Магнитный холодильник: Магнит против фреона: Ученые изобрели магнитный холодильник, эффективность которого выше обычного на 30-40% |

Содержание

Магнит против фреона: Ученые изобрели магнитный холодильник, эффективность которого выше обычного на 30-40%

18 апреля 2019 годаНаука

Принципиально новый холодильник разработали исследователи из Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» и Тверского государственного университета — в его основе твердотельная магнитная система, по энергоэффективности дающая 30-40% фору газокомпрессорному механизму обычного холодильника.

Один из главных предметов наших квартир — холодильник — потребляет до 20-40% всей электроэнергии. Технологии создания холода в мировом масштабе, то есть промышленные и бытовые холодильники, кондиционеры домашние и автомобильные — весьма дорогостоящее удовольствие, по оценкам экспертов, все эти приборы тратят до 10% всей мировой электроэнергии в целом.

Научный коллектив физиков и инженеров кафедры функциональных наносистем и высокотемпературных НИТУ «МИСиС» и Тверского государственного университета решил проблему эффективной выработки холода, предложив новую систему охлаждения — магнитную. В обычном холодильнике охлаждение происходит за счет резкого испарения фреона (или другого хладагента), который переходит в газообразное состояние. В изобретении молодых российских ученых работает другой принцип — так называемый магнетокалорический эффект, проще говоря, изменении температуры магнитного материала при его намагничивании или размагничивании.

Технически это выглядит довольно просто — металлический брусок вносится в магнитное поле и нагревается, а при вынесении из поля — охлаждается. Однако делать это нужно быстро и циклически, чтобы разница температур сохранялась. Коллектив ученых сконструировал прототип устройства, которое при небольших размерах способно охлаждать целый холодильник.

«Поскольку плотность металлического сплава гораздо больше, чем у газа, значения запасенной энтропии (мера беспорядка), а следовательно и холодильной мощности, у него больше, — поясняет один из разработчиков проекта старший научный сотрудник кафедры Функциональных наносистем и высокотемпературных материалов НИТУ „МИСиС“ к. ф-м.н Дмитрий Карпенков, — этим и объясняется энергоэффективность новых твердотельных устройств на 30-40% по сравнению с газокомпрессионными аналогами.

Данные устройства при небольших размерах способны обеспечить максимальную разницу между температурами горячего и холодного теплообменников — 9 градусов Цельсия. Главное отличие разработанного прототипа от всех предшественников заключается в том, что рабочие тела одновременно осуществляют две роли — хладагента и нагнетательного насоса. Данное техническое решение исключает из схемы насосы, которые являются дополнительной тепловой нагрузкой для холодильника».

Вторым уникальным техническим решением стало разграничение потоков теплопередающей жидкости от холодного и горячего теплообменников, при этом обеспечивая возможность рабочему телу, находясь в намагниченном (размагниченном) состоянии, последовательно переходить из одного потока в другой.

«Результаты проведенных нами испытаний показывают, что использование каскадных циклов магнитного охлаждения приводит к увеличению диапазона охлаждения на 80%», — добавил Дмитрий Карпенков.

В ходе эксперимента по оценки эффективности созданного прототипа исследователи выяснили, что максимальное количество теплоты, которое способен отвести тепловой насос за цикл, составляет порядка 405 Дж, что соответствует максимальной мощности охлаждения 45 Вт.

В настоящее время научная группа собрала лабораторный прототип охлаждающего механизма и проводит серию лабораторных тестов.

КАРПЕНКОВХОЛОДИЛЬНИК

18 апреля НИТУ «МИСиС» поднялся в рейтинге RUR
18 апреля НИТУ «МИСиС» приступил к in vivo тестам клеточно-инженерных имплантатов нового поколения
18 апреля Магнит против фреона: Ученые изобрели магнитный холодильник, эффективность которого выше обычного на 30-40%
17 апреля Как расстаться с дантистом: новая стоматологическая технология, вдвое продлевающая срок службы пломб
16 апреля В НИТУ «МИСиС» вручили первые кандидатские дипломы, выданные собственным Диссертационным советом

НовостиНаука

Свежие

СМИ о нас

Поступающим

5-100

Объявления приемной комиссии

Наука

Образование

Международное сотрудничество

Университетская жизнь

Достижения науки

Научное сообщество

Федеральные целевые программы

Взаимодействие с бизнесом

COVID-19

Объявления для студентов

Объявления Центра подготовки кадров высшей квалификации

НИТУ МИСИС меняет мир

Достижения студентов

Поздравления

Импортозамещение

Мероприятия и выставки

ЦИНТИ

Программа «Приоритет 2030»

28 декабря

Ученые впервые получили двухмерный дырочный газ с предсказанными свойствами на новом широкозонном материале

27 декабря

Университет МИСИС презентовал цифровую платформу для поиска индустриальных партнеров

23 декабря

Ученые предложили новый способ контроля оптических свойств полупроводников

Читать все новости

В России разработали высокоэффективный магнитный холодильник

https://ria. ru/20190418/1552795896.html

В России разработали высокоэффективный магнитный холодильник

В России разработали высокоэффективный магнитный холодильник — РИА Новости, 21.07.2021

В России разработали высокоэффективный магнитный холодильник

Российские инженеры разработали холодильник нового поколения, в котором рабочим телом является не жидкость, переходящая в газ, а магнитный металл, что повышает… РИА Новости, 21.07.2021

2019-04-18T03:24

2021-07-21T14:16

наука

мисис

навигатор абитуриента

университетская наука

технологии

россия

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdnn21.img.ria.ru/images/155279/85/1552798551_0:75:1430:879_1920x0_80_0_0_6574ce12a05289e6ff0e3382ee90c0c3.jpg

МОСКВА, 18 апр — РИА Новости. Российские инженеры разработали холодильник нового поколения, в котором рабочим телом является не жидкость, переходящая в газ, а магнитный металл, что повышает энергоэффективность на 30-40 процентов, сообщили РИА Новости в пресс-службе МИСиС. «Принципиально новый тип холодильников разработали исследователи из Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» и Тверского государственного университета. В основе разработки твердотельная магнитная система, по энергоэффективности превосходящая газокомпрессорные механизмы обычных холодильников на 30-40 процентов», — говорится в сообщении. Отмечается, что в новом холодильнике использован магнетокалорический эффект, заключающийся в том, что магнитный материал меняет свою температуру при намагничивании.Как пояснил РИА Новости старший научный сотрудник МИСиС Дмитрий Карпенков, основным достижением разработчиков стало то, что им удалось реализовать каскадный эффект — когда бруски из металла гадолиния размещены на специальном колесе, которое при вращении с большой скоростью помещает их в магнитное поле.По словам Карпенкова, технология относительно молодая — ей порядка 20 лет, но каскадный принцип впервые удалось реализовать именно российским исследователям. Уже существующие в мире установки не могут охлаждать слишком сильно, а способны лишь поддерживать определенную температуру. Научный сотрудник поделился и планами на будущее. Разработчики собираются и дальше развивать каскадный принцип, чтобы увеличить диапазон температур, которые выдает холодильник. Если сейчас это десять градусов, то в будущем планируется достичь 12-15 градусов.Карпенков отметил, что линейные размеры созданного сейчас лабораторного образца не превышают 15 сантиметров. Основное применение компактного устройства разработчики видят в автомобильных кондиционерах или охлаждающих системах для микропроцессорной техники.

https://ria.ru/20190313/1551754789.html

https://ria.ru/20190409/1552506693.html

https://ria.ru/20161007/1478708463.html

россия

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2019

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og. xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

1920

1080

true

1920

1440

true

https://cdnn21.img.ria.ru/images/155279/85/1552798551_79:0:1350:953_1920x0_80_0_0_48ae639f6544b5ea75aba780a9d6bf52.jpg

1920

true

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

мисис, навигатор абитуриента, университетская наука, технологии, россия

Наука, МИСиС, Навигатор абитуриента, Университетская наука, Технологии, Россия

МОСКВА, 18 апр — РИА Новости. Российские инженеры разработали холодильник нового поколения, в котором рабочим телом является не жидкость, переходящая в газ, а магнитный металл, что повышает энергоэффективность на 30-40 процентов, сообщили РИА Новости в пресс-службе МИСиС.

«Принципиально новый тип холодильников разработали исследователи из Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» и Тверского государственного университета. В основе разработки твердотельная магнитная система, по энергоэффективности превосходящая газокомпрессорные механизмы обычных холодильников на 30-40 процентов», — говорится в сообщении. Отмечается, что в новом холодильнике использован магнетокалорический эффект, заключающийся в том, что магнитный материал меняет свою температуру при намагничивании.

13 марта 2019, 13:19Наука

Физики из МФТИ заставили время идти назад внутри квантового компьютера

Как пояснил РИА Новости старший научный сотрудник МИСиС Дмитрий Карпенков, основным достижением разработчиков стало то, что им удалось реализовать каскадный эффект — когда бруски из металла гадолиния размещены на специальном колесе, которое при вращении с большой скоростью помещает их в магнитное поле.

По словам Карпенкова, технология относительно молодая — ей порядка 20 лет, но каскадный принцип впервые удалось реализовать именно российским исследователям. Уже существующие в мире установки не могут охлаждать слишком сильно, а способны лишь поддерживать определенную температуру.

9 апреля 2019, 12:00Наука

Физики из России выяснили, как создать конденсатор c отрицательной емкостью

Научный сотрудник поделился и планами на будущее. Разработчики собираются и дальше развивать каскадный принцип, чтобы увеличить диапазон температур, которые выдает холодильник. Если сейчас это десять градусов, то в будущем планируется достичь 12-15 градусов.

Карпенков отметил, что линейные размеры созданного сейчас лабораторного образца не превышают 15 сантиметров. Основное применение компактного устройства разработчики видят в автомобильных кондиционерах или охлаждающих системах для микропроцессорной техники.

7 октября 2016, 11:35Наука

Физики впервые создали квантовый «временной кристалл»Американские ученые впервые смогли создать экзотическую структуру – так называемый «временной кристалл», внутри которого время течет не непрерывно, а своеобразными «шагами».

Магнитное охлаждение

В настоящее время крайне актуально создание компактного, экологически чистого, энергоэффективного и высоконадежного холодильника, работающего в диапазоне комнатных температур. Эта задача обусловлена рядом серьезных претензий к существующим системам охлаждения. Известно, что при эксплуатации эксплуатируемых в настоящее время холодильников возможны утечки рабочих газов (хладагентов), вызывающие такие серьезные экологические проблемы, как разрушение озонового слоя и глобальное потепление. Среди множества альтернативных технологий, которые можно было бы использовать в охлаждающих устройствах, все большее внимание исследователей всего мира привлекает технология магнитного охлаждения. Интенсивная работа по магнитному охлаждению ведется во многих лабораториях и университетах Европы, США, Канады, Китая и России.

Магнитный холодильник является экологически чистым устройством и позволяет значительно снизить энергопотребление. Последнее обстоятельство крайне важно, учитывая поистине огромное количество холодильных установок, используемых человеком в различных сферах его деятельности. Технология магнитного охлаждения основана на способности любого магнитного материала изменять свою температуру и энтропию под действием магнитного поля. Эта способность проявляется при сжатии или расширении газа или пара в традиционных холодильниках. Такое изменение температуры или энтропии магнитного материала за счет изменения напряженности магнитного поля называется магнитокалорическим эффектом (далее МКЭ).

Изменение температуры магнетика является результатом перераспределения внутренней энергии магнетика между системой магнитных моментов его атомов и кристаллической решеткой. Максимальное значение МКЭ получается в магнитоупорядоченных материалах, таких как ферромагнетики, антиферромагнетики и др., находящихся при температурах магнитных фазовых переходов (температурах магнитного упорядочения — Кюри, Нееля и др.).

Основное преимущество устройств для магнитного охлаждения связано с высокой плотностью теплоносителя — твердого тела по сравнению с плотностью пара или газа. Изменение энтропии на единицу объема в твердых магнитных материалах в семь раз больше, чем в газе. Это позволяет создавать более компактные холодильники. Само магнитное рабочее тело служит аналогом хладагентов, используемых в традиционных парогазовых холодильных установках. При этом процесс размагничивания-намагничивания аналогичен циклам сжатия-расширения. КПД любого холодильника в основном определяется количеством необратимой работы, совершаемой за цикл – для эффективных устройств он должен быть как можно меньше. В холодильнике с газовым обогревом есть устройства, производящие значительное количество необратимой работы – регенератор, компрессор и теплообменники.

Большая часть необратимой работы выполняется в теплообменниках. Она прямо пропорциональна адиабатическому изменению температуры рабочего тела. В газе оно намного больше, чем в магнитном материале. Благодаря этому наиболее эффективный отвод тепла осуществляется с магнитным, особенно в регенеративном, холодильном цикле. Специальная конструкция теплообменника и использование регенератора с большой площадью поверхности позволяют добиться малой доли необратимой работы при магнитном охлаждении. Эффективность цикла магнитного регенеративного охлаждения в диапазоне температур от 4,5 до 300 ⁰ К может составлять от 38 до 60 % цикла Карно (около 52 % эффективности в диапазоне температур от 20 до 150 ⁰ К и около 85 % в диапазоне от 150 до 300 ⁰ К). При этом на всех стадиях цикла условия теплообмена будут самыми известными на сегодняшний день. Кроме того, магнитные холодильники включают в себя небольшое количество движущихся частей, работают на низких частотах, что позволяет свести к минимуму износ холодильника и увеличить время его работы.

Хронология этой проблемы. Основные принципы магнитного охлаждения

Варбург открыл МКЭ относительно давно, в 1881 г. Он наблюдал, как под действием магнитного поля образец железа нагревался или охлаждался. Этот ученый пришел к выводу, что изменение температуры образца является следствием изменения внутренней энергии вещества, имеющего магнитную структуру, под действием магнитного поля.

Однако до практического использования этого явления было еще далеко. Ланжевен (в 1905) впервые показал, что изменение намагниченности парамагнетика приводит к обратимому изменению температуры образца. Само магнитное охлаждение было предложено почти через 50 лет после открытия МКЭ двумя американскими учеными, Питером Дебаем (в 1926 г.) и Уильямом Джиоком (в 1927 г.), независимо друг от друга, как способ достижения температур ниже точки кипения жидкого гелия. Джиок и Макдугал первыми продемонстрировали простейший эксперимент по магнитному охлаждению в 1919 году.33. Чуть позже это сделали также де Хаас (в 1933 г.) и Курти (в 1934 г.). В ходе этого эксперимента удалось достичь температуры 0,25 ⁰ К. Кроме того, в качестве теплоносителя использовался перекачиваемый жидкий гелий при температуре 1,5 ⁰ К.

Таблетка с магнитной солью находилась в состоянии теплового равновесия с теплоотводящим материалом, а в соленоиде было сильное магнитное поле. Всякий раз, когда соленоид разряжается, магнитная таблетка становится теплоизолированной, и ее температура снижается. Такой метод, называемый охлаждением адиабатическим размагничиванием, является стандартным лабораторным методом, используемым для получения сверхнизких температур. Однако мощность такого холодильника и диапазон его рабочих температур слишком малы для промышленного применения. Более сложные методы, с термической регенерацией и циклическими изменениями магнитного поля, были предложены в 60-х годах прошлого века. В 1976, Дж. Браун (из НАСА) продемонстрировал регенеративный магнитный холодильник, работающий в диапазоне рабочих температур 50 ⁰ К уже в диапазоне комнатной температуры. Однако мощность холодильника и его КПД в этом случае были еще малы, так как градиент температуры необходимо было поддерживать за счет перемешивания жидкого теплоотвода, а время, необходимое для зарядки и разрядки магнита, было слишком велико.
Небольшие маломощные холодильные установки были построены в 80-х и 9-х годах XX века.0 в нескольких исследовательских центрах: Лос-Аламосская национальная лаборатория, военно-морская лаборатория в Аннаполисе, национальная лаборатория Ок-Ридж, астронавтика (все США), Toshiba (Япония). В настоящее время несколько исследовательских центров НАСА финансируют работы по созданию компактных магнитных холодильников для космических применений по принципу операций адиабатического размагничивания. Astronautics Corporation of America (США, Висконсин) и Университет Виктории (Канада) проводят исследования возможностей магнитных холодильников для коммерческого применения. Исследования материалов для рабочего твердого тела магнитных холодильников с прикладной точки зрения интенсивно ведутся в настоящее время «Лабораторией Эймса» (Эймс, Айова), «Университетом Трех рек» в Квебеке (Канада), NIST ( Gaithersburg, MD) и компании «Advanced Magnetic Technologies and Consulting» (AMT&C).
В 1997 году «Американская астронавтическая корпорация» продемонстрировала относительно мощный (600 Вт) магнитный холодильник, работающий при температуре, близкой к комнатной. Эффективность этого холодильника уже была сравнима с эффективностью обычных фреоновых холодильников. Это устройство с использованием активного магнитного регенератора (в котором совмещены функции теплового регенератора и рабочего тела) проработало более 1500 часов в диапазоне комнатных температур мощностью 600 Вт. КПД составил около 35% по отношению к циклу Карно при магнитном поле в пять Тесла. В этом устройстве в качестве сверхпроводящего соленоида и в качестве рабочего твердого тела использовался редкоземельный металл гадолиний (Gd). Чистый гадолиний использовался в этом качестве не только астронавтикой, но и НАСА, ВМФ и другими лабораториями, что обусловлено его магнитными свойствами, а именно — подходящей температурой Кюри (около 293 ⁰ К) и наличие весьма значительного магнитокалорического эффекта. Величина МКЭ, а следовательно, и эффективность процесса охлаждения в магнитном холодильнике определяются свойствами магнитных рабочих тел.
В 1997 году Исследовательский центр Эймса сообщил об открытии четырех гигантских магнитокалорических эффектов в соединениях Gd5 (Si2Ge1-X). Температура магнитного упорядочения этих материалов может изменяться в широком диапазоне от 20 ⁰ К до комнатной температуры за счет изменения соотношения кремния (Si) и германия (Ge). Наиболее перспективными для использования в качестве рабочих твердых тел в настоящее время являются металлический гадолиний, ряд интерметаллидов на основе редкоземельных элементов, система силицидно-германидных соединений Gd5(Ge-Si)4, а также La(Fe-Si ) 13. Использование этих материалов позволяет расширить диапазон рабочих температур холодильника и значительно улучшить его экономические показатели. Следует отметить, что пионерские работы по поиску эффективных сплавов для магнитных рефрижераторов рабочих твердых тел были проведены несколькими годами ранее на физическом факультете Московского университета. Наиболее полные результаты этих исследователей изложены в докторской диссертации ведущего научного сотрудника физического факультета МГУ А.М. Тишина, в 1994.
В ходе работы были проанализированы многочисленные возможные комбинации редкоземельных и магнитных металлов и других материалов с точки зрения поиска оптимальных сплавов для реализации магнитного охлаждения в различных диапазонах температур. Установлено, в частности, что среди материалов с высокими магнитокалорическими свойствами соединение Fe49Rh51 (железо-родиевый сплав) обладает наибольшим удельным (т.е. на единицу магнитного поля) магнитокалорическим эффектом. Удельный МКЭ для этого соединения в несколько раз больше, чем для соединений силицидов-германидов. Этот сплав не может быть использован на практике из-за его высокой стоимости и отсутствия в нем значительных эффектов гистерезиса. Однако он может служить своеобразным эталоном для сравнения магнитокалорических свойств изучаемых материалов. Наконец, Science News (т.161, н.1, с.4, 2002) сообщило о создании первого в мире холодильника (пригодного не только для научных, но и для бытовых целей). Рабочий образец такого холодильника был изготовлен совместно Американской астронавтической корпорацией и Лабораторией Эймса и впервые продемонстрирован на конференции G8 в Детройте в мае 2002 г. Рабочий прототип предлагаемого бытового магнитного холодильника работает в диапазоне комнатных температур и использует постоянный магнит как источник поля. Это устройство получило высокую оценку экспертов и министра энергетики США. Расчеты показывают, что использование магнитных холодильников снизит общее потребление энергии в США на 5%. Планируется, что магнитное охлаждение можно будет использовать в различных сферах человеческой деятельности, например, в:

ожижители водорода,
Устройства охлаждения быстродействующих компьютеров и устройств на базе СКВИДов,
кондиционеры для жилых и производственных помещений,
системы охлаждения для автомобилей,
бытовые и промышленные холодильники и др.

Следует отметить, что работы по магнитным холодильникам финансируются Министерством энергетики США уже 20 лет.

Конструкция холодильника

В созданном прототипе магнитного холодильника использована конструкция вращающегося колеса. Он состоит из колеса, содержащего сегменты с порошком гадолиния, а также мощного постоянного магнита.

Данная конструкция устроена таким образом, что колесо прокручивается через рабочий зазор магнита, в котором сосредоточено магнитное поле. При попадании сегмента с гадолинием в магнитное поле гадолиния возникает магнитокалорический эффект — он нагревается. Это тепло отводится теплообменником с водяным охлаждением. При выходе гадолиния из зоны магнитного поля возникает магнитокалорический эффект противоположного знака и материал дополнительно охлаждается, охлаждая теплообменник с циркулирующим в нем вторым потоком воды. Этот поток, собственно, и используется для замораживания холодильной камеры магнитного холодильника. Такое устройство компактно и работает практически бесшумно и без вибраций, что выгодно отличает его от используемых в настоящее время холодильников с парогазовым циклом. Впервые данная технология была апробирована еще в сентябре 2001 года. В настоящее время ведутся работы по дальнейшему расширению ее возможностей: совершенствуется технологический процесс промышленного получения чистого гадолиния и его необходимых соединений, что позволит достичь большего значения МК по более низкой цене. Одновременно сотрудники лаборатории Эймса сконструировали постоянный магнит, способный создавать сильное магнитное поле. Новый магнит создает поле в два раза сильнее, чем магнит в предыдущей конструкции магнитного холодильника (2001 г.). Это очень важно, поскольку величина магнитного поля определяет такие параметры, как КПД и выходная мощность холодильника. Поданы заявки на патенты на приготовление компаунда рабочего тела Gd5 (Si2Ge2) и конструкцию постоянного магнита.

Преимущества, недостатки и области применения

Все магнитные холодильники можно разделить на два класса по типу используемых магнитов:

системы, использующие сверхпроводящие магниты;

Системы

на постоянных магнитах.

Первые из них имеют широкий диапазон рабочих температур и относительно высокую выходную мощность. Их можно использовать, например, в системах кондиционирования воздуха в больших помещениях и для оборудования для хранения пищевых продуктов. Системы охлаждения с постоянными магнитами имеют относительно ограниченный температурный диапазон (не более 303 °К за цикл) и, в принципе, могут применяться в устройствах средней мощности (до 100 Вт). Например, автомобильный холодильник или портативный холодильник для пикника. Однако обе они имеют ряд преимуществ перед традиционными холодильными установками комбинированного цикла:

Низкая опасность для окружающей среды. Рабочий орган прочный и легко изолируется от окружающей среды. Металлы-лантаниды, используемые в качестве рабочих тел, малотоксичны и могут быть использованы повторно после утилизации устройства. Теплоотводящая среда должна иметь лишь малую вязкость и достаточную теплопроводность, что хорошо соответствует свойствам воды, гелия или воздуха. Они хорошо совместимы с окружающей средой.

Высокая эффективность. Магнитокалорический нагрев и охлаждение являются практически обратимыми термодинамическими процессами, в отличие от процесса сжатия пара в рабочем цикле парогазового холодильника. Теоретические расчеты и экспериментальные исследования показывают, что магнитные холодильные агрегаты характеризуются более высокой эффективностью и, в частности, в области комнатных температур магнитные холодильники потенциально на 20-30 % эффективнее, чем работающие в парогазовом цикле. Технология магнитного охлаждения в будущем может стать очень эффективной, что значительно удешевит такие установки.

Долгий срок службы. Технология предполагает использование небольшого количества движущихся частей и нескольких рабочих частот в охлаждающих устройствах, что значительно снижает их износ.

Гибкость технологии. Возможно использование различных конструкций магнитных холодильников в зависимости от назначения.

Полезные свойства заморозки. Магнитная технология позволяет охлаждать и замораживать различные вещества (вода, воздух, химические вещества) с небольшими изменениями в каждом конкретном случае. Напротив, эффективный цикл охлаждения с комбинированным циклом требует множества отдельных стадий или смеси различных рабочих хладагентов для одной и той же процедуры.

Быстрый прогресс в развитии сверхпроводимости и улучшении магнитных свойств постоянных магнитов. В настоящее время целый ряд известных коммерческих фирм успешно занимается улучшением свойств магнитов NdFeB (наиболее эффективных постоянных магнитов) и работает над их конструкциями. Наряду с известным прогрессом в области сверхпроводимости это позволяет надеяться на улучшение качества магнитных холодильников и одновременное их удешевление.

Недостатки магнитного охлаждения

Необходимость экранирования источника магнитного поля;
Относительно высокая текущая цена источников магнитного поля;
Ограниченный диапазон температур в одном цикле охлаждения в системах с постоянными магнитами (не более 303 °К).

Пожалуйста, поделитесь статьей

20614

Что такого привлекательного в магнитном охлаждении? — Журнал CIBSE

На состоявшейся в 2015 году в Париже конференции ООН по изменению климата (COP 21) мировые лидеры договорились об ограничении глобального потепления до уровня ниже 2 °C к 2100 году. Целью переговоров было предотвращение серьезных климатических катастроф во всем мире, и участники стремились сократить выбросы парниковых газов за счет расширения использования безуглеродных технологий.

Магнитное охлаждение является одной из таких новых, инновационных и потенциально низкоуглеродных технологий. За последние 15 лет интерес к нему как к новой технологии нагрева или охлаждения, а также как к альтернативе традиционному сжатию пара, значительно вырос.

Принцип магнитного охлаждения основан на явлении, известном как магнитокалорический эффект (МКЭ). Открытое Эмилем Варбургом в 1881 году, это было связано со свойством экзотических материалов, таких как гадолиний и диспрозий, нагреваться при приложении к ним магнитного поля и остывать при снятии магнитного поля.

Нет возможности утечки хладагента и прямых выбросов CO2, поэтому магнитное охлаждение полностью соответствует всем нормам

Из рисунка 1 видно, что, управляя магнитом в четыре этапа, можно отводить или отводить тепло и производить нагрев или охлаждение. Энергия (E = m.Cp.ΔT), вырабатываемая в течение каждого магнитокалорического цикла, зависит от изменения температуры (ΔT), массы материала (m) и его удельной теплоемкости (Cp). Этот эффект максимален при определенной температуре материала, называемой температурой Кюри.

Основным ограничением магнитокалорической системы, показанной на рисунке 1, является относительно небольшая разница температур, которая может быть достигнута между холодным и горячим источником.

Температурный обмен

Для увеличения этого обмена использовался ряд методов, включая активное магнитное регенеративное охлаждение (AMRR). В принципе этого цикла используется теплоноситель – в контакте с магнитокалорическими материалами (ММК) – перетекающий с холодной стороны на горячую, когда ММК нагрет (намагничен), и с горячей стороны на холодную, когда MMC охлаждается (размагничивается). Это постепенно увеличивает разницу температур между холодным и горячим источником примерно до 20 К, что делает систему потенциально пригодной для коммерческого применения.

Возможны различные применения. Первоначальные разработки были ориентированы на рынки коммерческого и бытового охлаждения и включают в себя витрины, охладители напитков, а также коммерческие или бытовые холодильники.

Однако магнитное охлаждение также может быть адаптировано для других применений в области охлаждения, таких как кондиционирование воздуха (в том числе автомобильное), криогенная техника или системы отопления, например, тепловые насосы.

Рисунок 1: Схема, показывающая основной принцип работы магнитного охлаждения

Спрос, вероятно, будет обусловлен экологическими нормами, поскольку при магнитном нагреве или охлаждении не используется хладагент, а используется нагревающая или охлаждающая жидкость, которая может быть на водной основе. В результате исключается утечка хладагента и прямые выбросы CO ₂, поэтому он полностью соответствует всем нормам, в том числе нормам F-Gas в Европе и нормам Агентства по охране окружающей среды в США.

Кроме того, частота магнитокалорического цикла обычно составляет от 1 Гц до 3 Гц, поэтому скорость вращения машины низкая и, следовательно, очень тихая по сравнению с традиционными системами сжатия. Согласно недавним исследованиям, MCE, по прогнозам, будет иметь значительно более высокую эффективность (коэффициент производительности), чем существующие традиционные методы, с потенциалом экономии энергии на 30%.

Проблемы

Несмотря на то, что некоторые продукты вышли на рынок, все еще есть проблемы, которые необходимо решить, прежде чем начнется крупномасштабное развертывание технологии. Основной проблемой является поставка магнитокалорических материалов, которых не хватает. Сокращение содержания материала или выявление новых материалов повысит жизнеспособность.

Рисунок 2: Магнитная холодильная система. Предоставлено: Cooltech Applications

По словам инженеров по магнитному охлаждению Cooltech Applications, производственный процесс еще не оптимизирован, а производственные затраты по-прежнему высоки. Оптимизация интерфейса (например, теплообменники) между устройствами и охлаждаемым оборудованием также должна быть изменена для достижения максимальной эффективности. Наконец, необходимо разработать прототипы для различных конкретных приложений.

Несмотря на то, что учеными и инженерами в университетах и научно-исследовательских институтах по всему миру ведется большая академическая работа, текущее развитие рынка еще не полностью созрело. Некоторые из компаний, раздвигающих границы этой технологии, включают Cooltech Applications и Nextpac, которые работают над приложениями для тепловых насосов.

В 2015 году компания Cooltech Applications заявила, что произвела продукт мощностью 150–700 Вт как часть холодильной системы (см. рис. 2), и в этом году будут проведены первые испытания на объектах конечных пользователей, таких как супермаркеты.

Тем временем Camfridge участвует в крупном исследовательском проекте ЕС по магнитному охлаждению. Для получения дополнительной информации посетите сайт elicit-project. eu/.

Другие транснациональные корпорации, работающие над аналогичными технологиями, включают Whirlpool, Electrolux, Astronautics, GE Appliances, Samsung, Erasteel, Sanden, Chubu, BASF и VAC.

Магнитное охлаждение очень перспективно. Она еще не готова к выходу на рынок, но за ней стоит следить в течение следующих пяти-десяти лет. Его потенциал для снижения энергопотребления и работы без вредных для окружающей среды хладагентов делает его захватывающим предложением.

О компании Sirach

Это первая статья в регулярной серии статей Меткеля Йебийо и Грэма Мейдмента из Sirach, посвященных новым технологиям нагрева и охлаждения. Sirach стремится предоставить отраслевым и академическим исследователям возможность продвигать новые технологии по снижению выбросов углерода. Сирах регулярно проводит встречи в ведущих университетах и на предприятиях, занимающихся исследованиями. 20 апреля он посетит Центр устойчивого использования энергии в пищевых цепях (CSEF) Университета Брунеля.