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磁冷却

日期: 2018年5月23日

创建目前紧凑,环保,节能,高度可靠的冰箱在房间的温度范围内,这是非常相关的。此任务是由于许多严重索赔对现有的冷却系统。众所周知,当当前使用的冰箱时,可能存在导致臭氧耗尽和全球变暖的这种严重环境问题的工作气体(制冷剂)泄漏。在可以在冷却装置中使用的各种替代技术,越来越多地关注世界各地的研究人员正在吸引磁冷却技术。磁力冷却的密集工作是在欧洲,美国,加拿大,中国和俄罗斯的许多实验室和大学领先。


制冷新闻


磁冰箱是环保装置,允许显着降低功耗。鉴于男子在活动中的各种领域使用的真正大量的制冷单元,后一种情况非常重要。磁冷却技术基于任何磁性材料在磁场的影响下改变其温度和熵的能力。这种能力在传统冰箱中压缩或膨胀气体或蒸汽时表现出来。由于磁场强度的变化而导致磁性材料的温度或熵的这种变化称为磁热效应(下文中称为MCE)。


磁性材料温度的变化是其原子和晶格的磁矩系统之间的磁性物质的内部能量的再分布的结果。在磁性有序材料中获得MCE的最大值,例如位于磁相过渡温度(磁性排序的温度,居里,Neel等)的磁性有序材料中,例如铁磁体,反铁磁体等。

用于磁冷却的装置的主要优点与高密度的传热材料 - 与蒸汽或气体密度相比的固体。固体磁性材料中每单位体积的熵的变化比气体高七倍。这使得可以设计更紧凑的冰箱。磁性工作介质本身用作传统联合循环制冷厂中使用的制冷剂的类似物。此外,去磁 - 磁化过程类似于压缩 - 膨胀循环。任何冰箱的效率主要由循环期间完成的不可逆工作的量决定 - 对于有效的装置,它应该尽可能低。在气加热冰箱中,有些装置产生大量的不可逆工作 - 再生器,压缩机和热交换器。

在热交换器中完成了大部分不可逆转的工作。它与工作流体温度的绝热变化成正比。在气体中比磁性材料更大。由此,最有效的散热性通过磁性进行,特别是在再生制冷循环中进行。热交换器的特殊设计和具有大表面积的再生器的使用使得可以在磁冷却期间实现一小部分不可逆工作。磁再生冷却循环在温度范围内的有效性为4.5至300 0k可以是圆形循环的38至60%(约52%的温度范围为20至150% 0K,约85%的范围为150到300 0k)。在这里,在循环的所有阶段,传热条件将是今天最着名的。此外,磁冰箱包括少量的运动部件,在低频下操作,从而使冰箱的磨损最小化并增加其操作时间。


这个问题的年表。磁冷却的基本原理

  1. Warburg相对较早地发现了MCE,在1881年。他观察到在磁场的作用下,铁样加热或冷却。该科学家得出结论,样品的温度变化是在磁场的影响下具有磁性结构的物质的内部能量的变化的结果。
然而,在实际使用这种现象之前,它仍然很远。 Langevin(1905年)是第一个证明ParamAgnet的磁化变化导致样品温度变化的磁化变化导致可逆变化。磁性冷却本身在发现MCE近50年后,由两名美国科学家,彼得德拜(1926年)和William Giauque(1927年)独立于彼此,作为液氦沸点低于液氦沸点的温度的模式。 JIOK和MCDOUGALL是第一个展示1933年磁制冷中最简单的实验的人。稍后,它还由De Haas(1933年)和Kurti(1934年)完成。在该实验过程中,可以达到0.25的温度 0K.另外,作为传热​​物质,泵送的液氦在1.5的温度下使用 0K.

具有磁性盐的药丸与散热材料呈热平衡状态,而螺线管中存在强磁场。每当螺线管排出时,磁性药丸都变得热绝热,其温度降低。这种技术称为通过绝热退磁的冷却,是标准实验室技术,用于获得超低温度。然而,这种冰箱的能力及其操作温度范围对于工业应用而言太小。在上世纪60年代提出了更复杂的方法,随着磁场的热再生和循环变化。 1976年,J. Brown(来自NASA)展示了一个再生磁冰箱,在工作温度范围为50 0K已经在房间的温度范围内。然而,在这种情况下,冰箱的功率及其效率仍然很低,因为通过将流体散热器混合来维持的温度梯度,以及充电和放电所需的时间太大。
小型低功耗制冷装置是在几个研究中心的80年代和90年代建造:洛杉矶阿拉莫斯国家实验室,Annapolis,橡树岭国家实验室,宇航员(所有美国),东芝(日本)。目前,几个美国宇航局研究中心基金与紧凑型磁冰箱合作,用于绝热退磁操作原则上的空间应用。美国宇航院(美国,威斯康星州)和维多利亚大学(加拿大)正在进行商业应用磁力制冷机的研究。从应用的角度来看,磁冰箱工作实体体的材料研究,目前正在魁北克(加拿大)(加拿大),NIST的“三河大学”(加拿大Ames)(AMES,爱荷华州)进行了密集的。 Gaithersburg,MD)和公司的先进磁技术和咨询'(AMT&C).
1997年,“美国航天公司”展示了一个相对强大的(600瓦)的磁力制冷机,在接近室温下运行。该冰箱的效率与传统氟利昂冰箱的效率相当。该装置使用有源磁再生器(其中组合热再生器和工作介质的功能),在室温范围内工作超过1500小时,功率为600瓦。对于五个特斯拉磁场的磁场循环,效率约为35%。在该装置中,它用作超导螺线管,作为加工固体,稀醇(Gd)的稀土金属。纯gadolinium不仅由天宇学,而且由美国宇航衣,海军和其他实验室使用,这是由于其磁性,即适用于合适的居里温度(约293 0k)和存在相当显着的磁热效应。因此,MCE幅度以及磁冰箱中的冷却过程的效率由磁性工作体的性质确定。
1997年,AMES研究中心报告了在GD5(Si2GE1-X)化合物中发现了四种巨大的磁热效应。这些材料的磁性有序温度可​​在20个范围内变化 0K至室温由于硅(Si)和锗(Ge)的比率变化。用作工作固体的最有前途是当前是钆金属,基于稀土元素的多种金属化合物,硅化物 - 锗化合物Gd5(Ge-Si)4,以及La(Fe-Si) )13。使用这些材料允许延长冰箱的工作温度范围,其经济指标显着提高。必须指出的是,在莫斯科大学物理部门,研究磁力制冷机的有效合金的开创性工程在莫斯科大学物理部门进行了几年。这些研究人员最完整的结果旨在博士学位论文,莫斯科国立大学物理学院领先的研究助理。 Tishina,1994年。
在这项工作过程中,已经从寻找用于实现不同温度范围内的磁冷却的最佳合金的观点来分析稀土和磁性金属和其他材料的许多可能的组合。特别地,它发现,在具有高磁热性性质的材料中,化合物Fe49RH51(铁 - 铑合金)具有最大的特异性(即,每单位磁场)磁热效应。该化合物的特异性MCE比在硅化物 - 锗酯化合物中大的几倍。这种合金不能在实践中使用,因为它的高成本和没有显着的滞后效应。然而,它可以作为一种标准,用于比较所研究的材料的磁热性质。最后,科学新闻(第161号,第4版,第4,2002页)报告了世界上第一家冰箱设备的创建(这不仅适用于科学目的,也适用于家庭目的)。该等冰箱的工作模式由Astronautics Corporation的美国和Ames实验室联合制造,并于2002年5月首次在底特律的G8会议上展示。拟议的家用磁力制品的工作原型在房间温度范围内运行,并使用永久性磁铁作为场源。该设备由专家和美国能源秘书获得高评价。估计表明,磁冰箱的使用将使美国的总能耗降低5%。计划,例如,可以在人类活动的各种领域中使用磁冷却,例如:
  • 氢液化剂,
  • 基于鱿鱼的高速计算机和设备的冷却装置,
  • 住宅和工业处所的空调,
  • 用于车辆的冷却系统,
  • 家用和工业冰箱等
应该指出的是,磁冰箱的工程已经由美国能源部资助了20年。 

冰箱施工结构

在磁冰箱的产生原型中,使用旋转轮构造装置。它由含有钆粉末的段的轮子以及强大的永磁体组成。

  

这种结构设计成使得车轮滚动通过磁体的工作间隙,其中磁场集中。当用钆的段进入钆的磁场时,产生磁热效应 - 它加热。通过水冷式热交换器除去该热量。当钆离开磁场区时,出现相反的兆的磁热效应并且进一步冷却了材料,使热交换器用其中循环的第二水流冷却。实际上,这种流动用于冻结磁冰箱的冷却室。这种装置紧凑,几乎无声地操作,没有振动,它将其与当前使用的冰箱与蒸汽气体循环区分开来。这项技术首次批准返回2001年9月。目前,正在进行工作来进一步扩大其能力:纯钆的商业生产技术过程及其必要的化合物正在提高,这将允许实现更大的价值MCE以较低的成本。同时,AMES实验室人员构建了永久磁铁,能够产生强磁场。新磁铁在磁冰箱的先前构造中的磁铁中产生了两倍的领域(2001年)。这是非常重要的,因为磁场的大小确定了冰箱的效率和输出功率的参数。提出了用于制备用于工作物质GD5(Si2GE2)的化合物的专利申请,并提出了永磁体的构造。  

优点,缺点和应用

所有磁性冰箱可根据二手磁铁的类型分为两类:
  • 使用超导磁铁的系统;
  • 永磁体上的系统。
其中的第一个具有广泛的操作温度和相对高的输出功率。它们可以例如在大型场所和食品储存设备中使用的空调系统中使用。永磁冷却系统具有相对有限的温度范围(每周期不超过303°K),原则上可用于平均功率(高达100瓦)的器件中使用。例如,作为汽车冷却器或便携式野餐冰箱。但是,它们都具有与传统的联合循环制冷系统相比有许多优势:
  • 低环境危害。 工作体是坚固的,可以容易地从环境中分离出来。用作工作体的镧系金属毒性低,并且可以在处理装置后重复使用。耐热介质必须仅具有低粘度和足够的导热性,这与水,氦气或空气的性质相对应。它们与环境兼容。
  • 高效率。 磁热加热和冷却是几乎可逆的热力学过程,与组合循环冰箱的工作循环中的蒸汽压缩过程相比。理论计算和实验研究表明,磁冷却装置的特征在于效率较高,特别是在室温领域,磁冰箱可能比在气蒸气循环中操作的那些更有效。将来的磁冷却技术可以非常有效,这将显着降低这种装置的成本。
  • 使用寿命长。 该技术涉及使用少量的移动部件和冷却装置中的一些工作频率,这显着降低了它们的磨损。
  • 技术的灵活性。 根据目的,可以使用磁冰箱的不同设计。
  • 冻结的有用财产。 磁性技术允许在每种情况下进行微小的各种物质(水,空气,化学品),每种情况都有微小的变化。相反,有效的组合循环冷却循环需要许多隔离阶段或用于相同程序的不同工作冷却剂的混合物。
  • 超导性发展的快速进展和永磁体的磁性的改善是。 目前,一整数量的知名商业公司成功地从事NDFEB磁铁(最有效的永久磁铁)的性能,并正在处理其结构。除了超导性领域的已知进展之外,这允许希望改善磁冰箱的质量及其同时借气。

磁冷却的缺点

  • 需要屏蔽磁源;
  • 磁场源的相对高的电流价格;
  • 在永磁体系(不超过303°K)中的一个冷却循环中的有限温度范围。