Магнитное охлаждение своими руками
Обновлено: 08.07.2024
Магнитное охлаждение. Как это работает или что это такое? В основном это реализуется с помощью материалов особого рода. Это специальные металлические сплавы, которые меняют свои свойства в присутствии магнитного поля. Если вы возьмете этот сплав, и положите его на магнит, то он изменит свою температуру. То есть, если вы приблизите сплав к магниту , то он становится горячим, и если вы уберете его от магнита, то он становится холодным. Мы использовали этот сплав для генерации полезного охлаждения, и создания того, что называется тепловым насосом. Тепловой насос как и компрессор в вашем холодильнике, забирает тепло из отдела с низкой температурой и перемещает его в отдел с высокой температурой. Так работает любой холодильник, он забирает тепло из вашей холодильной камеры и переправляет тепло в вашу кухню. Это регенератор. Он содержит материал с магнитокалорическим эффектом. Первым делом его помещают в магнитное поле, и пропускают жидкость через него, и жидкость мы используем для удаления тепла и доставки тепла из холодильника. Поэтому в основном мы должны доставить эту вещь в магнитном поле. Итак, что мы делаем, возьмем эти магниты и этот регенератор помещается внутрь магнитов, как здесь. А потом, когда мы активируем магниты, мы можем изменить поле и перекачать жидкость до горячей и холодной стороны, как мы их называем. Что же происходит, когда машина работает. На этой стороне мы используем пару поршней для перемещения жидкости по кругу. И это та же самая жидкость, которая движется через регенератор и забирает тепло и холод. Здесь мы используем эти теплообменники, чтобы имитировать среду на вашей кухне, мы можем изменять температуру от 24 до 32 градусов в зависимости от климата. Вот наши регенераторы, жидкость движется вниз, они перетекает в регенераторы, которые находятся внутри магнитного поля. Видите, как двигаются магниты. Когда магниты движутся по кругу, они включают и выключают поле. Это в свою очередь, делает материал холодным и горячим. Когда материал горячий, мы пускаем воду в направлении горячего теплообменника, о которых мы только что говорили. А потом, когда магниты пойдут другим путем и материал становится холодным, мы пускаем воду в противоположном направлении вниз к охлаждающей секции, которая начинает охлаждать. Итак, мы начали с огромной машины, с низкой производительностью. Мы разработали этот прототип размером с корзину, он очень мобильный и он может использоваться для самых разных испытаний. Но цель в том, чтобы уменьшить его до размера, который мы сможем установить в холодильник, и это будет выглядеть примерно так. И он будет в состоянии поддерживать все продукты холодными, поддерживать низкую температуру в морозильнике и делать все это в действительно компактном размере.
_
Компания GE анонсировала выпуск холодильных установок на основе магнитокалорического эффекта и показала опытную установку. В ней нет ни сжижаемых хладагентов, ни компрессоров. Отсутствуют даже термоэлектрические преобразователи (элементы Пельтье), столь популярные в автомобильных холодильниках, туристическом снаряжении и экзотических системах охлаждения компьютеров.
Конструкция магнитного холодильника довольно проста. Какой-либо объект (бутылка воды, радиатор чипа, воздух в камере) охлаждается, отдавая своё тепло металлическим пластинам. Они контактируют с теплоносителем, во внутренней структуре которого под действием магнитного поля происходят обратимые циклические изменения.
Для лабораторных исследований список веществ, подходящих на роль теплоносителя в магнитном холодильнике, исчисляется десятками. Он включает ферро-, антиферро- и ферримагенитки, но практически значимый магнитокалорический эффект сильнее всего выражен у некоторых парамагнетиков.
В зависимости от конкретной технической задачи основным теплоносителем может служить парамагнитный материал в различном агрегатном состоянии. Обычно удобнее использовать окись азота или алюминий.
Молекулы парамагнетиков полярные, то есть обладают магнитным моментом. В обычном состоянии они ориентированы беспорядочно из-за теплового движения. Во внешнем магнитном поле они стремятся расположиться в направлении магнитных линий. За счёт этого внутренняя структура парамагнетиков временно становится более упорядоченной. Происходит обратимое понижение энтропии, приводящее к снижению температуры.
Экспериментальная холодильная установка на основе магнитоэлектрического эффекта (фото: General Electric).
В экспериментах эффект хорошо наблюдается в адиабатических условиях, то есть при наличии теплоизолирующей оболочки вокруг парамагнетика. Если же её убрать, то обмен с окружающей средой приведёт к выравниванию температуры. Подвергаясь действию переменного магнитного поля, парамагнетики сначала аккумулируют тепло (понижая температуру воздуха и более нагретых тел вокруг себя), а затем отдают его на радиатор в следующем цикле. Далее, как и в любой холодильной установке, тепло уносится во внешнюю среду.
По оценкам GE, магнитокалорическое холодильное оборудование вытеснит компрессорное в течение ближайших десяти лет.
Идея создавать магнитные холодильные установки была предложена очень давно. Профессор Фрайбургского университета (Германия) Эмиль Габриель Варбург описал тепловые эффекты в парамагнетиках ещё в 1881 году. Долгое время работа не находила применения, поскольку создаваемые установки отличались низкой производительностью.
Спустя столетие, в 1980-х, исследователи Лос-Аламосской национальной лаборатории (США) смогли получить практически значимый магнитокалорический эффект при помощи дорогостоящего магнита со сверхпроводящей обмоткой.
Экономически целесообразными такие системы удалось сделать только недавно — за счёт применения новых материалов и подходов к реализации процесса теплообмена. Вместо создания переменного магнитного поля с помощью катушек индуктивности GE предлагает использовать вращение постоянных неодимовых магнитов.
Такой метод снижает затраты электроэнергии и позволяет создавать экономичные магнитные холодильники. По предварительным расчётам, их энергоэффективность превосходит традиционные системы охлаждения на 20%. Экспериментальная установка далека от показателей будущих серийных моделей, но уже легко превращает воду в лёд.
Эту статью могут комментировать только участники сообщества.
Вы можете вступить в сообщество одним кликом по кнопке справа.
Возможно, когда-то у нас дома будут стоят холодильники, работающие не на химических компонентах и промышленных охладителях. Работать они будут на базе магнитных систем охлаждения, которые, в свою очередь, будут использовать примерно такие же магниты, с которыми многие из нас играли в детстве — цепляли их к большим металлическим объектам и поднимали с помощью них маленькие металлические объекты.
При воздействии магнитов на металлические объекты мы на самом деле несознательно нагревали эти металлические предметы. И не просто потому, что держали эти предметы в своих горячих руках. Дело в том, что магнитные поля могут нагревать металл. И это явление называется магнетокалорическим эффектом. Когда металл находится в состоянии покоя и на него не воздействуют внешние раздражители, то его электроны двигаются в любых возможных направлениях.
Поэтому если мы подносим к металлу магнит, он начинает нагреваться. Эффект нагрева при использовании большинства металлов практически незначительный, однако есть металлы, которые в таком случае нагреваются очень сильно. К таким металлам относится, например, гадолиний. Казалось бы, магнетокалорический эффект больше подходит для готовки еды, а не для ее заморозки.
Однако этот эффект может обладать и обратным действием. Если кусочек металла находится под воздействием магнитного поля и это поле затем убирают, то металл начинает охлаждаться.
Большинство магнитных холодильников, проходящих сейчас испытания в научных лабораториях, могут охлаждать таким методом небольшие объекты. На металл, находящийся под воздействием магнитного поля, наносится специальная субстанция, чаще всего гелий. Эта субстанция забирает чрезмерное тепло, металл охлаждается, а затем убирается магнитное поле, что делает металл очень холодным.
Достаточно холодным, чтобы его можно было использовать в качестве охладителя. Принцип магнитного охлаждения известен довольно давно, однако его домашнее использование кажется пока несбыточной мечтой. Будем надеяться, что в конечном итоге возможности магнитных систем охлаждения, их эффективность, бесшумность и пониженная потребность в использовании химических хладагентов однажды смогут вывести их на рынок.
Производство марганец-цинковых ферритов и влияние состава на их свойства
Научный руководитель: д.т.н., проф. Прилипко Юрий Степанович
Задача создания компактного, экологически безопасного, энергетически эффективного и высоконадежного холодильника, работающего в диапазоне комнатных температур, чрезвычайно актуальна в настоящее время. Это обусловлено целым рядом серьезных претензий к ныне действующим охлаждающим системам. Известно, в частности, что при эксплуатации используемых в настоящее время возможны утечки рабочих газов (хладагентов), вызывающих такие серьезные экологические проблемы как разрушение озонового слоя и глобальное потепление. Среди разнообразных альтернативных технологий, которые могли бы использоваться в холодильных устройствах, все большее внимание исследователей во всем мире привлекает технология магнитного охлаждения. Интенсивные работы, посвященные магнитному охлаждению, ведутся во многих лабораториях и университетах Европы, США, Канады, Китая и России. Магнитный холодильник экологически безопасен и позволяет значительно снизить потребление электроэнергии. Последнее обстоятельство чрезвычайно важно с учетом поистине огромного количества холодильных установок, используемых человеком в самых различных областях его деятельности.
Технология магнитного охлаждения основана на способности любого магнитного материала изменять свою температуру и энтропию под воздействием магнитного поля, как это происходит при сжатии или расширении газа или пара в традиционных холодильниках. Такое изменение температуры или энтропии магнитного материала при изменении напряженности магнитного поля, в котором он находится, называется магнитокалорическим эффектом (МКЭ). Изменение температуры магнитного материала происходит в результате перераспределения внутренней энергии магнитного вещества между системой магнитных моментов его атомов и кристаллической решеткой. Максимальной величины МКЭ достигает в магнитоупорядоченных материалах, таких как ферромагнетики, антиферромагнетики и т.п., при температурах магнитных фазовых переходов (температурах магнитного упорядочения - Кюри, Нееля и т.д.). Главное преимущество аппаратов для магнитного охлаждения связано с высокой плотностью материала – твердого тела - по сравнению с плотностью пара или газа. Изменение энтропии на единицу объёма в твёрдых магнитных материалах в 7 раз выше, чем в газе. Это позволяет делать значительно более компактные холодильники, используя в качестве рабочего тела магнитный материал. Само магнитное рабочее тело служит аналогом хладагентов, используемых в традиционных парогазовых холодильных установках, а процесс размагничивания-намагничивания – аналогом циклов сжатия – расширения.
Эффективность работы холодильника главным образом определяется количеством необратимой работы, производимой в течение цикла – для эффективных устройств оно должно быть как можно ниже. В газовом рефрижераторе существуют устройства, производящие значительное количество необратимой работы - это регенератор, компрессор и теплообменники. Значительная часть необратимой работы производится в теплообменниках - она прямо пропорциональна адиабатическому изменению температуры рабочего тела, которое значительно больше в газе, чем в магнитном материале. По этой причине наиболее эффективный отвод тепла происходит в магнитном холодильном цикле, особенно в регенеративном. Специальная конструкция теплообменника и использование регенератора с большой площадью поверхности позволяют добиться малой доли необратимой работы при магнитном охлаждении. В соответствии с теоретическими оценками эффективность магнитного регенеративного холодильного цикла в температурном диапазоне от 4.5 до 300 К может составлять от 38 до 60 % эффективности цикла Карно (около 52 % в интервале температур от 20 до 150 К, и около 85% в интервале от 150 до 300 К). При этом на всех этапах цикла условия теплопередачи будут наиболее совершенными из известных. Кроме того, магнитные холодильники включают в себя небольшое количество движущихся деталей и работают при низких частотах, что позволяет свести к минимуму износ холодильника и увеличить время его эксплуатации.
Разработанный учеными из НИТУ "МИСиС" и Тверского государственного университета холодильник принципиально отличается от тех, которые стоят в наших квартирах. Как известно, в обычном устройстве работает фреон или другой газ, который сжимается компрессором, а после резкого расширения испаряется и охлаждается. По поводу таких холодильников высказано много серьезных претензий. Прежде всего это утечки хладагентов, вызывающих такие серьезные экологические проблемы, как разрушение озонового слоя и глобальное потепление. Еще один минус - огромный расход энергии. Они поглощают в наших квартирах до 20-40 процентов всей электроэнергии. А на планете технологии холода тратят около 10 процентов всей вырабатываемой электроэнергии. Неудивительно, что ведущие лаборатории мира давно ищут альтернативу традиционным системам охлаждения.
Ученые НИТУ "МИСиС" и Тверского государственного университета предложили принципиально новую систему охлаждения - магнитную. В ее основе так называемый магнетокалорический эффект, проще говоря, изменение температуры материала при его намагничивании или размагничивании.
Технически это выглядит довольно просто - металлический брусок, вращаясь вокруг оси, то входит в магнитное поле и нагревается, то выходит из него и охлаждается. И что принципиально важно, охлаждается до температур более низких, чем окружающая среда. (Дело в том, что при намагничивании бруска происходит упорядочивание магнитных моментов его микрочастиц, а при выходе из поля этот порядок разрушается за счет внутренней энергии материала, что и вызывает охлаждение до температур ниже, чем в окружающей среде). На этом эффекте и работает магнитный холодильник.
- В нашей установке сделанное из гадолиния рабочее тело в магнитном поле напряженностью в 1 тесла охлаждается на три градуса, - говорит один из авторов проекта, сотрудник НИТУ "МИСиС" кандидат физико-математических наук Дмитрий Карпенков. - Когда пропускаем через гадолиний воду, она охлаждается и направляется в холодильную камеру. Понятно, что охлаждение всего на три градуса никого не интересует, нужно гораздо больше. А вот тут собственно и начинается самое интересное в российской разработке. Ученые применили каскадное охлаждение, которое позволяет три градуса превратить как минимум в девять.
- На вращающемся в магнитном поле диске мы расположили 14 каскадов из гадолиния, где каждый должен охлаждать последующий на три градуса, - говорит Карпенков. - Но это в идеале, а в реальности при комнатной температуре в 22 градуса нам удалось довести температуру в холодильной камере до 11 градусов. А если вместо гадолиния применить другие материалы, то можно снизить температуру до семи градусов и даже ниже.
А это уже настоящий холодильник. По словам Карпенкова, сам принцип каскадного охлаждения хорошо известен, но воплотить его в конкретной установке очень непросто. Все известные на сегодня в мире прототипы магнитного холодильника получаются очень сложными, ненадежными и неэффективными. Российским ученым впервые удалось преодолеть эти трудности. За счет чего?
Есть в конструкции несколько ноу-хау, которые отличают ее от всех прототипов, что и позволило резко поднять эффективность нового холодильника. Во-первых, в нем вообще нет нагнетательных насосов, воду гоняет само рабочее тело. А это резко снижает потребление энергии, делает конструкцию простой и компактной. Во-вторых, воду, которая отбирает тепло у нагретого рабочего тела, и воду, которая забирает холод у охлажденного, разделили на два потока. Это тоже позволило существенно упростить конструкцию установки. В-третьих, чтобы добиться максимального эффекта, надо рабочее тело очень быстро вращать в магнитном поле. Сейчас диск с каскадами делает один оборот в секунду.
Каков результат? Энергоэффективность нового холодильника оказалась на 40 процентов выше, чем у традиционных систем. В то же время он намного компактнее, надежнее и легче своих конкурентов. Наконец, он обходится без ядовитого хладагента, причиняющего ущерб окружающей среде. В настоящее время ученые проводят серию лабораторных тестов своей установки.
Читайте также: