JET 29 JET Volume 13 (2020) p.p. 29-38 Issue 4, December 2020 Type of article 1.01 www.fe.um.si/en/jet.html ANALYSIS AND EFFICIENCY OF A GADOLINIUM MAGNETOCALORIC MATERIAL PLATE ANALIZA IN UČINKOVITOST GADOLINIJSKE MAGNETOKALORIČNE PLOŠČE Botoc Dorin R,1 , Rusu Ionut-Bogdan 1 , Plesca Adrian 1 , Avsec Jurij 2 Keywords: Gadolinium Plate, magnetocaloric effect, magnetic flow, energetic efficiency Abstract In this article, the influence of a controlled magnetic field on gadolinium plates was modelled and simulated to be used in magnetic refrigeration installations. This is a state-of-the-art technology that does not use refrigerants and does not work based on vapour compression, which is based on the operation of the magnetocaloric properties of the material used; in the case below, this mate - rial, in the form of a flat plate, has certain magnetocaloric properties and under the influence of magnetic induction can be used successfully in such innovative installations. The advantages of us- ing gadolinium in the form of a flat plate in a magnetic regenerator and thermal energy dissipation on its surface under the controlled magnetic field’s influence were studied. Ř, 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 30 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 1  ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐    Povzetek V  tem č lanku  je  bil  izdelan  model  in  simuliran  vpliv  nadzorovanega  magnetnega  polja  na  gadolinijeve plošče za uporabo v magnetnih hladilnih napravah. To je najsodobnejša tehnologija,  ki ne uporablja hladilnih sredstev in ne deluje na osnovi kompresije hlapov. Tehnologija  temelji  na delovanju magnetokaloričnih lastnosti uporabljenega materiala; v spodnjem primeru ima ta  material v obliki ravne plošče določene magnetokalorične lastnosti in se pod vplivom magnetne  indukcije lahko uspešno uporablja v inovativnih instalacijah. Proučene so bile prednosti uporabe  gadolinija v obliki ravne plošče v magnetnem regeneratorju in odvajanja toplotne energije na  njegovi površini pod vplivom nadzorovanega magnetnega polja.    1 INTRODUCTION Magnetic refrigeration is a new technology that uses the magneto‐caloric effect developed in the  solid‐state to produce a refrigeration effect, [1]. Modern society is highly dependent on reliable  refrigeration technology. Without it, the food supply would be seasonal and limited to local, non‐ perishable products. and comfortable living conditions would not be possible. Furthermore, many  medical advances, for example, MRI, organ transplantation, tissue and organ cryogenics and  cryosurgery, would be impossible. Surprisingly, all these and other developments in obtaining  and maintaining temperatures below ambient temperature are supported by technology that  remains essentially unchanged since it was invented more than a century ago. Refrigeration close  to room temperature is based entirely on a vapour‐compression refrigeration cycle. Over the  years, all parts of a commercial refrigerator (i.e., the compressor, the heat exchangers, the  refrigerant  and  the  packaging)  have  been  improved  due  to  the  extensive  research  and  development efforts carried out by academia and industry. However, both recent and anticipated  improvements in technology are on the rise, as refrigeration is already close to the fundamental  limit of energy efficiency.   Furthermore, chlorofluorocarbons (CFCs), hydrofluorocarbons (HFCs), and other chemicals used  as refrigerants are hazardous to the environment and cause ozone depletion and global warming;  therefore,  vapour  compression  refrigeration  contributes  significantly  to  the  impact  of  the  environment in which we live. Refrigeration is defined as the use of a mechanism that changes  its temperature in response to certain thermodynamic transformations to cool an object or an  environment.  These  variations  must  be  made  quickly  and  repeatedly,  reversibly,  and  with  minimal energy losses. Both the heating and cooling of soft ferromagnetic materials in response  to the increase and decrease of the magnetic fields have been known since the second half of the  19th century, when Warburg (1881) reported a small but measurable temperature change in pure  iron in response to the changes in the magnetic field. Today, this phenomenon is known as the  Magnetocaloric Effect (MCE) and the materials that show large, reversible changes in temporary  temperature in response to changing magnetic fields are usually called magnetocaloric materials.  Magnetic refrigeration that uses solid materials such as gadolinium (Gd) as a refrigerant illustrates  the MCE, where there is an increase or decrease in temperature when magnetized and/or  demagnetized,  respectively.  Recently,  materials  have  been  developed  in  which  there  are  sufficient changes in temperature and entropy, which makes them useful for applications at high  temperatures. Effective and current solutions for reducing energy consumption using magnetic  JET 31 Analysis and efficiency of a gadolinium magnetocaloric material plate   Analysis and efficiency of a gadolinium magnetocaloric material plate   3            materials include the use of permanent magnets as sources of magnetic fields in electrical  systems and materials with MCE in magnetic refrigeration systems at room temperature. These  systems’ energy efficiency is closely linked to the proper choice of the magnetic materials  involved  according  to  the  targeted  performance  requirements  and  the  technological  implementation solutions at acceptable cost prices.   Magnetic materials are a class of materials that are characterized by magnetization states with  useful  functions.  The  phrase  “state  of  magnetization”  means  that  the  state  of  matter  characterized by magnetic moment of the unit of volume other than zero.  It is atomic in nature, being generated by the movement of electrons in orbit and around its own  axis; these movements give rise to magnetic moments. The magnetization state of a magnetic  material can be temporary, when it depends on the existence of an external magnetic field and  cancels with it, or permanent, when it is independent of the existence of an external magnetic  field.  2 LITERATURE REVIEW There are many scientific articles, patents, and books in which researchers have highlighted the  benefits of using magnetocaloric materials for refrigeration processes, and the potential of such  materials has been demonstrated as an effective material for saving energy. Gao et al. explained  in  detail  the  transformation  of  magnetocaloric  energy  from  materials,  where  the  relevant  disadvantages were also explained, [2].  In  both  Europe  and  the  US,  a  huge  amount  of  energy  could  be  saved  from  conventional  refrigeration and air conditioning by approaching magnetic refrigeration.  The main reason for the increased interest in magnetic refrigeration is its ecological operation,  extreme energy efficiency and the complete removal of refrigerants harmful to the ozone layer  and the environment, [3].  The research leads to the development of the refrigeration equipment that can operate at room  temperature. There have been various successful attempts at the prototype or experimental  levels, such as products developed by General Electric and Haier.  The properties that can be used in refrigeration installations are due to the extraordinary  response of these materials to external magnetic fields; the exposure of such properties takes  place  close  to  Curie  temperature  (i.e.,  the  temperature  at  which  the  self‐possessed  basic  magnetic properties decrease and the material temperature depends by applying the magnetic  field), [4].  The magnetocaloric effect has been used since 1920 to examine the magnetic structure and  properties of iron and other related elements of various materials, [5].  Research tends to develop important developments and highlight the exponential progress that  led to Toady’s knowledge and understanding of the magnetocaloric effect. Faraday discovered  that the variation in magnetic flux over time results in the induction of electric currents, [6]. Joule  explained the idea related to electric currents and associated thermal energy, stating that the  thermal energy released due to the induced magnetic induction is equivalent to the thermal  32 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 1  ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐    energy produced, and the rapid magnetization and demagnetization can lead to the heating of  the magnetocaloric material due to applied thermal energy, [7].    3 MODELLING BOUNDARIES The modelling and simulation of processes for gadolinium (Gd) plates were performed in COMSOL  Multiphysics software. The 3D model was drawn in the “mesh geometry” tab of the Comsol  software, and the symmetry is shown in Fig.1.    Figure  1: Comsol 3D mesh plan for Gd plate  The length of the plate is 100 cm, while the height is 10 cm, and the width is 60 cm. The table  below shows the full dimensions of the model.  Table  1: Gd plate dimensions  Name  Expression  Value  L(length)  100[cm]  1 m  B(height)  10[cm]  0.1 m  W(width)  60[cm]  0.6 m    The physics selected for the simulation is the main determinant of the solution and the boundary  conditions. The models that were used in the simulation are magnetic fields, heat transfer in solid  materials, and laminar flow for fluid solvers, [8].  JET 33 Analysis and efficiency of a gadolinium magnetocaloric material plate   Analysis and efficiency of a gadolinium magnetocaloric material plate   5            All these coupled found the numerical solution of the problem of the magnetocaloric effect of  the Gd plate, which can be used successfully in magnetic regenerators.  The  magnetocaloric  effect  in  the  COMSOL  Multiphysics,  model  was  introduced  using  an  interpolation function of the thermophysical data.  𝑀𝑀 , 𝐶𝐶 � , ∆𝑇𝑇 �� � � �𝑇𝑇 , 𝜇𝜇 � , 𝐻𝐻 � 𝑡𝑡 � �     Figure  2: Gd board model. 3D    4 RESULTS Figure 3 shows the temperature profile on the surface of the Gd plate; the temperature begins  to dissipate slowly due to the effects of thermal convection.  34 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 1  ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐      Figure  3: Gd board temperature profile. 3D modelled in COMSOL  The decrease in temperature due to the decrease in the magnetocaloric effect is similar to the  reports made in research journals, [9]. Successful simulations were performed using the COMSOL  model, and the transient model can be adopted for another approach. The chosen material (Gd)  is widely used in research in the field of magnetocaloric materials, [10‐13].      Figure  4: The temperature profile of the Gd plate. on the xy   JET 35 Analysis and efficiency of a gadolinium magnetocaloric material plate   Analysis and efficiency of a gadolinium magnetocaloric material plate   7              Figure  5: The temperature profile of the Gd plate. on the yz      Table  2: The properties mostly used for gadolinium  Tangent coefficient of thermal expansion  1/K  Thermal expansion  Isotropic tangent coefficient of thermal expansion  1/K  Thermal expansion  Thermal conductivity  W/(m∙K)  Basic  Heat capacity at constant pressure  J/(kg∙K)  Basic  Density  kg/m³  Basic  Resistivity  Ω∙m  Basic  Coefficient of thermal expansion  1/K  Basic  Electrical conductivity  S/m  Basic  Local property HC  J/(mol∙K)  Local properties  Local property VP  Pa  Local properties  Local property TD  m²/s  Local properties  The model selected for simulation and modelling is a determining factor of the solution and the  limit.  36 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 1  ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐      Figure  6: Gd plate temperature flow profile in 3D       Figure  7: The evolution of the temperature flow and the dispersion in time on the surface of the  Gd plate  Figure 6 presents the evolution of the temperature variation on the whole surface of the Gd plate,  inside the magnetic regenerator (AMR) and for about 50 minutes.    JET 37 Analysis and efficiency of a gadolinium magnetocaloric material plate   Analysis and efficiency of a gadolinium magnetocaloric material plate   9            5 CONCLUSION In this article, the modelling and simulation of the Gadolinium board were performed in COMSOL  Multiphysics software. The study of this material focused on the dissipation of heat flow on the  integral surface of the material, the properties of the material and the orientation of the dipole  moments. The research provides important perspectives on this field and is based primarily on  magnetocaloric testing in magnetization conditions with directions for further development in  the development of prototypes and magnetic installations. This study requires the understanding  and knowledge of the thermodynamic principles of operation of magnetocaloric refrigeration  installations. The simulation began with the magnetization of the Gd board, using the limit  condition of Ampere’s law, which is governed by the modulus of the magnetic field.     References [1] A. Kitanovski:  Energy  Applications  of  Magnetocaloric  Materials, Advanced  Energy  Materials, vol. 10, no. 10, p. 1903741, 2020  [2] P. Shirron: Applications of the magnetocaloric effect in single‐stage, multi‐stage and  continuous adiabatic demagnetization refrigerators, Cryogenics, vol. 62, pp. 130‐139,  2014  [3] V.  Franco,  J.  Blázquez,  J.  Ipus,  J.  Law,  L.  Moreno‐Ramírez  and  A.  Conde:  Magnetocaloric effect: From materials research to refrigeration devices, Progress in  Materials Science, vol. 93, pp. 112‐232, 2018  [4] V.  Pecharsky  and  K.  Gschneidner,  Jr.:  Giant  Magnetocaloric  Effect  in  Gd5(Si2Ge2), Physical Review Letters, vol. 78, no. 23, pp. 4494‐4497, 1997  [5] R. Bjørk: Designing a magnet for magnetic refrigeration, PhD Thesis, 2010  [6] Eriksen D, Engelbrecht K, Bahl C, Bjørk R: Active magnetic regenerator refrigeration  with rotary multi‐bed technology, Department of Energy Conversion and Storage,  Technical University of Denmark, 2016. 146 p  [7] N. Mezaal, K. Osintsev and T. Zhirgalova: Review of magnetic refrigeration system as  alternative to conventional refrigeration system, IOP Conference Series: Earth and  Environmental Science, vol. 87, p. 032024, 2017  [8] S. Kulkarni, and A. Mashalkar: Study of Magnetic Refrigeration, International Journal  for Research in Engineering Application & Management (IJREAM), no. ‐, 2018  [9] W. Gao et al.: Energy transduction ferroic materials, Materials Today, vol. 21, no. 7, pp.  771‐784, 2018  [10] V.  Pecharsky  and  K.  Gschneidner  Jr:  Magnetocaloric  effect  and  magnetic  refrigeration,  Journal of Magnetism and Magnetic Materials, vol. 200, no. 1‐3, pp. 44‐ 56, 1999  [11] B.  Wolf  et  al.:  Magnetocaloric  effect  and  magnetic  cooling  near  a  field‐induced  quantum‐critical point, Proceedings of the National Academy of Sciences, vol. 108, no.  17, pp. 6862‐6866, 2011  38 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 1  ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐    [12] Botoc Dorin, Jurij Avsec, Adrian Plesca: The efficiency of magnetic refrigeration and a  comparison with compressor refrigeration systems, JET, Vol. 11, 2018  [13] Sergiu Lionte, Carmen Vasile, Monica Siroux: Numerical analysis of a reciprocating  active magnetic regenerator, Applied Thermal Engineering, 2014