
calorías mediante el intercambiador térmico 78.
Etapa 3 - ciclo
n
Efecto magnetocalórico enfriador al final de la
inercia del efecto de la inercia magnetocalórica calentadora, efecto
magnetocalórico enfriador. Enfriamiento del fluido caloportador
hasta una temperatura \theta3n (temperatura de la etapa 3 del
ciclo en curso) inferior a la temperatura \theta0n y que
corresponde a la temperatura de partida del fluido caloportador de
este ciclo n. Transferencia de las calorías y después de las
frigorías mediante el intercambiador térmico 78. Detección de la
consigna de impulso In y alimentación del electroimán 2a mediante un
nuevo impulso eléctrico 9a.
El funcionamiento en el modo
"calentamiento" ilustrado por la figura 6B se diferencia del de
la figura 2B porque no se usa el efecto magnetocalórico enfriador.
En efecto, el parámetro de impulso In se regula de manera que el
impulso eléctrico 9a sea generado antes de que la temperatura
\theta3n sea inferior a la temperatura \theta0n. Por lo tanto,
el funcionamiento presenta sólo las tres etapas siguientes para cada
ciclo n:
Etapa 1 - ciclo
n
Impulso eléctrico 9a, calentamiento del fluido
caloportador hasta una temperatura \theta1n (temperatura de la
etapa 1 del ciclo en curso), superior a la temperatura \theta0n de
partida o a la temperatura \theta3n-1 (temperatura
de la etapa 3 del ciclo anterior) pero inferior a la temperatura
\theta1n-1 (temperatura de la etapa 1 del ciclo
anterior). Transferencia de las calorías mediante el intercambiador
térmico 78.
Etapa 2 - ciclo
n
Después del impulso eléctrico 9a, calentamiento
del fluido caloportador bajo la inercia del efecto magnetocalórico
calentador, hasta una temperatura \theta2n (temperatura de la
etapa 2 del ciclo en curso) superior a la temperatura \theta1n
(temperatura de la etapa 1 del ciclo en curso) que corresponde a la
temperatura máxima del fluido caloportador durante este ciclo n,
pero inferior a la temperatura \theta2n+1 (temperatura de la etapa
2 del ciclo siguiente) que corresponde a la temperatura máxima del
fluido caloportador durante el ciclo siguiente. Transferencia de las
calorías mediante el intercambiador térmico 78.
\newpage
Etapa 3 - ciclo
n
Efecto magnetocalórico enfriador al final de la
inercia del efecto de inercia magnetocalórico calentador, efecto
magnetocalórico enfriador. Enfriamiento del fluido caloportador
hasta una temperatura \theta3n (temperatura de la etapa 3 del
ciclo en curso) superior a la temperatura \theta0n y que
corresponde a la temperatura de partida del fluido caloportador de
este ciclo n. Transferencia de las calorías y después de las
frigorías mediante el intercambiador térmico 78. Detección de la
consigna de impulso In y alimentación del electroimán 2a mediante un
nuevo impulso eléctrico 9a.
De manera general, en estos ejemplos, el
elemento magnético 2a-c y el elemento
magnetocalórico 4a-c están fijos uno con relación al
otro. Sin embargo, es posible preverlos móviles. Asimismo, es
posible usar un número superior de elementos magnetocalóricos
4a-c y/o de electroimanes 2a-c y/o
de intercambiadores térmicos 7, 8, 78.
Según otras variantes de realización no
representadas, es posible usar varios intercambiadores térmicos 7,
8, 78 o grupos de intercambiadores térmicos unidos al circuito de
fluido caloportador en serie, en paralelo o según una combinación
serie/paralelo. Así, el dispositivo 1a-c y el
procedimiento son fácilmente evolutivos.
Este dispositivo 1a-c y este
procedimiento se pueden usar para cualquier aplicación industrial o
doméstica de enfriamiento, de calentamiento, de climatización, de
atemperado.
Esta descripción demuestra que el dispositivo
1a-c y el procedimiento según la invención permiten
responder a los objetivos fijados. Permiten en particular librarse
de cualquier problema de estanqueidad inherente a los dispositivos
que comprenden unos elementos magnetocalóricos y/o unos
electroimanes u otros medios magnéticos móviles unos con relación a
los demás.
Además, son de concepción muy simple y no
necesitan ningún medio de puesta en movimiento para desplazar los
elementos magnetocalóricos 4a-c y/o los
electroimanes 2a-c. De hecho, consumen poca energía
y necesitan un número limitado de piezas y de elementos mecánicos
dando como resultado un mantenimiento reducido y unos riesgos de
averías limitados.
La presente invención no está limitada a los
ejemplos de realización descritos, sino que se extiende a cualquier
modificación y variante evidentes para un experto en la materia,
permaneciendo al mismo tiempo en el alcance de la protección
definida en las reivindicaciones adjuntas.
Claims (22)
1. Dispositivo (1a-c) de
generación de termias con material magnetocalórico que comprende al
menos un elemento magnético (2a-c) destinado a
generar un campo magnético, al menos un elemento magnetocalórico
(4a-c) destinado a ser sometido de manera alternada
a dicho campo magnético para generar unas calorías y unas frigorías,
al menos un circuito (5) de fluido caloportador del cual al menos
una parte está dispuesta en el entorno inmediato de dicho elemento
magnetocalórico (4a-c) de manera que recupera al
menos una parte de dichas calorías y/o frigorías que emite, estando
dicho circuito (5) acoplado a unos medios de circulación (6) y al
menos a un intercambiador térmico (7, 8, 78) dispuesto para
transferir al menos una parte de dichas calorías y/o frigorías
recuperadas por dicho fluido caloportador, caracterizado
porque dicho elemento magnético es un electroimán
(2a-c) acoplado al menos a una alimentación
eléctrica (3a-c) sometida por al menos una unidad de
mando (20) dispuesta para generar unos impulsos eléctricos
(9a-c) de manera que se crea un campo magnético por
impulsos, siendo estos impulsos eléctricos (9a-c) de
intensidad I, de duración t y de frecuencia T activados en función
de al menos un parámetro de impulso predeterminado, comprendiendo
dicho dispositivo al menos un sensor térmico (10) dispuesto para
determinar la temperatura de dicho fluido caloportador, definiendo
esta temperatura de fluido al menos un parámetro de impulso.
2. Dispositivo (1a, 1b) según la reivindicación
1, caracterizado porque dichos medios de recuperación
comprenden al menos dos intercambiadores térmicos (7, 8) unidos a
dicho circuito (5) en serie, en paralelo o según una combinación
serie/paralelo.
3. Dispositivo (1a, 1b) según la reivindicación
2, caracterizado porque dichos medios de recuperación
comprenden al menos un intercambiador térmico de calorías (7)
dispuesto para transferir las calorías y al menos un intercambiador
térmico de frigorías (8) dispuesto para transferir las frigorías,
estando dichos intercambiadores térmicos (7, 8) acoplados a unos
medios de conmutación (11) sometidos por una unidad de mando
dispuesta para conectar sucesivamente cada intercambiador térmico
(7, 8) con dicho elemento magnetocalórico (4a-c) en
función de al menos un parámetro de conmutación predeterminado.
4. Dispositivo (1a-c) según la
reivindicación 1, caracterizado porque dicha unidad de mando
está dispuesta para que dicha frecuencia T esté comprendida entre 60
segundos y 1/150ª de segundo, y preferentemente sea inferior a 2
segundos.
5. Dispositivo (1a-c) según la
reivindicación 1, caracterizado porque dicha unidad de mando
está dispuesta para que la relación T/t esté comprendida entre 10 y
100.000, y preferentemente sea superior a 1.000.
6. Dispositivo (1a-c) según la
reivindicación 1, caracterizado porque dicha unidad de mando
está dispuesta para que dicha intensidad I genere, en dicho elemento
magnético, un campo magnético comprendido entre 0,05 Teslas y 10
Teslas, y preferentemente superior a 2 Teslas.
7. Dispositivo (1a-c) según la
reivindicación 1, caracterizado porque dicha unidad de mando
comprende unos medios de regulación de al menos uno de los
parámetros del impulso seleccionado de entre el grupo que comprende
la duración t, la frecuencia T, la intensidad I.
8. Dispositivo (1a-c) según
cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 3, caracterizado
porque dicha unidad de mando comprende unos medios de temporización
dispuestos para determinar el intervalo de tiempo transcurrido desde
la conmutación y/o el impulso eléctrico (9a-c)
anterior, definiendo este intervalo de tiempo al menos un parámetro
de conmutación y/o de impulso.
9. Dispositivo (1a-c) según
cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 3, caracterizado
porque dicha unidad de mando comprende unos medios de regulación de
dicho parámetro de conmutación y/o de impulso predeterminado.
10. Dispositivo (1a-c) según la
reivindicación 1, caracterizado porque dichos medios de
recuperación comprenden al menos un intercambiador "mixto" (78)
dispuesto para transferir las calorías y las frigorías.
11. Dispositivo (1b) según la reivindicación 1,
caracterizado porque comprende al menos dos elementos
magnetocalóricos (4b, 4a) conectados entre sí en serie, en paralelo
o según una combinación serie/paralelo.
12. Dispositivo (1b) según la reivindicación 11,
caracterizado porque dichos elementos magnetocalóricos (4b,
4a) tienen unas características magnetocalóricas diferentes.
13. Dispositivo (1b) según la reivindicación 11,
caracterizado porque comprende al menos dos electroimanes
(2b, 2c), asociado cada uno a un elemento magnetocalórico (4a, 4b) y
al menos dos alimentaciones eléctricas (3b, 3c) dispuestas para
alimentar eléctricamente dichos electroimanes (2b, 2c) de manera
disociada.
14. Dispositivo (1a-c) según la
reivindicación 1, caracterizado porque el núcleo de dicho
elemento magnético (2a-c) está realizado en un
material magnético de alta remanencia.
\newpage
15. Dispositivo (1a-c) según la
reivindicación 1, caracterizado porque dicho elemento
magnético (2a-c) y dicho elemento magnetocalórico
(4a-c) están fijos uno con relación al otro.
16. Procedimiento de generación de termias con
material magnetocalórico durante el cual se somete al menos un
elemento de material magnetocalórico (4a-c) a al
menos un electroimán (2a-c) alimentado por unos
impulsos eléctricos, de manera que se crea un campo magnético por
impulsos para generar unas calorías y unas frigorías, se recupera al
menos una parte de dichas calorías y/o frigorías generadas por dicho
elemento magnetocalórico (4a-c) mediante un fluido
caloportador, se hace circular en al menos un circuito (5) del que
se dispone al menos una parte en el entorno inmediato de dicho
elemento magnetocalórico (4a-c) y se transfiere al
menos una parte de dichas calorías y/o frigorías mediante al menos
un intercambiador térmico (7, 8, 78), siendo dichos impulsos
eléctricos (9a-c) de intensidad I, de duración t y
de frecuencia T iniciados en función de al menos un parámetro de
impulso predeterminado, se determina la temperatura de dicho fluido
caloportador y se usa esta temperatura del fluido como parámetro de
impulso.
17. Procedimiento según la reivindicación 16,
caracterizado porque se usan al menos dos intercambiadores
térmicos que se conectan a dicho circuito (7, 8) en serie, en
paralelo o según una combinación serie/paralelo.
18. Procedimiento según la reivindicación 17,
caracterizado porque se usa al menos un intercambiador de
calorías (7) para transferir las calorías y al menos un
intercambiador de frigorías (8) para transferir las frigorías que se
conectan alternativamente con el elemento magnetocalórico
(4a-c) en función de al menos un parámetro de
conmutación predeterminado.
19. Procedimiento según la reivindicación 16,
caracterizado porque se ajusta al menos uno de dichos
parámetros de impulso seleccionado de entre el grupo que comprende
la frecuencia T, de manera que esté comprendida entre 60 segundos y
1/150ª de segundo, y preferentemente sea inferior a 2 segundos, que
la relación T/t esté comprendida entre 10 y 100.000, y
preferentemente sea superior a 1.000, la intensidad I de manera que
genere en dicho elemento magnético un campo magnético comprendido
entre 0,05 Teslas y 10 Teslas, y preferentemente superior a 2
Teslas.
20. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 16 ó 18, caracterizado porque se determina
el intervalo de tiempo transcurrido desde la conmutación y/o el
impulso eléctrico (9a-c) anterior, y porque se usa
este intervalo de tiempo como parámetro de conmutación y/o de
impulso.
21. Procedimiento según la reivindicación 16,
caracterizado porque se usan al menos dos elementos
magnetocalóricos (4b, 4c) que tienen unas características
magnetocalóricas diferentes que se conectan entre sí en serie, en
paralelo o según una combinación serie/paralelo.
22. Procedimiento según la reivindicación 21,
caracterizado porque se utilizan al menos dos electroimanes
(2b, 2c), asociado cada uno al elemento magnetocalórico (4b, 4c), y
al menos dos alimentaciones eléctricas (3b, 3c), y porque se
utilizan en unas fases sucesivas, un primer elemento magnetocalórico
(4b) solo, y después un primer elemento magnetocalórico (4b) y un
segundo elemento magnetocalórico (4c) simultáneamente y, por último,
el segundo elemento magnetocalórico (4c) solo de manera que se
combinan las propiedades magnetocalóricas del primer y segundo
elementos magnetocalóricos (4b, 4c).
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