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NEUE GENERATION VON Refrigeration Equipment
VERFAHREN ZUR MAGNETIC COOLING
DE Schweigen
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Magnetische Kältetechnik auf der Fähigkeit von jedem magnetischen Material basiert seine Temperatur und Entropie unter dem Einfluss des Magnetfeldes zu ändern, wie bei der Kompression oder Expansion von Gas oder Dampf in herkömmlichen Kühlschränken auftritt. Eine solche Änderung der Temperatur oder der Entropie des magnetischen Materials mit dem magnetischen Feld, in dem sie sich befindet wird die magnetokalorischen Effekt (MCE) genannt. Änderung der magnetischen Materialtemperatur erfolgt als Ergebnis der Umverteilung der inneren Energie des magnetischen Materials zwischen dem System der magnetischen Momente der Atome und Kristallgitter. Der Maximalwert des FEM erreicht in magnetisch geordneten Materialien wie Ferromagneten, Antiferromagneten, usw., bei Temperaturen von magnetischen Phasenübergänge (magnetische Ordnungstemperatur - Curie, Neel usw.). Der Hauptvorteil der magnetischen Kühlvorrichtungen aufgrund der hohen Dichte Material - einem starren Körper - im Vergleich mit der Dichte des Gases oder Dampfes. Entropieänderung pro Volumeneinheit in der hartmagnetischen Material ist 7 - mal höher als in dem Gas. Dies ermöglicht wesentlich kompakter Kühlschränke ein magnetisches Material als Arbeitsfluid verwendet wird. Unnötig magnetische Arbeitsfluid ist ein Analog von Kältemitteln in herkömmlichen GuD-Kälteanlagen, und der Prozess der Magnetisierungs-Entmagnetisierung verwendet wird - analog Kompressionszyklen - Expansion.
Die Effizienz des Kühlschranks wird hauptsächlich durch die Menge der irreversiblen Arbeit während des Zyklus getan bestimmt - für effiziente Geräte sollte so gering wie möglich sein. Im Gas Kühlschrank gibt es Geräte, die eine erhebliche Menge an irreversiblen Arbeit produzieren - es ist ein Regenerator, einen Kompressor und Wärmetauscher. Ein wesentlicher Teil der Arbeit in irreversible Wärmetauscher durchgeführt wird, - ist die adiabatische Temperaturänderung des Arbeitsfluids direkt proportional, was viel mehr in Gas ist als in dem magnetischen Material. Aus diesem Grund tritt die effizienteste Wärmeübertragung in einem magnetischen Kühlkreislauf, insbesondere beim regenerativen. Die spezielle Wärmetauscher-Design und die Verwendung eines Regenerators mit einem großen Oberflächenbereich kann ein kleiner Bruchteil der irreversible Arbeiten mit magnetischen Kühlung erzielen. Nach theoretischen Schätzungen der Wirksamkeit der magnetischen regenerative Kühlkreislauf in einem Temperaturbereich von 4,5 bis 300 K 38 bis 60% Wirkungsgrad des Carnot - Zyklus (ca. 52% im Temperaturbereich von 20 bis 150 K und etwa 85% im Bereich von 150 sein kann, 300 K). In allen Phasen des Zyklus der Wärmeübergangsbedingungen sind die perfekteste bekannt. Außerdem umfassen magnetische Kühlschränke eine geringe Anzahl von beweglichen Teilen und arbeiten bei niedrigen Frequenzen, die den Kühlschrank Verschleiß zu minimieren ermöglicht und die Zeit der Benutzung zu erhöhen.
Grundlagen der magnetischen Kühlung
MCE wurde vor einiger Zeit entdeckt (1881) E. Warburg (E. Warburg). Warburg durch das Magnetfeld von Eisenprobe beobachtet wird erhitzt oder abgekühlt. Der Wissenschaftler gefolgert, dass die Mustertemperaturänderung eine Folge von Veränderungen in der internen Energie eines Stoffes ist eine Magnetstruktur durch das Feld aufweist. Jedoch war die praktische Verwendung dieses Phänomens noch weit entfernt. Langevin (Langevin, 1905) war der erste , daß eine Änderung führt in der Temperatur der Probe auf eine reversible Änderung der Magnetisierung eines paramagnetischen Materials nachzuweisen.
Eigentlich magnetische Kühlung wurde fast 50 Jahre nach der Eröffnung des FEM unabhängig voneinander von zwei amerikanischen Wissenschaftlern Peter Debye (Peter Debye, 1926) und William Giauque (William Giauque, 1927) als eine Möglichkeit vorgeschlagen , eine Temperatur unterhalb des Siedepunktes von flüssigem Helium zu erreichen. Giauque und Mac Dougall waren die ersten , die ein einfaches Experiment in der magnetischen Kühlung im Jahr 1933 zeigte. (Kurz nachdem es gemacht und de Haas (de Haas, 1933) und Curti (Kurti, 1934). In diesem Experiment konnte die Temperatur 0,25 K und als wärmeabführende Substanz zu erreichen verwendet flüssiges Helium bei 1,5 K. Tablet magnetische Salz gepumpt in einem Zustand des thermischen Gleichgewichts mit einer Wärmesenke-Material war, während in dem Elektromagneten ein starkes Magnetfeld vorhanden war. Wenn die Magnetspule entladen wird, thermisch die magnetische pill isoliert und seine Temperatur abgesenkt wird. Diese Technik, die Kühlung durch adiabatische Entmagnetisierung genannt, ist es eine Standardlabortechnik verwendet ultra-niedrigen Temperaturen zu erzeugen. Allerdings ist die Leistung des Kühlschranks und dessen Betriebstemperaturbereich zu klein für industrielle Anwendungen.
Weitere ausgefeilten Techniken, einschließlich der thermischen Verwertung und zyklischen Veränderungen im Magnetfeld sind in den 60-er Jahren des letzten Jahrhunderts vorgeschlagen. J. Brown von der NASA im Jahr 1976 zeigte die regenerative magnetischen Kühlschrank hat in der Nähe der Raumtemperatur gewesen, mit einem Arbeitstemperaturbereich von 50 K. Leistung und Effizienz des Kühlschranks, und in diesem Fall waren gering, da der Temperaturgradient durch Mischen der wärmeabführenden Flüssigkeit und die erforderliche Zeit zum Laden und Entladen des Magneten zu groß wäre aufrechterhalten werden muss. Los Alamos National Lab, die Marine: Kleine Low-Power - Kühlgeräte wurden in den 80er-90er Jahren in mehreren Forschungszentren gebaut Lab in Annapolis, Oak Ridge National Lab, Astronautics ( alle USA), Toshiba (Japan).
Derzeit arbeiten an den kleinen magnetischen Kühlschränke für Raumfahrtanwendungen, auf dem Prinzip der adiabatische Entmagnetisierung Betrieb, mehrere Forschungszentren der NASA finanziert. Für die kommerzielle Anwendung von Forschungskapazitäten von magnetischen Kühlschränke durchgeführt Astronautics Corporation of America (USA, WI) und der University of Victoria (Kanada). Die Studie Materialien für die Arbeitsorgane der magnetischen Kühlschränke vom praktischen Standpunkt aus gesehen, ist derzeit aktiv im Labor Ames (Ames, Iowa), Three Rivers University in Quebec (Kanada), NIST (Gathersburg, MD) und der Firma "Advanced Magnettechnologie und Consulting" beschäftigt ( AMT & C).
Astronautics Corporation of America im Jahr 1997 hat eine relativ leistungsfähige (600 Watt) gezeigt, das magnetische Kühlschrank in der Nähe von Raumtemperatur arbeitet. Die Wirksamkeit des Kühlschranks ist zu konventionellen Freon-Kälte vergleichbar. Mit aktiven magnetischen Regenerator (in diesem Gerät vereint die Funktionen des Wärmeregenerators und das Arbeitsfluid), den Kühlschrank für mehr als 1500 Stunden in Betrieb, einen Arbeitstemperaturbereich von 10 K nahe der Umgebungstemperatur, Leistung 600 Watt, Wirkungsgrad von etwa 35% in Bezug auf Zyklus Bereitstellung Carnot , wenn die Magnetfeldstärke von 5 Tesla. Die beschriebene supraleitenden Magnetvorrichtung eingesetzt wird , und das Seltenerdmetall in dem Gadolinium (Gd) als Arbeitsfluid verwendet wird . Reines Gadolinium nicht nur als solche Astronautics und NASA, Marine und anderen Laboratorien aufgrund ihrer magnetischen Eigenschaften, nämlich -. Eine geeignete Curie - Temperatur (ca. 20 ° C) und ziemlich großen magnetokalorischen Effekt.
FEM Größe, und damit in den Prozess der Kühlwirkungsgrad wird durch die magnetischen Eigenschaften der magnetischen Kühlarbeitsfluide bestimmt. Im Jahr 1997 kündigte Ames Laboratory die Entdeckung in GD5 Verbindungen (SihGe1-x) 4 Riese magnetokalorischen Effekt. Magnetischen Ordnungstemperatur dieser Materialien kann von 20 K bis Raumtemperatur stark variieren, indem der Gehalt Verhältnis von Silicium (Si) und Germanium (Ge) zu verändern. Die vielversprechendsten für die Verwendung als Arbeitsflüssigkeiten gegenwärtig das Metall Gadolinium Anzahl intermetallischer Verbindungen von Seltenerdelementen betrachtet wird, die System-Silizid - Verbindungen germanidov GD5 (Ge-Si) 4 und eine La (Fe-Si) 13. Die Verwendung dieser Materialien ermöglicht es dem Arbeitstemperaturbereich des Kühlschranks zu erweitern und deutlich die wirtschaftliche Leistung zu verbessern.
Beachten Sie jedoch, dass die Pionierarbeit auf der Suche nach effizienten Legierungen für magnetische Kühlung Bearbeitungsflüssigkeiten wurden vor ein paar Jahren durchgeführt früher im Fachbereich Physik der Staatlichen Universität Moskau. Die vollständigen Ergebnisse dieser Studien sind in einer Doktorarbeit der führenden Forscher der Abteilung für Physik der Staatlichen Universität Moskau AM Stille im Jahr 1994 vorgestellt. Im Zuge dieser Arbeit war es zahlreiche mögliche Kombinationen von Seltenerdmetallen und magnetische und andere Materialien aus dem Gesichtspunkt der Suche nach der optimalen Umsetzung der magnetischen Legierungen abgekühlt, bei unterschiedlichen Temperaturbereichen analysiert. Es wurde festgestellt, insbesondere, daß von den Materialien mit hoher magnetokalorischen Eigenschaften Verbindung Fe49Rh51 (Eisen - Legierung mit Rhodium) hat die höchste spezifische (d.h. pro Einheit des Magnetfeldes) magnetokalorischen Effekt. Die spezifische MCE für diese Verbindung um ein Vielfaches größer als die Silizide Germanide Verbindungen. Diese Legierung kann wegen seiner hohen Kosten, sondern auch erhebliche Hysterese-Effekte in es jedoch in der Praxis verwendet werden, kann es als Maßstab dienen, gegen welche die magnetokalorischen Eigenschaften der Materialien zu vergleichen.
Schließlich Magazin im Januar dieses Jahres, Science News (v.161, n.1, S. 4, 2002) berichtet über die Einrichtung in den Vereinigten Staaten die ersten Verbraucher der Welt (dh anwendbar nicht nur in der Forschung, sondern auch für private Haushalte) Kühlschrank. Ein Arbeitsmodell des Kühlschranks wurde gemeinsam Astronautics Corporation of America und dem Ames Laboratory hergestellt und zuerst an der Big Eight Conference in Detroit Mai 2002 unter Beweis gestellt. Ein Prototyp der vorgeschlagenen Haus magnetischen Kühlschrank arbeitet bei Raumtemperatur und als Quelle eines Permanentmagnetfeld verwendet wird. Sprechen über diese revolutionäre Errungenschaft, Professor Karl Shnaydner des Ames Laboratory, sagte: "Wir sind in der Entwicklung der Technologie ein historisches Ereignis Zeuge demonstrieren vor den magnetischen Kühlvorrichtungen verwendet , um große supraleitende Magnete, aber in diesem neuen magnetischen Kühlschrank zuerst einen Permanentmagneten zu verwenden, die keine Kühlung erforderlich ist ." .
Das Gerät wurde stark von Experten und der Energieminister geschätzt. Schätzungen zeigen , dass die Anwendung von magnetischen Kühlschränke Gesamtenergieverbrauch in den Vereinigten Staaten um 5% zu reduzieren. Es wird erwartet, dass die magnetische Kühlung kann in verschiedenen Bereichen der menschlichen Tätigkeit verwendet werden - vor allem in der Wasserstoff-Verflüssiger, Kühleinrichtungen für High-Speed-Computern und Geräten auf Basis von SQUIDs, Klimaanlagen für Wohn- und Industriegebäuden, Kühlsysteme für Fahrzeuge, die Haushalts- und Industriekühlschränke usw. Es sollte , dass die von der US - Department of Energy in den letzten 20 Jahren gefördert magnetische Kältegerät Arbeit zu beachten.
Die Konstruktion des Kühlschranks
In einem Prototyp eines magnetischen Kältemaschine mit einer rotierenden Achskonstruktion. Es besteht aus einem Rad, umfassend Segmente mit einem Pulver aus Gadolinium und einem starken Permanentmagneten.
Die Konstruktion ist so ausgelegt, dass das Rad über den Arbeitsluftspalt des Magneten gescrollt wird, wobei das Magnetfeld konzentriert. Wenn das Segment mit Gadolinium in einem Magnetfeld in den magnetokalorischen Effekt von Gadolinium Eingabe ist - es erhitzt wird. Diese Wärme wird durch Wärmetauscher gekühlt mit Wasser entfernt. Wenn Gadolinium die Magnetfeldzone verlässt, tritt das Magnetokalorik umgekehrtem Vorzeichen Material und weiter durch Kühlen des Wärmetauscher zirkuliert in dem zweiten Wasserstrom darin gekühlt wird. Dieser Strom wird verwendet, tatsächlich die magnetische Kühlkammer des Kühlschranks zu kühlen. Ein solches Gerät ist kompakt und läuft nahezu geräuschlos und vibrationsfrei, die es von heute Verwendung Kühlschränke mit Dampf- und Gaszyklus unterscheidet.
"Der Permanentmagnet und das Arbeitsfluid in Form von Gadolinium benötigen keine Stromversorgung, - sagt Professor Karl Shnaydner of Energy Ames Laboratory ist erforderlich, um das Rad und den Betrieb der Wasserpumpen zu drehen.".
Zum ersten Mal wurde diese Technologie im September 2001 getestet. Im Moment arbeiten wir an den weiteren Ausbau seiner Fähigkeiten: verbesserte Arbeitsabläufe der kommerziellen Produktion von reinem Gadolinium und seine notwendigen Verbindungen, die für größere Mengen zu geringeren Kosten FEM ermöglichen. Zur gleichen Zeit Mitarbeiter des Ames Laboratory haben einen Permanentmagnet - fähig konzipiert , ein starkes Magnetfeld zu erzeugen. Magnet Neues Feld erzeugt zwei Mal größer als in dem vorhergehenden Magnet magnetischen Kühlschrank - Design (2001), was sehr wichtig ist , weil die Stärke des Magnetfeldes bestimmt die Parameter des Kühlschranks wie Effizienz und Leistungsabgabe. In dem Verfahren eine Verbindung von Desktop - GD5 Körper (Si2Ge2) und den Bau eines Permanentmagneten der Vorbereitung eine Patentanmeldung eingereicht.
Die Vor- und Nachteile der Anwendung
Alle magnetischen Kühlschränke können in zwei Klassen eingeteilt werden, je nach Art der verwendeten Magnete: Systeme supraleitende Magnete verwendet, und ein System auf Basis von Dauermagneten. Die erste von ihnen haben einen weiten Bereich von Betriebstemperaturen und eine relativ hohe Ausgangsleistung. Sie können verwendet werden, beispielsweise in Klimaanlagen in großen Gebäuden und Anlagen Lagerung von Lebensmitteln. Das Kühlsystem auf Permanentmagneten einen relativ begrenzten Temperaturbereich (nicht mehr als 30 ° C pro Zyklus) , und im Prinzip kann in Vorrichtungen mit einer mittleren Leistung (100 Watt) verwendet werden - wie beispielsweise ein Auto Kühlschrank und einem tragbaren Kühlschrank für ein Picknick . Aber sie haben sowohl eine Reihe von Vorteilen gegenüber herkömmlichen Kombikühlsystemen:
Geringe Umweltgefahr: Das Arbeitsfluid - fest und kann leicht von der Umwelt isoliert werden. Angewandt als Metallbearbeitungsflüssigkeiten Lanthaniden haben eine geringe Toxizität und kann nach dem Recycling-Gerät wiederverwendet werden. Kühlkörpermedium muss nur eine geringe Viskosität und eine ausreichende thermische Leitfähigkeit, die gut mit den Eigenschaften von Wasser, Helium oder Luft übereinstimmt. Neueste mit der Umwelt in hohem Maße kompatibel.
Hoher Wirkungsgrad. Magnetokalorische Heizen und Kühlen - praktisch reversiblen thermodynamischen Prozess, im Gegensatz zu dem Verfahren in der Dampfkompressionszyklus Betriebs kombinierten Zyklus Kühlschrank. Theoretische Berechnungen und experimentelle Studien zeigen, dass die magnetischen Kühlsysteme einen höheren Wirkungsgrad haben und Wirtschaft. Insbesondere im Bereich der Raumtemperatur magnetische Kühlschränke potenziell 20-30% effizienter als auf Dampf - Kreislauf betrieben wird . Magnetische Kältetechnik auf lange Sicht kann sehr effektiv sein, was die Kosten stark von solchen Anlagen zu reduzieren.
Längere Lebensdauer. Die Technik beinhaltet die Verwendung einer geringen Anzahl von beweglichen Teilen und geringen Betriebsfrequenzen in den Kühlvorrichtungen, die Abnutzung erheblich verringert.
Die Flexibilität der Technologie. Möglich, verschiedene Designs magnetischen Kälte Abhängigkeit von dem Zweck zu verwenden.
Nützliche Eigenschaften von Frost. Magnettechnik ermöglicht zum Kühlen und Einfrieren von verschiedenen Substanzen (Wasser, Luft, Chemikalien) mit geringfügigen Änderungen für jeden Fall. Im Gegensatz dazu erfordert eine effiziente Kühlung Dampf-Gas-Zyklus viele getrennte Schritte oder Mischungen verschiedener Bearbeitungsflüssigkeiten, für die gleichen Verfahren zu kühlen.
Rasche Fortschritte in der Entwicklung der Supraleitung und der Verbesserung der magnetischen Eigenschaften der Permanentmagnete. Derzeit sind eine Reihe von namhaften Unternehmen der gewerblichen Wirtschaft erfolgreich die Eigenschaften von NdFeB - Magneten bei der Verbesserung der (die wirksamsten Permanentmagneten) und arbeiten an ihren Entwürfen. Neben der bemerkenswerten Fortschritte auf dem Gebiet der Supraleitung gibt es Hoffnung für die Verbesserung der Qualität der magnetischen Kühlschränke und deren gleichzeitigen Verringerung des Preises.
Nachteile magnetische Kühlung
- Die Notwendigkeit für das Screening der Magnetquelle.
- Der relativ hohe Preis im Moment der Magnetfeldquellen.
- Begrenzte Temperaturwechselintervall in einem Kühlkreislauf in einem Permanentmagnetsysteme. (Nicht mehr als 30 ° C).
Wird Russland sverhperspektivnuyu die Technologie unabhängig entwickeln?
In unserem Land gibt es bisher magnetische Kühlung Problem nur auf der Ebene von Forschungslabors, obwohl russische Wissenschaftler in den frühen 90-er Jahren für die Schaffung von magnetischen Kühlschränke die erste Arbeit über die Theorie und Praxis der Anwendung der FEM durchgeführt. In Zusammenarbeit mit den Mitarbeitern der Firma "Advanced Magnettechnologie und Beratung" und der Fakultät für Physik, der Staatlichen Universität Moskau seit vielen Jahren Schöpfer eines funktionierenden Prototyp eines magnetischen Kühlschrank arbeitet, die oben diskutiert wurde. Leider ist in Russland sind diese Entwicklungen in einem unzureichenden Niveau, weil der Mangel an Mitteln. Es besteht kein Zweifel, dass mit geeigneten finanziellen Unterstützung durch den Staat oder kommerziellen Strukturen Entwicklung der Technologie und der Herstellung von Magnet Kühlschränke in Russland auf jeden Fall möglich ist. Wir glauben, dass es notwendig ist, in der nahen Zukunft in dieser Richtung alle Beteiligten an die Arbeit bringen.
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Autor: DE Schweigen
PS Material geschützt.
Erscheinungsdatum 08.12.2004gg
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