主动蓄冷室温磁制冷机制冷能力的解析计算

发布时间：2019-11-19 05:32

【摘要】：作为一项有望替代蒸汽压缩式制冷的新兴技术,在近十多年中人们对室温磁制冷开展了广泛而深入的研究。磁制冷原理是基于磁热效应。磁热效应可以概括为施加或去除磁场时磁性材料产生温度变化的物理效应。因为可以使用的永磁体一般能产生1.5Tesla左右的磁场,而大部分的磁性材料的绝热温变一般最多不超过3K/Tesla,故磁制冷机中制冷工质的磁热效应温变都难以超过5K每单次。般说来,实际制冷系统需要的温跨至少为20K以上,故蓄冷技术就成为室温磁制冷不可或缺的技术手段,而主动蓄冷(AMR)在各蓄冷方式中最为流行,我们的研究正是围绕AMR展开。当流体流过已经建立起温度梯度的AMR工质床时,蓄冷器中的每一个部分将经历当地温度下的子循环。这一系列的子循环串联起来构成了运用AMR所得到的大温跨。然而这些子循环的高温端和低温端温度都随着流体的流动而不断变化,其串联耦合时相互影响,所以制冷量的计算工作难以用解析的方法实现。近年来有很多模拟和计算室温磁制冷机制冷量的工作,但大部分的工作是通过数值计算进行的,并没有揭示出主动式磁制冷机的参数与性能之间的关系。因此对于主动式磁制冷机制冷量的解析计算对于磁制冷机的设计就显得很有必要。在本硕士论文中,作者提出和建立了一种解析计算方法来处理AMR式的制冷机制冷能力问题。从数值计算的研究结果看,AMR工质床的温度分布存在平台区域,为了研究存在平台区域的情况下制冷机的制冷量,先从AMR工质床温度呈连接低温端、高温端的线性分布入手,即研究无平台时的制冷量；然后研究存在一定长度的平台时的制冷量。两部分研究的主要内容和结果如下：1.对AMR工质床中的温度场做了线性的假设,并假设低温端、高温端流入温度线性分布的流体,计算得出该情况下的制冷量和磁热效应绝热温变的平方成正比,这意味着磁场在提高主动蓄冷式制冷机制冷量上有很重要的作用,尽管磁热效应并不完全和磁场强度呈正比；其次,磁制冷工质的孔隙率、热容量将影响制冷量的大小；最后,制冷量和整个制冷机冷、热端的温跨大小成反比。2.对AMR工质床的温度场由具有一定长度的平台区域和线性区域共同组成的假设,运用研究线性温度场情况下流量的计算公式计算其制冷量,发现制冷量与冷、热端的温跨成反比,并且与磁热效应的绝热温变和材料工作区温度跨度有关；进一步得出了无平台和有平台两种情况下的制冷量计算通式。3.不管有无平台,制冷量都可表达为液体的流量与磁热效应绝热温变的乘积,故大的流量有利于增加制冷功率,但流量与AMR两端温差成反比,故制冷功率的增加是有条件的。
【图文】：

磁制冷机,工作原理,磁性材料

性材料的一种固有属性，是由于外加磁场的变化引起材料磁媳发生变化，，同时伴逡逑随着材料吸热放热的过程。由磁矩原子或磁性离子组成的磁性材料具有一定的热逡逑运动，当无磁场时，磁性材料的内磁矩随机取向，因而具有较大的烟。如图２－１逡逑所示ＩＷ，当施加磁场时，磁矩将和磁化方向取向一致，在等温条件下，磁化过逡逑程使磁工质的煽减少，磁矩有序度增加，向外界等温放热；同理，当去除磁场时，逡逑由于磁性原子或离子的热运动，磁性材料的磁矩又将趁于无序状态，在等温条件逡逑下，磁工质从外界吸取热量，从而达到制冷的目的。逡逑ｉｎ＃W奇逡逑ａ）尤外巧时Ｈ＝０邋ｂ）巧化村Ｈ＞０逦ｃ）退巧安！邋Ｈ＊0巧逡逑图２－１磁制冷机工作原理逡逑从热力学的角度考虑磁热效应是通过一个外部磁场，使磁滴发逡逑生改变，从而得到温度的变化。磁性材料的焰由晶格体系的煽、自由电子体系的逡逑４逡逑

磁热效应

性材料的一种固有属性，是由于外加磁场的变化引起材料磁媳发生变化，同时伴逡逑随着材料吸热放热的过程。由磁矩原子或磁性离子组成的磁性材料具有一定的热逡逑运动，当无磁场时，磁性材料的内磁矩随机取向，因而具有较大的烟。如图２－１逡逑所示ＩＷ，当施加磁场时，磁矩将和磁化方向取向一致，在等温条件下，磁化过逡逑程使磁工质的煽减少，磁矩有序度增加，向外界等温放热；同理，当去除磁场时，逡逑由于磁性原子或离子的热运动，磁性材料的磁矩又将趁于无序状态，在等温条件逡逑下，磁工质从外界吸取热量，从而达到制冷的目的。逡逑ｉｎ＃W奇逡逑ａ）尤外巧时Ｈ＝０邋ｂ）巧化村Ｈ＞０逦ｃ）退巧安！邋Ｈ＊0巧逡逑图２－１磁制冷机工作原理逡逑从热力学的角度考虑磁热效应是通过一个外部磁场，使磁滴发逡逑生改变，从而得到温度的变化。磁性材料的焰由晶格体系的煽、自由电子体系的逡逑４逡逑
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TB651

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