JET 51 JET Volume 13 (2020) p.p. 51-61 Issue 4, December 2020 Type of article 1.01 www.fe.um.si/en/jet.html PRODUCTION OF ARTIFICIAL COLD FOR INDUSTRY, BASED ON THE MAGNETOCALORIC EFFECT PROIZVODNJA UMETNEGA HLADU, OSNOVANA NA MAGNETNOKALORIČNEM UČINKU Botoc Dorin 1 , R , Rusu Ionut-Bogdan 1 , Plesca Adrian 1 , Avsec Jurij 2 Keywords: Energy efficiency, magnetocaloric material, magnetic refrigeration, active magnetic regenerator Abstract The most common current technology for producing artificial cold is based on the operation of gas compression and absorption, which was discovered more than a century ago. This technology uses refrigerants as a heat transfer agent. Magnetic refrigeration is an innovative technology that works based on the magnetocaloric effect and the properties of certain rare materials/metals. The present paper describes a simulation of the magnetocaloric effect (MCE) of a gadolinium plate (Gd.), which is the main component of the active magnetic regenerator (AMR). The first part includes a description and history of the discovery of the magnetocaloric effect of materials that possess such properties. The continuation is a COMSOL Multiphysics modelling of AMR’s main component: a gadolinium (Gd) plate. The simulation of the magnetocaloric effects and the heat dispersion on its surface was done in COMSOL, as was the highlighting of the adiabatic temperature on the flat surface of the plate. Water R Corresponding author: Botoc Dorin, E-mail address: dorinbotoc@yahoo.com 1 Faculty of Electrical Engineering, Energetics and Applied Informatics, Gheorghe Asachi Technical University of Iasi, Depart - ment of Power Engineering, Romania 2 University of Maribor, Faculty of Energy Technology, Laboratory for Thermomechanics, Applied Thermal Energy Technolo- gies and Nanotechnologies, Hočevarjev trg 1, SI-8270 Krško, Slovenia 52 JET JET Vol. 13 (2020) Issue 4 Botoc Dorin, Rusu Ionut-Bogdan, Plesca Adrian, Avsec Jurij 2  Botoc Dorin, Rusu Ionut‐Bogdan, Plesca Adrian, Avsec Jurij  JET Vol. 13 (2020)     Issue 4  ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐    was used as a heat transfer agent, and gadolinium (Gd) was used as a reference criterion for the  materials. The model simulates a single step of the magnetic refrigeration cycle and evaluates the  AMR’s performance with a single board. This study enables identifying the most important  characteristics that influence the active magnetic regenerator’s thermal behaviour.    Povzetek Najpogostejša  tehnologija  za  ustvarjanje  umetnega  hladu  temelji  na  termodinamiki  kompresorskih hladilnih strojev, ki so bili odkriti pred več kot stoletjem. Ta tehnologija uporablja  hladilno sredstvo kot sredstvo za prenos toplote. Magnetno hlajenje je inovativna tehnologija, ki  deluje na  osnovi  magnetokaloričnega  učinka  in  lastnosti nekaterih  redkih  materialov/kovin.  Prispevek opisuje simulacijo magnetokaloričnega učinka (MCE) gadolinijeve plošče (Gd.), ki je  glavna sestavina aktivnega magnetnega regeneratorja (AMR). Prvi del članka vključuje opis in  zgodovino odkritja magnetokaloričnega učinka materialov, ki imajo take lastnosti. Nadaljevanje  je COMSOL Multiphysics modeliranje glavne komponente AMR: plošče gadolinij (Gd). Simulacija  magnetokaloričnih učinkov in razpršitev toplote na njegovi površini je bila narejena v COMSOL‐u.  Model simulira en sam korak magnetnega hladilnega cikla in ovrednoti delovanje AMR z eno  ploščo. Ta študija omogoča prepoznavanje najpomembnejših značilnosti, ki vplivajo na toplotno  vedenje aktivnega magnetnega regeneratorja.    1 BACKGROUND AND INTRODUCTION Magnetic refrigeration is an environmentally friendly innovative technology with huge potential  and high efficiency, based on the principle of operation of the magnetocaloric effect (MCE), which  was discovered more than a century ago. The MCE occurs when applying an external magnetic  field to a material, a change in the thermodynamic state occurs, and a certain temperature of the  magnetocaloric material (MMC).  The conversion of magnetocaloric energy is based on MCE technology . In the absence of a  magnetic field, the magnetic movements in the material are disordered. If a magnetic field is  applied to the material, the magnetic moments will be forced to align in a certain order;  consequently, the magnetic entropy will decrease. Due to these magnetocaloric properties of the  given material, it makes it reliable and efficient for magnetic refrigeration equipment, due to the  reversibility of the processes and the low intrinsic entropy losses. Under isoentropic (adiabatic)  conditions, the total entropy will remain constant. Therefore, the low magnetic entropy will be  manifested by an increased network entropy. The atoms in the material will begin to vibrate more  intensely, and, as a result, the temperature of the magnetic material will increase. The opposite  occurs  when  the  magnetic  field  is  removed:  the  magnetic  entropy  is  increased  and  the  temperature decreases. On this basis, it is possible to create energy conversion cycles by applying  different thermodynamic processes.  For refrigeration at room temperature, which is shown in this paper, the first experimental  installation that produces artificial cold based on the operating principle of the magnetocaloric  effect (MCE). The oldest thermodynamic studies of the magnetocaloric effect at or above ambient  temperature  began  in  the  1950s  and  1960s.  In  addition  to  some  cryogenic  applications,  investigations were initially focused on developing heat engines for the generation of useful  JET 53 Production of artificial cold for industry, based on the magnetocaloric effect   Production of artificial cold for industry, based on the magnetocaloric effect  3           energy. The researchers analysed different thermodynamic cycles of magnetic energy generation  and their specific processes. Their work was based on that of Tesla, [1], and Edison, [2], who had  patented ideas for “pyromagnetic generators”. At that time, electric coils were used as sources  for magnetic fields. However, there is no evidence that such devices were ever built.  In the late 1950s, one of the first thermodynamic analyses of magnetocaloric energy generation  was presented by Brillouin and Iskenderian, [3], which was soon followed by other reports, [4‐7].  While most of these investigations considered magnetocaloric materials in their solid form, in the  1960s, there was great interest in the idea of producing magnetic energy generators by using  magnetocaloric suspensions as working fluids.  Most of this pioneering work was done by Resler and Rosensweig, [8,9]. Subsequent work in the  1980s considered magnetocaloric energy generators based on solid working materials, [10‐12].  There is no evidence that a real prototype device for power generation has been developed. With  the discovery of the high‐amplitude magnetocaloric effect in 1997, [13], which was followed by a  series of prototypes for refrigerators, magnetic, magnetocaloric, and electricity generation again  became an interesting topic.  With the growing concerns regarding global warming, there is an increase in demand for energy‐ efficient and environmentally efficient technologies/installations, and magnetic refrigeration is  among them. Following the experimental tests, the magnetic refrigeration equipment reached a  performance coefficient varying between 3 and 10 (COP) which corresponds to the efficiency of  the Carnot Cycle from 15% to 75%. This energy efficiency has the potential to reduce energy  consumption significantly. Thus, magnetic refrigeration has a huge potential to reduce global  energy significantly and therefore limit CO2 emissions.  This technology is environmentally friendly while conventional refrigeration uses large amounts  of hydrofluorocarbons (HFCs) and chlorocarbons (CHF), which are some of the main substances  that contribute to the destruction of the ozone layer and global warming. To meet this problem  and solve it, in part, comes magnetic refrigeration, which using a solid refrigerant eliminates the  use of freons. To obtain the maximum efficiency of the presented installation and to minimize  the costs, the operation of the magnetic refrigeration systems is indicated.    2 BOUNDARY CONDITION The modelling and simulation of the processes were performed in COMSOL Multiphysics, and a  three‐dimensional  (3D)  model  was  drawn  using  the  secondary  geometry  tab  of  the  given  software. The detailed geometries are shown in Figure 1 (see below).  54 JET JET Vol. 13 (2020) Issue 4 Botoc Dorin, Rusu Ionut-Bogdan, Plesca Adrian, Avsec Jurij 4  Botoc Dorin, Rusu Ionut‐Bogdan, Plesca Adrian, Avsec Jurij  JET Vol. 13 (2020)     Issue 4  ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐      Figure  1: COMSOL Multiphysics 3D model for simulation  The length of the fluid channel is 15 cm, and the height is 0.5 cm and the width is 2 cm. The  gadolinium plate (Gd) is placed in the centre of the regenerator and was modelled as CHEX and  HHEX. The table below shows the full dimensions of the model.    Table 1: Dimensions and parameters of the model modelled in COMSOL Multiphysics.  L  15[cm]  0.15m  b  0.5[cm]  0.005m  W  2[cm]  0.02m    3 MODELLING AND SIMULATION This modelling is mainly based on the study of the plate of magnetocaloric material (Gd). In  different magnetization conditions and under a magnetic induction with different values, the  modelling was done with the COMSOL Multiphysics software, which requires a solid knowledge  of engineering principles. The purpose of this modelling is the development of the solid working  agent with subsequent possibilities of developing an AMR with high efficiency, precise and fine  details, as well as an advantageous price. With the help of computerized calculations, the  numerical solution of the problem was obtained, which is useful and beneficial for the design  study, as well as for the development of the parameters/phenomena. As a result, the method  adopted  in  this  research  is to  simulate  the  magnetocaloric  phenomena  on  the gadolinium  material (Gd) under different magnetic inductions. The thermodynamic study of Gd largely  depends on the heat transfer and the efficiency of the parameters.  JET 55 Production of artificial cold for industry, based on the magnetocaloric effect   Production of artificial cold for industry, based on the magnetocaloric effect  5             Figure  2: 3D MESH model, used for simulation      Figure  3: MESH model on the yz axes    56 JET JET Vol. 13 (2020) Issue 4 Botoc Dorin, Rusu Ionut-Bogdan, Plesca Adrian, Avsec Jurij 6  Botoc Dorin, Rusu Ionut‐Bogdan, Plesca Adrian, Avsec Jurij  JET Vol. 13 (2020)     Issue 4  ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐      Figure  4: MESH model on the xz axis  The thermodynamic analysis of the entire magnetic refrigeration system defines the relations for  the induction of the applied magnetic field, its entropy and the temperature variation. It should  be noted that all the above‐mentioned methods are part of the advanced research publications.    4 MATHEMATICAL MODELLING, HEAT, MECHANICAL WORK, AND THERMODYNAMIC RELATIONS Entropy depends on the magnetic field (H) and temperature (T), in this case, the magnetocaloric  material (Gd). Maxwell’s equations represent the relationship between the magnetic field (H),  the plate temperature of gadolinium magnetocaloric material (T) and its entropy (S).    � 𝜕𝜕𝜕𝜕 � 𝑇𝑇 , 𝐻𝐻 � 𝜕𝜕𝐻𝐻 � � �� 𝜕𝜕𝐻𝐻 � 𝑇𝑇 , 𝐻𝐻 � 𝜕𝜕𝑇𝑇 � �           (4.1)    Integrating the above equation, we obtain the relation for the isothermal conditions.    ∆ 𝜕𝜕 � � 𝑇𝑇 , ∆𝐻𝐻 � �� � 𝜕𝜕𝐻𝐻 �𝑇𝑇 , 𝐻𝐻� 𝜕𝜕𝑇𝑇 � � � � � � 𝑑𝑑 𝐻𝐻     (4.2)    Mechanical work:     dw �� μ � HdM    (4.3)    The derivative of the specific total entropy (for isobaric and isochoric conditions) can be defined  in the present case as:    𝑑𝑑𝑑𝑑 � 𝑇𝑇 , 𝐻𝐻 � �� 𝛿𝛿 𝑑𝑑 𝛿𝛿 𝑇𝑇 � � 𝑑𝑑𝑇𝑇 � � 𝛿𝛿 𝑑𝑑 𝛿𝛿 𝐻𝐻 � � 𝑑𝑑 𝐻𝐻     (4.4)    The change of entropy in the isothermal process can be defined as follows:  JET 57 Production of artificial cold for industry, based on the magnetocaloric effect   Production of artificial cold for industry, based on the magnetocaloric effect  7             𝑑𝑑𝑑𝑑 � 𝑇𝑇 , 𝐻𝐻 � �� 𝛿𝛿 𝑑𝑑 𝛿𝛿 𝐻𝐻 � � 𝑑𝑑𝐻𝐻 � � � � 𝛿𝛿𝛿𝛿 𝛿𝛿 𝑇𝑇 � � 𝑑𝑑 𝐻𝐻     (4.5)      For a certain increase (or decrease) of the magnetic field on the Gd plate, between the two states  of the different magnetic fields under isothermal conditions, the change in isothermal entropy is  defined as follows:    �𝑑𝑑 � 𝑑𝑑 � �𝑑𝑑 � �� � 𝛿𝛿 𝑑𝑑 𝛿𝛿 𝐻𝐻 � � � � � � 𝑑𝑑 𝐻𝐻     (4.6)    �𝑑𝑑 � � � � � 𝛿𝛿𝛿𝛿 𝑇𝑇𝐻𝐻 � � � � � � 𝑑𝑑 𝐻𝐻     (4.7)  Another important parameter for characterizing the plate of magnetocaloric material (Gd) is the  change in adiabatic temperature.    Figure  5: COMSOL 3D model of the Gd plate with the change of the adiabatic temperature    This represents the increase or decrease of the temperature due to the increase or decrease of  the magnetic field in the absence of heat flux (adiabatic magnetization or demagnetization).  In the adiabatic process, the total specific entropy does not change (ds = 0).   58 JET JET Vol. 13 (2020) Issue 4 Botoc Dorin, Rusu Ionut-Bogdan, Plesca Adrian, Avsec Jurij 8  Botoc Dorin, Rusu Ionut‐Bogdan, Plesca Adrian, Avsec Jurij  JET Vol. 13 (2020)     Issue 4  ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐    � 𝛿𝛿𝛿𝛿 𝛿𝛿𝛿𝛿 � � 𝑑𝑑𝛿𝛿 � � � 𝛿𝛿𝛿𝛿 𝛿𝛿𝛿𝛿 � � 𝑑𝑑𝛿𝛿 � �� � � 𝛿𝛿𝛿𝛿 𝛿𝛿𝛿𝛿 � � 𝑑𝑑 𝛿𝛿     (4.8)      Figure  6: COMSOL model of Gd board. with the change of the adiabatic temperature   on the yx axis        Figure  7: COMSOL model of Gd board. with the change of the adiabatic temperature   on the xz axis      Figure  8: COMSOL model of Gd. Board with the change of the adiabatic   temperature on the yz axis.  JET 59 Production of artificial cold for industry, based on the magnetocaloric effect   Production of artificial cold for industry, based on the magnetocaloric effect  9           5 RESULTS AND DISCUSSION The developed numerical model is a very important component for the analysis and behaviour of  the Gd plate. The optimization of the active magnetic regenerator (AMR), as well as the evolution  of the temperature in the regenerator on the surface of the plate is shown in Figure 9.  We present the first results: the evolution of the temperature gradient on the total surface of the  Gd plate. In the magnetization process, the temperature of the magnetic regenerator (AMR)  increases due to the magnetocaloric effect. Subsequently, after the cold blow period (from CHEX  to HHEX), the fluid circulates on the surface of the Gd plate, absorbing heat. In this way, the  internal temperature of the regenerator decreases. After the hold blow period (from HHEX to  CHEX), the magnetocaloric material is demagnetized, [14].    Figure  9: 3D model in COMSOL Multiphysics of the Gd plate inside the regenerator    Figure  10 : 3D model in COMSOL Multiphysics of Gd board used in AMR with temperature evolution  Figure 10 shows the evolution of temperature along the length of the Gd plate. On the first  centimetre of the Gd plate, a high value of the temperature in the regenerator (AMR) can be  observed; it is one of the highest temperatures up to the middle of the plate (10cm). This can be  explained by the fact that the variation of the temperature of the magnetocaloric material is due  to the tiny variation of the applied magnetic flux and to the non‐uniform conditions of the Gd  plate.  60 JET JET Vol. 13 (2020) Issue 4 Botoc Dorin, Rusu Ionut-Bogdan, Plesca Adrian, Avsec Jurij 10  Botoc Dorin, Rusu Ionut‐Bogdan, Plesca Adrian, Avsec Jurij  JET Vol. 13 (2020)     Issue 4  ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐    In Figure 11, the evolution of the temperature variation on the whole surface of the Gd plate,  inside the regenerator (AMR) and for about 60 minutes is presented.      Figure  11 : Temperature variation in certain time intervals      Figure  12 : COMSOL Multiphysics model of the Gd board. on the zy axis    JET 61 Production of artificial cold for industry, based on the magnetocaloric effect   Production of artificial cold for industry, based on the magnetocaloric effect  11           6 CONCLUSIONS AND PERSPECTIVES To better understand the operation of a magnetic refrigeration system and the behaviour of the  magnetic regenerator’s main component, modelling was made in COMSOL Multiphysics. The  modelling is based on the configuration of a gadolinium plate (Gd), which passes the heat transfer  fluid with a magnetic field of 1.2 T, with the evolution of the temperature gradient on the plate’s  surface. The results obtained in this simulation lead to the argument that magnetic refrigeration  is  an  innovative  technology,  as  close  as  possible  to  being  put  into  practice,  both  for  air  conditioning and industrial refrigeration.    References [1] Tesla N: Pyromagneto‐electric generator, US Patent 428.057, 1890  [2] Edison TA: Pyromagnetic generator, US Patent 476.983, 1892  [3] Brillouin L, Iskenderian HP: Thermomagnetic generator, Federal Telecommunication  Laboratories, Nutley, pp 300–313, 1948  [4] Van der Voort E: Ideal magnetocaloric conversion, Appl Sci Res 20:98–114, 1969  [5] Chilowsky C: Thermomagnetic generator and refrigerator, US Patent 2.619.603, 1952  [6] GB  674284:  Technical  assets,  Improvements  in  and  relating  to  thermomagnetic  generators and refrigerators, 1952  [7] Elliott JF: Thermomagnetic generator,  J Appl Phys 11(30):1774–1777, 1959  [8] Resler EL Jr, Rosensweig RE: Magnetocaloric power, AIAA J 8(2):1418–1422, 1964  [9] Resler EL Jr, Rosensweig RE: Regenerative thermomagnetic power, J Eng Power 89:399– 406, 1967  [10] Kirol LD, Mills JI: Thermomagnetic generator, In: Proceedings of the 19th intersociety  energy conversion engineering conference, vol 3, pp 1361–1368, 1984  [11] Kirol LD, Mills JI: Numerical analysis of thermomagnetic generators, J Appl Phys 56:824– 828, 1984  [12] Salomon D: Thermomagnetic mechanical heat engines, J Appl Phys 65:3687–3693, 1989  [13] Pecharsky VK, Gschneidner KA Jr: Effect of alloying on the giant magnetocaloric effect  of Gd5(Si2Ge2), J Magn Magn Mater 167:179–184, 1997  [14] Sergiu Lionte et al.: Numerical analysis of a reciprocating active magnetic regenerator,  Applied Thermal Engineering, ELSEVIER, 2014