Магнитный холодильник из сплавов Гейслера будет абсолютно бесшумным. Магнитный холодильник
General Eleсtric: магнитные холодильники вытеснят традиционные в ближайшие десять лет
Компания GE анонсировала выпуск холодильных установок на основе магнитокалорического эффекта и показала опытную установку. В ней нет ни сжижаемых хладагентов, ни компрессоров. Отсутствуют даже термоэлектрические преобразователи (элементы Пельтье), столь популярные в автомобильных холодильниках, туристическом снаряжении и экзотических системах охлаждения компьютеров.
Конструкция магнитного холодильника довольно проста. Какой-либо объект (бутылка воды, радиатор чипа, воздух в камере) охлаждается, отдавая своё тепло металлическим пластинам. Они контактируют с теплоносителем, во внутренней структуре которого под действием магнитного поля происходят обратимые циклические изменения.
Для лабораторных исследований список веществ, подходящих на роль теплоносителя в магнитном холодильнике, исчисляется десятками. Он включает ферро-, антиферро- и ферримагенитки, но практически значимый магнитокалорический эффект сильнее всего выражен у некоторых парамагнетиков.
В зависимости от конкретной технической задачи основным теплоносителем может служить парамагнитный материал в различном агрегатном состоянии. Обычно удобнее использовать окись азота или алюминий.
Молекулы парамагнетиков полярные, то есть обладают магнитным моментом. В обычном состоянии они ориентированы беспорядочно из-за теплового движения. Во внешнем магнитном поле они стремятся расположиться в направлении магнитных линий. За счёт этого внутренняя структура парамагнетиков временно становится более упорядоченной. Происходит обратимое понижение энтропии, приводящее к снижению температуры.
Экспериментальная холодильная установка на основе магнитоэлектрического эффекта (фото: General Electric).В экспериментах эффект хорошо наблюдается в адиабатических условиях, то есть при наличии теплоизолирующей оболочки вокруг парамагнетика. Если же её убрать, то обмен с окружающей средой приведёт к выравниванию температуры. Подвергаясь действию переменного магнитного поля, парамагнетики сначала аккумулируют тепло (понижая температуру воздуха и более нагретых тел вокруг себя), а затем отдают его на радиатор в следующем цикле. Далее, как и в любой холодильной установке, тепло уносится во внешнюю среду.
Системы охлаждения на основе магнитокалорического эффекта актуальны не только для бытового, но и для промышленного применения – в частности для создания надёжных и малозатратных систем охлаждения в серверных и дата-центрах. Ведущий автор исследования Венкат Венкатакришнан (Venkat Venkatakrishnan) высоко оценивает значимость этой работы. “Мы на пути к очередной революции в системах охлаждения”, — пишет он в отчёте.
По оценкам GE, магнитокалорическое холодильное оборудование вытеснит компрессорное в течение ближайших десяти лет.
Идея создавать магнитные холодильные установки была предложена очень давно. Профессор Фрайбургского университета (Германия) Эмиль Габриель Варбург описал тепловые эффекты в парамагнетиках ещё в 1881 году. Долгое время работа не находила применения, поскольку создаваемые установки отличались низкой производительностью.
Спустя столетие, в 1980-х, исследователи Лос-Аламосской национальной лаборатории (США) смогли получить практически значимый магнитокалорический эффект при помощи дорогостоящего магнита со сверхпроводящей обмоткой.
Экономически целесообразными такие системы удалось сделать только недавно – за счёт применения новых материалов и подходов к реализации процесса теплообмена. Вместо создания переменного магнитного поля с помощью катушек индуктивности GE предлагает использовать вращение постоянных неодимовых магнитов.
Такой метод снижает затраты электроэнергии и позволяет создавать экономичные магнитные холодильники. По предварительным расчётам, их энергоэффективность превосходит традиционные системы охлаждения на 20%. Экспериментальная установка далека от показателей будущих серийных моделей, но уже легко превращает воду в лёд.
www.computerra.ru
Что такое магнитные холодильники - MicroArticles
В 2002 году в журнале Science News было сообщено о создании в США первого в мире бытового магнитного холодильника, действие которого основано на магнитокалорическом эффекте и работающего при комнатных температурах. Работающая модель такого холодильника была изготовлена совместно Astronautics Corporation of America и Ames Laboratory и впервые продемонстрирована на конференции Большой Восьмерки в Детройте в мае 2002 года. Рабочий прототип предлагаемого бытового магнитного холодильника действует в области комнатных температур и использует в качестве источника поля постоянный магнит. В демонстрировавшихся ранее магнитных холодильных устройствах использовались большие сверхпроводящие магниты, но в этом новом магнитном холодильнике впервые применен постоянный магнит, не требующий охлаждения.
В созданном прототипе магнитного холодильника используется вращающаяся колёсная конструкция. Она состоит из колеса, содержащего сегменты с порошком гадолиния, а также мощного постоянного магнита .
Конструкция спроектирована таким образом, что колесо прокручивается через рабочий зазор магнита, в котором сконцентрировано магнитное поле. При вхождении сегмента с гадолинием в магнитное поле в гадолинии возникает магнетокалорический эффект - он нагревается. Это тепло отводится теплообменником, охлаждаемым водой. Когда гадолиний выходит из зоны магнитного поля, возникает магнетокалорический эффект противоположного знака и материал дополнительно охлаждается, охлаждая теплообменник с циркулирующим в нем вторым потоком воды. Этот поток собственно и используется для охлаждения холодильной камеры магнитного холодильника. Такое устройство является компактным и работает фактически бесшумно и без вибраций, что выгодно отличает его от использующихся сегодня холодильников с парогазовым циклом.
Преимущества, недостатки и области применения
Все магнитные холодильники можно разделить на два класса по типу используемых магнитов: системы, использующие сверхпроводящие магниты и системы на постоянных магнитах. Первые из них обладают широким диапазоном рабочих температур и относительно высокой выходной мощностью. Они могут использоваться, например, в системах кондиционирования больших помещений и в оборудовании хранилищ пищевых продуктов. Охлаждающие системы на постоянных магнитах имеют относительно ограниченный температурный диапазон и, в принципе, могут применяться в устройствах со средней мощностью - таких как автомобильный холодильник и портативный рефрижератор для пикника. Но и те, и другие обладают целым рядом преимуществ над традиционными парогазовыми холодильными системами:
Низкая экологическая опасность: Рабочее тело – твердое и может быть легко изолировано от окружающей среды. Применяемые в качестве рабочих тел металлы лантаниды малотоксичны, и могут быть использованы повторно после утилизации устройства. Теплоотводящая среда должна обладать всего лишь низкой вязкостью и достаточной теплопроводностью, что хорошо соответствует свойствам воды, гелия или воздуха. Последние хорошо совместимы с окружающей средой.
Высокая эффективность. Магнитокалорическое нагревание и охлаждение – практически обратимые термодинамические процессы, в отличие от процесса сжатия пара в рабочем цикле парогазового холодильника. Теоретические расчеты и экспериментальные исследования показывают, что магнитные охлаждающие установки характеризуются более высокими к.п.д. и экономичностью. В частности, в области комнатных температур магнитные холодильники потенциально на 20-30 % эффективнее, чем работающие по парогазовому циклу. Технология магнитного охлаждения в перспективе может быть очень эффективной, что позволит значительно сократить стоимость таких установок.
Долгий срок эксплуатации. Технология предполагает использование малого числа движущихся деталей и низких рабочих частот в охлаждающих устройствах, что значительно сокращает их износ.
Гибкость технологии. Возможно использование различных конструкций магнитных холодильников в зависимости от назначения.
Полезные свойства заморозки. Магнитная технология позволяет производить охлаждение и заморозку различных веществ с незначительными изменениями для каждого случая. В отличие от этого, эффективный парогазовый цикл охлаждения требует многих отдельных ступеней или смеси различных рабочих тел-охладителей для проведения такой же процедуры.
Быстрый прогресс в развитии сверхпроводимости и улучшении магнитных свойств постоянных магнитов. В настоящее время целый ряд известных коммерческих компаний успешно занимаются улучшением свойств магнитов NdFeB и работают 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 экранировки магнитного источника.
- Относительно высокая в настоящее время цена источников магнитного поля.
- Ограниченный интервал изменения температуры в одном цикле охлаждения в системах на постоянных магнитах. .
Кроме того, магнитные холодильники включают в себя небольшое количество движущихся деталей и работают при низких частотах, что позволяет свести к минимуму износ холодильника и увеличить время его эксплуатации .
www.microarticles.ru
Магнитный холодильник из сплавов Гейслера будет абсолютно бесшумным
Научная работа постдока Владимира Соколовского из Челябинского государственного университета, которая ведется под руководством доктора физ.-мат. наук Владимира Ховайло (МИСиС), посвящена исследованию сплавов Гейслера с эффектом памяти формы. Уже в ближайшие несколько лет они позволят, например, создать высокоэффективный магнитный холодильник — устройство, которое придет на смену нынешним фреоновым аналогам, будет отличаться бесшумностью и почти на 40% меньшим потреблением энергии.
История сплавов Гейслера началась еще в 1898 году, когда немецкий физик Фридрих Гейслер обнаружил интересную закономерность: сплавление немагнитнитных Mn, Cu и Sn приводило к появлению ферромагнитные свойства, то есть сплав притягивался к магниту. Впоследствии данная особенность была обнаружена и в других сплавах с общей химической формулой Х2YZ. Наиболее интересным для практических применений является сплав Гейслера Ni2MnGa. Этот интерметаллид проявляет эффекты памяти формы и сверхупругости, а его ярко выраженные магнитные свойства дают возможность управления этими эффектами с помощью магнитного поля, вплоть до изменения на глазах формы предмета из сплава при поднесении к нему магнита (!).
Память формы и сверхупругость обусловлены наличием особого фазового превращения, называемого мартенситным. В ферромагнитных сплавах с памятью формы магнитное поле влияет на параметры мартенситной фазы вследствие магнитоупругого взаимодействия.
Обычные бытовые холодильники основаны на компрессионном принципе. Охлаждающая жидкость под сильным давлением выталкивается в испаритель, который находится внутри холодильной камеры. В момент возвращения к нормальному давлению жидкость превращается в пар, забирая при этом тепло из внешней среды.
У этих холодильников есть ряд недостатков: охлаждающая система требует много места, издает шум, потребляет много электроэнергии, и требует специальной утилизации (в качестве хладагента применяются фреоны, а при попадании в атмосферу эти вещества разрушают озоновый слой). Именно поэтому сегодня ученые в разных странах работают над созданием магнитных холодильников.
Эти устройства будут работать благодаря магнитокалорическому эффекту: при определенных условиях некоторые вещества способны нагреваться при включении магнитного поля, а выключение магнитного поля приводит к их резкому охлаждению.
Уже существуют первые модели магнитных холодильников, в которых в качестве рабочего вещества используется гадолиний, но широкого применения они пока не получили из-за недостаточной эффективности и дороговизны Gd. Поэтому сегодня необходимы методы создания новых материалов с магнитокалорическим эффектом и способы точной оценки их свойств.
Одними из перспективных материалов для создания таких холодильников являются некоторые представители семейства сплавов Гейслера. В настоящее время известно более 1500 интерметаллических соединений, которые входят в это семейство. Наряду с магнитокалорическим эффектом сплавы Гейслера проявляют ряд других интересных свойств: 100% спиновую поляризацию, свойства топологических изоляторов, аномальную последовательность магнитных переходов, где при нагреве сплава он переходит из немагнитного состояния в магнитное (в «классических» ферромагнетиках нагрев разрушает ферромагнитное упорядочение и при определенной температуре, называемой точкой Кюри, ферромагнетик переходит в немагнитное состояние).
Владимир Соколовский и доктор Ховайло работают над теоретическим исследованием фазовых превращений (магнитных, структурных, связанных магнитоструктурных), магнитных, структурных и теплофизических свойств моно и поликристаллических сплавов Гейслера с эффектом памяти формы Ni-Mn-X и Ni-Mn-X-Y (X = Ga, In, Sn, Sb и Y = Fe, Cu, Co, Cr) с помощью первопринципных и Монте-Карло-методов.
Сплавы Гейслера — перспективные материалы не только для магнитных холодильников, но и для разработки миниатюрных силовых устройств, манипуляторов, а в спинтронике — для создания элементов хранения информации.Магнитные холодильники вскоре вытеснят традиционные
Компания General Electric объявила о выпуске охлаждающих установок, в основе которых лежит магнитокалорический эффект, и представила опытный образец. В этой установке нет ни жидких хладагентов, ни компрессора. Не имеется также и термоэлектрических преобразователей, столь известных в автохолодильниках, снаряжении для туристов и системах, охлаждающих компьютеры.
По своей конструкции магнитный холодильник достаточно простой. Определенный объект, при охлаждении отдает своё тепло пластинам из металла. Они взаимодействуют с теплоносителем, внутри которого под влиянием магнитного поля производятся циклические изменения.
Для исследования в лаборатории, имеется целый список веществ подходящий для роли теплоносителя в магнитном холодильнике. В этот список входят Ферро, Антиферро, и ферримагнетики, но основной магнитокалорический эффект больше всего имеется у определенных парамагнетиков.
Здесь можно выделить, конечно, зависимо от определенной задачи, основной теплоноситель — это парамагнитный материал в разнообразном агрегатном свойстве. Наиболее подходит применение окиси азота или алюминия.
Парамагнетики имеют полярные молекулы, значит у них есть магнитное поле. Обычно они беспорядочно ориентированы по причине теплового взаимодействия. По внешнему магнитному полю они более расположены по направлению магнитных линий. За счет чего изнутри парамагнетики временно упорядочены. Образуется обратимое снижение энтропии, которое приводит к падению температуры.
При эксперименте эффект хорошо виден в адиабатических условиях — это когда имеется теплоизолирующая оболочка снаружи парамагнетика. Если оболочку удалить, то произойдёт выравнивание температуры с окружающей средой. Под действием переменного магнитного поля, парамагнетики начинают аккумулировать тепло (снижая температуру воздуха и тел поблизости), а далее передают его радиатору. Потом тепло, как и в любом холодильнике уходит в окружающую среду.
Установки охлаждения в основе которых магнитокалорический эффект применимы не только в бытовых, но и в промышленных масштабах — а именно для производства малозатратных и надёжных систем охлаждения в дата-центрах и серверных. По словам автора исследования — это путь к революции в охлаждающих системах.
Идея создания магнитных холодильников существовала давно. Профессор германского университета Эмиль Варбург описывал тепловые проявления в парамагнетиках ещё в 1881 году. Долго данная работа не применялась, по причине низкой производительности установок.
Через столетие в 1980 году, исследователи Лос-Аламской лаборатории (США) все же получили нужное магнитокалорическое влияние используя дорогостоящий магнит со сверхпроводной обмоткой.
Экономически приемлемыми эти системы смогли сделать недавно — применяя новые материалы и подход к реализации такого теплообмена. GE предлагает не применять переменное магнитное поле при помощи индуктивных катушек, а использовать вращающиеся постоянные неодимовые магниты.
Данный метод понижает затраты электроэнергии и дает возможность производства экономичных магнитных холодильников. По имеющимся данным, они энергоэффективнее обычных систем охлаждения на 20%. Хотя имеется только экспериментальная модель устройства, но она уже с легкостью замораживает воду в лёд.
www.remkomplex.ru
Будущее домашних холодильников: магнитное охлаждение
Технологический прогресс не стоит на месте, и в будущем холодильник с магнитным охлаждением будет у каждой семьи, причем не в каком-то далеком будущем, а в ближайшем. Уже сегодня они созданы и проходят испытания. Такая техника будет работать не на базе промышленных охладителей и химических компонентов, а на основе магнитных систем охлаждения.
Как мы помним из детства, при воздействии магнитов на металл, он притягивался. Таким образом мы не только притягивали металлические предметы, но и неосознанно нагревали их. И не от того, что держали металл и магнит своими теплыми руками, а из-за воздействия магнитных полей на металлические предметы. Это явление физики называют магнетокалорическим эффектом.
Принцип работы магнитных холодильников
Когда металл находится в спокойном состоянии и на него не оказывается никакого влияния, то электронные связи двигаются хаотически, но как только на него начинают воздействовать внешние раздражители, такие как магнит, то электроны металлического предмета выстраиваются в ряд в одном и том же направлении из-за воздействия магнитного поля. Это явление называется изменением энтропии, то есть электроны ограничиваются в возможности свободно двигаться по любой траектории.
Но такое ограничение непостоянно. Электроны продолжают движение в определенном порядке, благодаря повышению энергии вибрации атомов, выделяя тепло. Поэтому, когда к металлическому объекту поднести магнит, то он нагревается. При этом нагревательный эффект у большинства металлов очень незначительный, но существует группы металлов, которые при таких условиях очень существенно нагреваются. К примеру, к таким металлам относится гадолиний.
Вам может показаться, что этот эффект лучше подходит для разогревания продуктов, а не для их замораживания и охлаждения. Но на самом деле магнетокалорический эффект можно заставить работать в обратную сторону, если металл сначала подвергнуть воздействию магнитного поля, а затем убрать внешний раздражитель. Тогда металлический предмет начинает процесс охлаждения. Теперь вы поняли принцип работы холодильного оборудования в будущем.
Чего уже удалось достичь?
Большинство холодильников будущего, которые в настоящий момент проходит ряд испытаний в научных лабораториях, пока что могут охлаждать при помощи магнетокалорического эффекта лишь небольшие объекты. На металл, на который воздействует магнитное поле, наносится специальная субстанция, в большинстве случаев, — гелий. Это вещество забирает у металлического предмета лишнее тепло, охлаждая металл, а затем прекращается воздействие магнитного поля, и металл становится очень холодным.
Получаемой температуры достаточно, чтобы металл можно было использовать, как охладитель. Принцип такого охлаждения известен был довольно давно, но пока что его широкое применение не получило широкого распространения в домашних условиях. Однако в конечном итоге широкие возможности магнитных систем охлаждения такие, как высокая эффективность, бесшумность и отсутствие потребности в применении химических хладагентов в будущем смогут вывести холодильники с магнитным охлаждением на потребительский рынок.
bystryerecepty.ru
Холодильник на магнитах
Использовать магнитное поле для осуществления движения поездов научились уже достаточно давно, а вот использовать его в качестве холодильника – это что-то новое. И хотя холодильник является одним из самых распространенных электробытовых приборов – за всю свою историю он претерпел мало конструктивных изменений, из которых ни одно нельзя считать кардинальным. Все тот же хладагент, который циркулирует по системе, забирая тепло на себя.
Но исследователям из General Electric Company (GE) традиционный принцип работы холодильника показался малоэффективным, и они решили использовать для охлаждения продуктов и напитков … магниты. По оценкам самих разработчиков, использование магнитных систем в холодильниках вместо химического хладагента не только более безопасно, но и может увеличить эффективность подобных бытовых приборов как минимум на 20-30 %. Более того, технологию можно будет реализовать в серийных моделях холодильников уже к концу этого десятилетия, а то и раньше. И хотя принцип работы своей установки разработчики пока не раскрывают, они продемонстрировали ее работу.
По правде говоря, идея использования магнитного поля для охлаждения предметов и веществ – не нова. Еще в 1880 году немецкий физик Эмиль Варбург наблюдал, как под воздействием переменного магнитного поля уменьшалась температура некоторых материалов. В 1930 году магнитные системы охлаждения проектировались в Национальной лаборатории в Лос-Аламосе в Нью-Мексико, США. Но тогда использовались сверхпроводники и достаточно низкие температуры, которые в условиях бытового прибора воссоздать просто нереально.
Сейчас же команде исследователей из GE благодаря многолетним исследованиям удалось разработать магниты на основе никель-марганцевых сплавов, которые прекрасно работают даже при комнатной температуре. Создав магнитную систему, которая позволяет осуществить серию из 50 этапов охлаждения, исследователям удалось понизить температуру вещества (в данном случае жидкости) на 80 °F.
Как отмечает руководитель группы Венкат Акришмен: «Еще никому не удавалось сделать подобное, хотя разработки в этом направлении вели многие исследовательские группы». Кроме того разработчикам из GE удалось уместить всю холодильную установку в объем, который занимает обычная микроволновая печь или портативный холодильник.
Источник информации: General Electric Company (www.gereports.com/post/75911607449/not-your-average-fridge-magnet)
| Следующая > |
scsiexplorer.com.ua
Магнитный холодильник | Cooks - Повара Казахстана
Ученые создали экономичный рефрижератор, работающий на принципе магнитного охлаждения; прибор может охлаждать материалы до минус 20,5 градусов Цельсия, при этом в его системах вместо фреона и других «парниковых» газов циркулирует вода, что делает технологию экологически безопасной, сообщает информационный портал ScienceNordic.
«Мы существенно повысили энергетическую эффективность давно известного принципа, так что магнитный холодильник, сделанный по нашей технологии, затрачивает в два раза меньше энергии, чем обычный», — сказал руководитель разработок, сотрудник факультета энергетической конверсии Технического университета Дании (DTU) Кристиан Бал (Christian Bahl), чьи слова приводятся в сообщении.
В обычных рефрижераторах процесс охлаждения происходит за счет использования сжатого газа — хладагента (это может быть аммиак, фреоны или некоторые углеводороды). Циркулируя в системе, он переходит из жидкого, «холодного», состояния в газообразное — «горячее». Проходя по трубкам внутри камеры холодильника, газ принимает тепло, забранное из нее испарителем, затем попадает в конденсатор, в котором остывает, отдавая тепло в окружающую среду вне холодильника.
Чтобы работала технология магнитного охлаждения, нужен сильный магнит и намагничиваемое вещество. Попеременное, «мигающее» (четыре раза в секунду) включение и выключение магнитного поля позволяет «подчинить» изменения температуры намагничиваемого вещества и значительно охладить его.
В основе технологии — применение так называемого магнитокалорического эффекта (МКЭ) — способности любого магнитного материала перераспределять внутреннюю энергию и изменять температуру. Этот эффект был открыт в 1881 году немецким ученым Эмилем Варбургом, применять его для охлаждения предложили американские ученые в 1933 году, однако, тогда считалось, что мощность магнитных рефрижераторов и рабочий интервал температур слишком малы для промышленных применений. Вместе с тем, магнитные холодильники компактнее компрессионных и, по предварительным оценкам, приносят меньше вреда окружающей среде.
Технология, созданная датскими специалистами, получила название MagCool. Она оказалась энергетически «успешной» благодаря удачному выбору намагничиваемого материала — ученые применили гадолиний, который сильно проявляет магнитные свойства уже при комнатной температуре (для сравнения, некоторые металлы намагничиваются при температуре около 100 градусов). Гадолиний (Gd) — химический элемент с атомным номером 64. Цены на чистый гадолиний на рынке металлов в 2012 году составили до 200 долларов за килограмм.
«Мы планируем доработать технологию, чтобы она получила промышленное применение… Скорее всего, уже через три-четыре года магнитные холодильники можно будет купить», — сказала руководитель проекта MagCool Нини Придс (Nini Pryds), чьи слова приведены в сообщении.
http://www.segodnya.ua
cooks.kz
