Avaliação da estabilidade de materiais magnetocalóricos à base de La(Fe,Mn,Si)13Hz em fluidos para aplicação em sistemas de refrigeração magnética

Abstract

A refrigeração magnética é uma alternativa promissora para tecnologias convencionais de refrigeração. Seu funcionamento baseia-se em um sistema que utiliza materiais sólidos que apresentam o efeito magnetocalórico (EMC), o qual é definido como uma resposta térmica do material quando submetido a variações de campos magnético. Além do material magnetocalórico (MMC), aplica-se um fluido de transferência de calor, que tem como papel realizar trocas térmicas entre o refrigerante sólido e os reservatórios térmicos (ambientes frio e quente). Um dos principais candidatos a atuar como refrigerante sólido são os compostos intermetálicos a base de lantânio (La), ferro (Fe), silício (Si), manganês (Mn) e hidrogênio (H), enquanto os fluidos mais promissores são misturas aquosas. Contudo, uma grande barreira para consolidação dessa tecnologia é a instabilidade dos MMCs em contato por longos períodos com o fluido que atua como meio de transferência de calor do sistema. Tal ponto é fundamental pois o fluido é continuamente bombeado de forma cíclica pelo MMC durante a operação do refrigerador magnético. Apesar de estudos relatarem a corrosão de MMC em fluidos aquosos, há lacunas nas caracterizações dos materiais após exposição aos fluidos, e poucos aditivos inibidores de corrosão foram considerados efetivos para proteção do MMC. A atual pesquisa visa identificar variações de propriedades termomagnéticas e a estabilidade de compostos à base de La-Fe-Si-Mn-H em imersão em água, como também em misturas aquosas com três diferentes aditivos inibidores de corrosão obtidos comercialmente, sendo dois deles propostos de forma inédita na literatura para esse fim, através de ensaios de envelhecimento nos fluidos por um ano. Os MMCs foram caracterizados antes, durante, e após do envelhecimento, para quantificar a degradação de suas propriedades. Através da caracterização sistemática dos sólidos, percebeu-se que a água deionizada deteriorou continuamente as partículas a partir das primeiras semanas de envelhecimento, enquanto o aditivo ?ME-3? forneceu proteção por até 25 semanas e o ?Entek? por até 40 semanas. As deteriorações notadas consistem em aparecimento de produtos avermelhados na superfície dos MMCs, diminuição de até 20% no EMC, aumento na temperatura de máxima resposta do EMC. As partículas imersas na mistura com ?ME-1? não sofreram variações significativas de suas propriedades. Assim, o ME-1 configura-se como aditivo inibidor de corrosão promissor para aplicação em refrigeradores magnéticos a base de La-Fe-Si-Mn-H.

Abstract: Magnetic refrigeration is a promising alternative to conventional refrigeration technologies. Its operation is based on a system that uses a solid material that shows the Magnetocaloric Effect (MCE), which is defined as a thermal response of a material when subjected to variations in magnetic field. In addition to the Magnetocaloric Material (MMC), a heat transfer fluid is employed, which has the role of performing thermal exchanges between the solid refrigerant and the thermal sources (cold and hot environments). One of the main candidates to act as a solid refrigerant are intermetallic compounds based on lanthanum (La), iron (Fe), silicon (Si), manganese (Mn) and hydrogen (H), while the most promising fluids are aqueous mixtures. However, a major barrier to the consolidation of this technology is the stability of magnetocaloric materials when exposed for long periods of time to the fluid that acts as a heat transfer medium within the system. This is a main point, since the fluid is pumped in an oscillatory way through the MMC during the operation of the magnetic refrigerator. Although studies report the corrosion of these materials in aqueous fluids, there are gaps in the characterization of cooling materials after exposure to fluids, and few anticorrosion additives were considered effective for protecting the solid material. The current research aims to identify variations of thermomagnetic properties and the stability of compounds based on La-Fe-Si-MnH in immersion in water, as well as in aqueous mixtures with three different corrosion inhibitor additives obtained commercially, two being proposed in an unprecedented way in the literature for this purpose, through aging tests in the fluids for one year. The MMCs were characterized before, during, and after aging, to quantify the degradation of properties of interest for their application in magnetic refrigeration systems. Through the systematic characterization of the solids, it was noticed that the deionized water continuously deteriorated the particles from the first weeks of aging, while the ?ME-3? additive provided protection for up to 25 weeks, and the ?Entek? for up to 40 weeks. The noted deteriorations consist of the appearance of reddish products on the surface of the MMCs, a decrease of up to 20% in the EMC, an increase in the maximum response temperature of the EMC. Particles immersed in the mixture with ?ME-1? did not had significant changes in their properties. Thus, ME-1 is configured as a promising corrosion inhibitor additive for application in magnetic refrigeration systems based on La-FeSi-Mn-H.