Numerical optimization of the operation of a magnetocaloric heat pump

Magnetocaloric refrigeration is a very attractive alternative to traditional vapour compression devices for heating and cooling systems. It is potentially an environmental friendly and efficient technology. Magnetocaloric devices are complex systems, where not only the individual parts have to be developed stand-alone, but also investigated as part of a system. The design of a novel magnetocaloric heat pump at the Technical University of Denmark gives, in particular, the chance of analyzing the interplay of flow system and magnetic field. Numerical simulations are performed to find the optimum working conditions. The method of analysis, used within this dissertation, leads to results applicable to the particular prototype but of general interest. The necessity of considering the width of the regenerators in the identification of the best working conditions gives rise to the idea of a new 2D approach. Furthermore, the usage of such a heat pump in a real context faces possible deviations of the working parameters from the design values. The realization of partial load conditions is not trivial, and is definitely different from vapour compression systems. Eventually, experimental measurements of the resistances through the active magnetic regenerators give the chance to validate the pressure drop correlation used in the model. The regenerators are found to have different resistances compared to each other. A possible balancing of the circuit is therefore investigated.

La refrigerazione magnetocalorica è un’interessante alternativa ai tradizionali sistemi di riscaldamento e raffreddamento a compressione di vapore. Rappresenta potenzialmente un’efficiente tecnologia a basso impatto ambientale, Gli apparecchi magnetocalorici sono sistemi complessi, dove non solo bisogna sviluppare i singoli componenti, ma è fondamentale studiarli anche in relazione agli altri elementi, come parte di un sistema. La progettazione di una nuova pompa di calore magnetocalorica, costruita all’Università tecnica della Danimarca, fornisce la possibilità, in particolare, di analizzare l’interazione reciproca tra campo magnetico e sistema di flusso. Simulazioni numeriche consentono lo studio delle condizioni di lavoro di ottimo. Il metodo di analisi seguito conduce a risultati riferiti al singolo prototipo ma di interesse generale. La necessità di considerare l’ampiezza dei rigeneratori porta, poi, allo sviluppo di una approssimazione 2-dimensionale. Quindi, si analizza l’introduzione di un apparecchio del genere in un sistema reale. Possibili deviazioni dai parametri di progetto e i loro effetti sono prese in considerazione. Viene studiata la non banale e fondamentale realizzazione delle condizioni di carico parziale. Infine, misure sperimentali della resistenza al flusso attraverso i rigeneratori danno la possibilità di convalidare la correlazione per la caduta di pressione usata nel modello. Viene, inoltre, evidenziato che i rigeneratori hanno resistenze diverse tra loro. Si studia, quindi, un possibile bilanciamento del sistema.