Design and mechanical characterization of a magnetocaloric pump

Abstract

In this thesis, a Magnetocaloric Pump (MCP) able to convert heat into power by using the magnetocaloric effect is studied and designed. The actual pressure head is compared with the simplified Bernoulli equation for magnetic fluids and some important design parameters are identified and clarified. Two Mnx Zn1−x Fe2O4 (a water-based and a hydrocarbon-base) ferrofluids are compared in order to analyze their magnetocaloric effect. The synthesis procedure is improved and ferrites production is found to be scalable. For the produced water-based ferrofluid, a chemical co-precipitation method and a double layer surfactant technique are employed in the production of the ferrofluids. The effect of the saturation magnetization Ms and the Curie temperature in the pump performance as well as the heating source position inside the induced magnetic field of approximately 0.5 Tesla are tested. Optimum operational conditions were established and an efficient ferrofluid suitable for electronic cooling applications is selected according to the maximum pressure head reached by the pump.

La siguiente tesis se basa en el diseño y estudio de una Bomba Magnetocalórica (MCP) capaz de convertir calor en potencia utilizando el efecto magnetocalórico. El cabezal de presión obtenido es comparado con la ecuación de Bernoulli simplificada aplicable a fluidos magnéticos y ciertos parametros críticos no icluidos en dicha ecuación fueron identificados y clarificados. Dos ferrofluidos de Mnx Zn1−x Fe2O4 (uno suspendido en base de agua y otro suspendido en un hidrocarburo) y dos ferrofluidos de uno FE3O4 suspendido en una base de agua y otro suspendido en aceite) son comparados para analizar su efecto en la funcionalidad de la bomba. Se logró mejorar significativamente el proceso de síntesis empleado para la fabricación de las ferritas y los de ferrofluidos, facilitando así su producción en masa. Para la fabricación de los fluidos fueron empleados el metodo de co-precipitación y la técnica de doble recubrimiento de surfactante. Se investigó el efecto de la magnetización de saturación, la temperatura de Curie y la posición de la fuente de calor dentro del campo de inducción magnética en el sistema diseñado. De acuerdo al máximo cabezal de presión obtenido, se establecieron las condiciones operacionales idóneas y se seleccionó el ferrofluido adecuado para ser empleado en aplicaciones relacionadas al enfriamiento de equipos electrónicos.