磁制冷核心问题及高效利用新方式
发布时间：2021-08-26 10:19
旋转式磁制冷机是目前室温磁制冷机的主流技术方案,本文针对制约现有磁制冷机的关键因素,综述了磁回热器的高效传热、多组磁回热器的流路控制、多层磁工质复叠制冷及磁体、系统集成等核心问题的最新研究进展并提出了发展方向,深入总结了通过复合制冷的方式拓展磁制冷应用范围及制冷性能的途径及潜力,以助于明确未来磁制冷的研究方向,为研发高性能磁制冷机提供思路。
【文章来源】：制冷学报. 2020,41(03)北大核心CSCD
【文章页数】：15 页
【部分图文】：
热二极管在磁制冷机中的应用原理[25]
德国弗劳恩霍夫研究所的团队提出了应用水或乙醇的气液相变提高磁制冷机对流传热系数的方法[21]。在两相磁制冷机中，回热器由多组气密的磁工质床串联构成，在相邻磁工质间室之间设有单向阀，单向阀流动方向与磁体转动方向一致，最上游的磁工质间室与低温换热器间室通过单向阀相连接，最下游的磁工质间室通过单向阀与高温换热器间室相连接，高温换热器间室与低温换热器间室通过节流阀或毛细管相连接。使用气液相变传热模式的磁制冷机流程如图1所示。当磁体进入1号间室时，内部的磁工质受磁场作用放热，热量使间室内部的液体工质沸腾，间室1压力升高直至超过间室2的压力，此时，连通间室1和间室2的单向阀允许沸腾后的气体工质进入间室2并冷凝，完成间室1内磁工质床的放热过程。之后，磁体离开间室1，进入间室2。间室1内的磁工质退磁温度降低，导致间室压力低于低温换热器间室压力，使其内部液体沸腾吸热，在低温换热器间室内产生制冷效应。间室1与间室2之间的单向阀保证气液工质不会反向流回间室1。类似的，在图1中当磁体不断从左侧向右侧移动(旋转)时，气液工质不断地从最左侧的低温换热器间室蒸发吸热，自左向右以潜热形式携带热量，直至从最右侧间室进入高温换热器间室，向环境散热。为了实现气液工质的流量平衡，节流阀或毛细管在维持高、低温换热器间室的压差前提下保证对低温换热器的持续供液。第二种技术路线是使用固-固接触传热的设计方案。华南理工大学提出了一种无液态热交换流体的设计方案[22-23]。新设计包含两组在圆周方向布置的等径同心磁工质床，每组磁工质在圆周方向被绝热材料分隔为均匀排布的多组单元，且分隔密度相同，微元回热无传热流体的磁制冷系统原理如图2所示。两组磁工质床轴向分别与安装在中间位置的传热板接触。传热板由被绝热材料分隔均匀排布的铜片单元构成。两个磁工质床内部的两个磁工质单元分别与高温热汇接触，另外两个磁工质单元与低温热源接触。磁工质床A从高温热汇向低温热源的半侧布置永磁体，磁工质床B自低温热源向高温热汇的另外半侧布置永磁体。系统运行时，两个磁工质床的转动方向相反，磁工质床A内部经历加磁和向高温热汇放热后仍处于较高温状态的磁工质单元能够被磁工质床B内尚未进入磁场的低温状态磁工质单元预冷，实现回热。同时，磁工质床B内尚未进入磁场区域的磁工质单元被尚处于较高温度的磁工质床A内的磁工质单元预热。两组磁工质床间的回热热交换通过铜片导热进行，具有较高的传热速率。另一个类似的固-固接触传热的设计由橡树岭实验室提出，使用往复运动的铜管替代液态热交换流体的交变流动，铜管通过润滑剂与带通孔的磁工质回热器进行热交换[24]，但是铜管的涡流损耗和更大的轴向导热损耗是制约其制冷性能的重要因素。
第二种技术路线是使用固-固接触传热的设计方案。华南理工大学提出了一种无液态热交换流体的设计方案[22-23]。新设计包含两组在圆周方向布置的等径同心磁工质床，每组磁工质在圆周方向被绝热材料分隔为均匀排布的多组单元，且分隔密度相同，微元回热无传热流体的磁制冷系统原理如图2所示。两组磁工质床轴向分别与安装在中间位置的传热板接触。传热板由被绝热材料分隔均匀排布的铜片单元构成。两个磁工质床内部的两个磁工质单元分别与高温热汇接触，另外两个磁工质单元与低温热源接触。磁工质床A从高温热汇向低温热源的半侧布置永磁体，磁工质床B自低温热源向高温热汇的另外半侧布置永磁体。系统运行时，两个磁工质床的转动方向相反，磁工质床A内部经历加磁和向高温热汇放热后仍处于较高温状态的磁工质单元能够被磁工质床B内尚未进入磁场的低温状态磁工质单元预冷，实现回热。同时，磁工质床B内尚未进入磁场区域的磁工质单元被尚处于较高温度的磁工质床A内的磁工质单元预热。两组磁工质床间的回热热交换通过铜片导热进行，具有较高的传热速率。另一个类似的固-固接触传热的设计由橡树岭实验室提出，使用往复运动的铜管替代液态热交换流体的交变流动，铜管通过润滑剂与带通孔的磁工质回热器进行热交换[24]，但是铜管的涡流损耗和更大的轴向导热损耗是制约其制冷性能的重要因素。第三种技术路线是将固-固接触传热与强化对流传热相结合。卢布尔雅那大学提出了使用固态热二极管的新型磁制冷机技术原理[25-26]，如图3所示，磁工质分别与热二极管A和热二极管B相接触，传热模式为固-固接触及导热热交换。主动型热二极管指的是可以通过某种激励源(通常是电信号)控制其在高效导热和绝热两种状态间快速切换的装置。热二极管的另一侧与热交换流体相接触，可以使用微通道结构增大换热比表面积，因此，尽管磁工质与热交换流体间增加了热二极管的接触热阻、导热热阻及其与热交换流体的对流传热热阻，但相比图2案例仍可以降低总热阻。当对磁工质施加磁场时，热二极管A激活，从磁工质吸热，向高温热交换流体放热，热二极管B关闭变为绝热，避免热量从磁工质传递至低温热交换流体;当磁工质退磁时，热二极管B激活，磁工质冷却热二极管B，进而将冷量传递至低温热交换流体，此时，热二极管A关闭变为绝热，避免热量从高温热交换流体通过热二极管A传递至磁工质[27-28]。此外，该方案保证了传热流体的单向流动，热二极管流体侧的压降损失也小于传统的磁回热器，有利于驱动泵的高效连续运行，同时避免了热交换流体与磁工质的直接接触，可避免热交换流体对磁工质的腐蚀问题。理想的高效切换热二极管仍有待开发，同时相关的逆向漏热也可能导致显著热损失。
【参考文献】：
期刊论文
[1]热磁发电技术研究进展[J]. 朱顺敏,罗二仓,龙克文. 中国电机工程学报. 2017(14)
[2]室温磁制冷技术的研究进展[J]. 李振兴,李珂,沈俊,戴巍,高新强,郭小惠,公茂琼. 物理学报. 2017(11)
[3]小型室温磁制冷系统的研制[J]. 李振兴,李珂,沈俊,戴巍,贾际琛,郭小惠,高新强,公茂琼. 低温工程. 2017(01)
[4]旋转式室温磁制冷机的调试[J]. 王旭,李兆杰,程娟,闫宏伟,张应德,刘翠兰,金培育,黄焦宏. 能源工程. 2015(01)
[5]筒式永磁室温磁制冷机的研制[J]. 金培育,黄焦宏,闫宏伟,杨占峰,张英德,李兆杰. 稀土. 2014(05)
[6]磁制冷技术的新进展[J]. 金培育,黄焦宏,杨占峰,闫宏伟,刘翠兰,程娟. 稀土. 2014(03)
[7]改进前后复合磁制冷机实验研究对比[J]. 和晓楠,公茂琼,张弘,沈俊,戴巍,吴剑峰. 工程热物理学报. 2013(11)
[8]室温磁制冷活性蓄冷器制冷性能的实验研究[J]. 高强,俞炳丰,王从飞,张斌,张艳. 西安交通大学学报. 2005(07)
[9]使用永磁体的室温磁制冷样机研究[J]. 卢定伟,俞力,金新. 低温工程. 2003(04)
本文编号：3364058
【文章来源】：制冷学报. 2020,41(03)北大核心CSCD
【文章页数】：15 页
【部分图文】：
热二极管在磁制冷机中的应用原理[25]
德国弗劳恩霍夫研究所的团队提出了应用水或乙醇的气液相变提高磁制冷机对流传热系数的方法[21]。在两相磁制冷机中，回热器由多组气密的磁工质床串联构成，在相邻磁工质间室之间设有单向阀，单向阀流动方向与磁体转动方向一致，最上游的磁工质间室与低温换热器间室通过单向阀相连接，最下游的磁工质间室通过单向阀与高温换热器间室相连接，高温换热器间室与低温换热器间室通过节流阀或毛细管相连接。使用气液相变传热模式的磁制冷机流程如图1所示。当磁体进入1号间室时，内部的磁工质受磁场作用放热，热量使间室内部的液体工质沸腾，间室1压力升高直至超过间室2的压力，此时，连通间室1和间室2的单向阀允许沸腾后的气体工质进入间室2并冷凝，完成间室1内磁工质床的放热过程。之后，磁体离开间室1，进入间室2。间室1内的磁工质退磁温度降低，导致间室压力低于低温换热器间室压力，使其内部液体沸腾吸热，在低温换热器间室内产生制冷效应。间室1与间室2之间的单向阀保证气液工质不会反向流回间室1。类似的，在图1中当磁体不断从左侧向右侧移动(旋转)时，气液工质不断地从最左侧的低温换热器间室蒸发吸热，自左向右以潜热形式携带热量，直至从最右侧间室进入高温换热器间室，向环境散热。为了实现气液工质的流量平衡，节流阀或毛细管在维持高、低温换热器间室的压差前提下保证对低温换热器的持续供液。第二种技术路线是使用固-固接触传热的设计方案。华南理工大学提出了一种无液态热交换流体的设计方案[22-23]。新设计包含两组在圆周方向布置的等径同心磁工质床，每组磁工质在圆周方向被绝热材料分隔为均匀排布的多组单元，且分隔密度相同，微元回热无传热流体的磁制冷系统原理如图2所示。两组磁工质床轴向分别与安装在中间位置的传热板接触。传热板由被绝热材料分隔均匀排布的铜片单元构成。两个磁工质床内部的两个磁工质单元分别与高温热汇接触，另外两个磁工质单元与低温热源接触。磁工质床A从高温热汇向低温热源的半侧布置永磁体，磁工质床B自低温热源向高温热汇的另外半侧布置永磁体。系统运行时，两个磁工质床的转动方向相反，磁工质床A内部经历加磁和向高温热汇放热后仍处于较高温状态的磁工质单元能够被磁工质床B内尚未进入磁场的低温状态磁工质单元预冷，实现回热。同时，磁工质床B内尚未进入磁场区域的磁工质单元被尚处于较高温度的磁工质床A内的磁工质单元预热。两组磁工质床间的回热热交换通过铜片导热进行，具有较高的传热速率。另一个类似的固-固接触传热的设计由橡树岭实验室提出，使用往复运动的铜管替代液态热交换流体的交变流动，铜管通过润滑剂与带通孔的磁工质回热器进行热交换[24]，但是铜管的涡流损耗和更大的轴向导热损耗是制约其制冷性能的重要因素。
第二种技术路线是使用固-固接触传热的设计方案。华南理工大学提出了一种无液态热交换流体的设计方案[22-23]。新设计包含两组在圆周方向布置的等径同心磁工质床，每组磁工质在圆周方向被绝热材料分隔为均匀排布的多组单元，且分隔密度相同，微元回热无传热流体的磁制冷系统原理如图2所示。两组磁工质床轴向分别与安装在中间位置的传热板接触。传热板由被绝热材料分隔均匀排布的铜片单元构成。两个磁工质床内部的两个磁工质单元分别与高温热汇接触，另外两个磁工质单元与低温热源接触。磁工质床A从高温热汇向低温热源的半侧布置永磁体，磁工质床B自低温热源向高温热汇的另外半侧布置永磁体。系统运行时，两个磁工质床的转动方向相反，磁工质床A内部经历加磁和向高温热汇放热后仍处于较高温状态的磁工质单元能够被磁工质床B内尚未进入磁场的低温状态磁工质单元预冷，实现回热。同时，磁工质床B内尚未进入磁场区域的磁工质单元被尚处于较高温度的磁工质床A内的磁工质单元预热。两组磁工质床间的回热热交换通过铜片导热进行，具有较高的传热速率。另一个类似的固-固接触传热的设计由橡树岭实验室提出，使用往复运动的铜管替代液态热交换流体的交变流动，铜管通过润滑剂与带通孔的磁工质回热器进行热交换[24]，但是铜管的涡流损耗和更大的轴向导热损耗是制约其制冷性能的重要因素。第三种技术路线是将固-固接触传热与强化对流传热相结合。卢布尔雅那大学提出了使用固态热二极管的新型磁制冷机技术原理[25-26]，如图3所示，磁工质分别与热二极管A和热二极管B相接触，传热模式为固-固接触及导热热交换。主动型热二极管指的是可以通过某种激励源(通常是电信号)控制其在高效导热和绝热两种状态间快速切换的装置。热二极管的另一侧与热交换流体相接触，可以使用微通道结构增大换热比表面积，因此，尽管磁工质与热交换流体间增加了热二极管的接触热阻、导热热阻及其与热交换流体的对流传热热阻，但相比图2案例仍可以降低总热阻。当对磁工质施加磁场时，热二极管A激活，从磁工质吸热，向高温热交换流体放热，热二极管B关闭变为绝热，避免热量从磁工质传递至低温热交换流体;当磁工质退磁时，热二极管B激活，磁工质冷却热二极管B，进而将冷量传递至低温热交换流体，此时，热二极管A关闭变为绝热，避免热量从高温热交换流体通过热二极管A传递至磁工质[27-28]。此外，该方案保证了传热流体的单向流动，热二极管流体侧的压降损失也小于传统的磁回热器，有利于驱动泵的高效连续运行，同时避免了热交换流体与磁工质的直接接触，可避免热交换流体对磁工质的腐蚀问题。理想的高效切换热二极管仍有待开发，同时相关的逆向漏热也可能导致显著热损失。
【参考文献】：
期刊论文
[1]热磁发电技术研究进展[J]. 朱顺敏,罗二仓,龙克文. 中国电机工程学报. 2017(14)
[2]室温磁制冷技术的研究进展[J]. 李振兴,李珂,沈俊,戴巍,高新强,郭小惠,公茂琼. 物理学报. 2017(11)
[3]小型室温磁制冷系统的研制[J]. 李振兴,李珂,沈俊,戴巍,贾际琛,郭小惠,高新强,公茂琼. 低温工程. 2017(01)
[4]旋转式室温磁制冷机的调试[J]. 王旭,李兆杰,程娟,闫宏伟,张应德,刘翠兰,金培育,黄焦宏. 能源工程. 2015(01)
[5]筒式永磁室温磁制冷机的研制[J]. 金培育,黄焦宏,闫宏伟,杨占峰,张英德,李兆杰. 稀土. 2014(05)
[6]磁制冷技术的新进展[J]. 金培育,黄焦宏,杨占峰,闫宏伟,刘翠兰,程娟. 稀土. 2014(03)
[7]改进前后复合磁制冷机实验研究对比[J]. 和晓楠,公茂琼,张弘,沈俊,戴巍,吴剑峰. 工程热物理学报. 2013(11)
[8]室温磁制冷活性蓄冷器制冷性能的实验研究[J]. 高强,俞炳丰,王从飞,张斌,张艳. 西安交通大学学报. 2005(07)
[9]使用永磁体的室温磁制冷样机研究[J]. 卢定伟,俞力,金新. 低温工程. 2003(04)
本文编号：3364058
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