室温磁制冷微元回热循环机理及传热研究

发布时间：2020-04-18 03:55

【摘要】：随着国际社会环保需求的不断提高,制冷剂替代的压力与日俱增,制冷剂替代不仅仅是制冷行业的的挑战,已成为国家行动,乃至全球性的环境保护行动。因此,制冷工业界迫切地寻找新的发展和新的出路。室温磁制冷作为一种绿色高效的制冷技术,被公认为是应对制冷剂替代的重要研究方向和技术方案。室温磁制冷研究目前依然存在运行频率低、传热损失大、回热效率低、系统复杂、温跨与制冷量小等难题。因此,从新型室温磁制冷回热循环机理层面上进行研究和探索,对室温磁制冷技术的发展和应用具有重要的意义。本文从室温磁制冷理论循环出发,分析各种循环方式的原理和实际应用效果,总结现有室温磁制冷循环的优势与不足,探究影响室温磁制冷性能的主要因素,并基于主动式回热器(Active Magnetic Refrigerator,AMR)构建具有多种循环模式的室温磁制冷复合循环系统,循环模式可分为主动回热式串联循环、主动回热式并联循环和主动回热式复叠循环。通过搭建相应的实验台,在同一系统基准下开展三种不同循环模式的室温磁制冷性能实验测试,研究和分析三种不同循环的循环特性,并得到各自制冷性能参数随工况的变化情况。实验测试结果表明,三种循环工作模式下的循环比制冷量均随着系统温跨的增大而减小,变化趋势基本呈线性负相关关系。与被广泛应用在高性能室温磁制冷机中的主动回热式并联循环相比,主动回热式复叠循环可以将循环温跨提高57%,证明其是具有潜力的室温磁制冷系统设计方案。基于以上研究并针对基于传统AMR循环的室温磁制冷系统存在的固有问题,提出室温磁制冷微元回热循环理论模型。传统AMR采用流体与固体磁热性材料传热的方式回热,流体交替流动的频率受限、传热和回热温差大、流-固传热损失大,为了将回热过程在恰当的时间和合适的空间上进行合理的配置,摆脱采用换热流体进行回热的惯性思维,采用固-固直接传热的回热解决方案和“空间换时间”的系统设计方案,提出室温磁制冷微元回热循环实现方式。通过磁热力学理论分析和数值模拟的方法研究微元回热循环的循环特性和传热特性,并进一步研究了结构参数和运行工况对微元回热循环制冷性能的影响。结果表明微元回热循环具有较高的回热效率,在建立大循环温跨上有独特的优势,理论最大循环温跨可达到50.9 K,并且能同时获得较好的制冷效果和较高的能源效率。考虑到传热速率是影响微元回热循环制冷性能的重要因素,因此从传热结构和传热方式入手,研究微元回热循环模型中的传热、回热过程的优化方法。通过传热强化机理分析、优化方法研究、实验验证和数值模拟等手段,研究并对比不同的传热优化结构、传热方式、传热特性及它们之间的相互关系对整个微元回热循环制冷性能的影响。在微元格内部采用传热优化结构后的循环最大比制冷量比不采用优化结构提高了391%;在微元回热器之间采用帕尔帖模块强化传热后,最大比制冷量可高达160.9 W kg~(-1),制冷性能提升幅度为82%~149%。最后,基于上述各方面的机理研究和实验研究成果,从实际角度出发,设计了新型纯固态室温磁制冷系统的总体方案和各关键部件的方案。通过永磁场系统仿真、系统三维动网格仿真等手段,研究了实际纯固态室温磁制冷系统的磁场性能参数和相应的最佳配置方案,论证传热结构优化方法和几种潜在系统优化方案的可行性。考虑了多种实际影响因素的系统仿真结果表明,所设计永磁体磁场系统的间隙磁场区域磁场强度大小分布较均匀,磁场强度平均值为0.65 T,基本能满足微元回热循环的运行要求。此外,在间歇旋转和连续旋转两种不同旋转模式下,系统温跨分别可达到14.1 K和19.0 K,满足实际应用需求。本文开展了室温磁制冷回热循环机理研究,创造性地提出室温磁制冷微元回热循环理论模型和固态磁制冷传热强化方法,在微元回热循环理论模型、微元回热循环系统设计和优化、微元回热器传热强化和纯固态室温磁制冷应用潜力提升等方面做出了具有理论意义和实际应用价值的探索,为推动室温磁制冷技术进步提供理论研究新方法。
【图文】：

第二章 室温磁制冷复合循环理论研究及系统设计，加磁过程可以是 AMR 移动进入磁场或者磁体移动至 AMR 上移动，将右侧冷端部分的换热流体泵送至左侧热端换热器中，换吸收由于加磁导致的温度升高而传递的热量，此过程可称为“冷流较低温度温换热流体向 AMR 流动的换热、回热过程。再次，AMR 各处磁热性材料在原温度的基础上降低一定温度，温变值取决下的大小。最后，往复泵向左侧移动，把经过热端换热器散热后，，换热流体在流动过程中不断被磁热性材料冷却，在 AMR 右侧到最低，然后进入冷端换热器吸热制冷，此过程可称为“热流动

第二章 室温磁制冷复合循环理论研究及系统设计及参数复合系统使用由中国西南应用磁学研究所设计制造的设计磁场强度为 15000 高斯，即 1.5 特斯拉（T）。磁体存在磁场强度不均匀和漏磁现象，且磁场强度对磁热搭建之前首先对磁体间隙磁场中的磁场强度分布情况0A 高斯计，量程 0~2T，测量精度为±5%。分别测量 水平角度方向上的磁场强度变化（见图 2-10 所示坐标轴原点、左侧边界的中点为角度 θ 起点，测得的磁场强
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB61

【参考文献】

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本文编号：2631688