| початок розділу
Виробничі, аматорські радіоаматорські Авіамодельний, ракетомодельного Корисні, цікаві |
хитрощі майстру
електроніка фізика технології винаходи |
таємниці космосу
таємниці Землі таємниці Океану хитрощі Карта розділу |
  |
| Використання матеріалів сайту дозволяється за умови посилання (для сайтів - гіперпосилання) | |||
Навігація: => |
На головну / Винаходи / Цікаві винаходи / |
|
НОВЕ ПОКОЛІННЯ холодильного ОБЛАДНАННЯ
СПОСІБ МАГНІТНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ
Е. Н. Тиша
Дивись також: |
Технологія магнітного охолодження заснована на здатності будь-якого магнітного матеріалу змінювати свою температуру і ентропію під впливом магнітного поля, як це відбувається при стисканні або розширенні газу або пари в традиційних холодильниках. Така зміна температури або ентропії магнітного матеріалу при зміні напруженості магнітного поля, в якому він знаходиться, називається магнітокалоричний ефектом (МСЕ). Зміна температури магнітного матеріалу відбувається в результаті перерозподілу внутрішньої енергії магнітного речовини між системою магнітних моментів його атомів і кристалічною решіткою. Максимальної величини МСЕ досягає в магнітовпорядкованих матеріалах, таких як ферромагнетики, антиферомагнетики і т.п., при температурах магнітних фазових переходів (температурах магнітного впорядкування - Кюрі, Нееля і т.д.). Головна перевага апаратів для магнітного охолодження пов'язано з високою щільністю матеріалу - твердого тіла - в порівнянні з щільністю пара або газу. Зміна ентропії на одиницю об'єму в твердих магнітних матеріалах в 7 разів вище, ніж в газі. Це дозволяє робити значно більше компактні холодильники, використовуючи в якості робочого тіла магнітний матеріал. Саме магнітне робоче тіло служить аналогом хладагентов, використовуваних в традиційних парогазових холодильних установках, а процес розмагнічування-намагнічування - аналогом циклів стиснення - розширення.
Ефективність роботи холодильника головним чином визначається кількістю незворотною роботи, виробленої протягом циклу - для ефективних пристроїв воно повинно бути якомога нижче. У газовому рефрижераторі існують пристрої, що виробляють значну кількість незворотною роботи - це регенератор, компресор і теплообмінники. Значна частина незворотною роботи проводиться в теплообмінниках - вона прямо пропорційна адіабатичному зміни температури робочого тіла, яке значно більше в газі, ніж в магнітному матеріалі. З цієї причини найбільш ефективне відведення тепла відбувається в магнітному холодильному циклі, особливо в регенеративної. Спеціальна конструкція теплообмінника і використання регенератора з великою площею поверхні дозволяють домогтися малої частки незворотною роботи при магнітному охолодженні. Відповідно до теоретичних оцінками ефективність магнітного регенеративного холодильного циклу в температурному діапазоні від 4.5 до 300 К може становити від 38 до 60% ефективності циклу Карно (близько 52% в інтервалі температур від 20 до 150 К, і близько 85% в інтервалі від 150 до 300 К). При цьому на всіх етапах циклу умови теплопередачі будуть найбільш досконалими з відомих. Крім того, магнітні холодильники включають в себе невелику кількість рухомих деталей і працюють при низьких частотах, що дозволяє звести до мінімуму знос холодильника і збільшити час його експлуатації.
Основні принципи магнітного охолодження
МСЕ був відкритий порівняно давно (в 1881 році) Е. Варбургом (E. Warburg). Варбург спостерігав, як під дією магнітного поля залізний зразок нагрівався або охолоджувався. Вчений дійшов висновку про те, що зміна температури зразка є наслідок зміни внутрішньої енергії речовини, що володіє магнітною структурою, під дією поля. Однак до практичного використання цього явища було ще далеко. Ланжевен (Langevin, 1905) був першим, хто продемонстрував, що зміна намагніченості парамагнетика призводить до оборотного зміни температури зразка.
Власне магнітне охолодження було запропоновано через майже 50 років після відкриття МСЕ незалежно двома американськими вченими Петером Дебаєм (Peter Debye, 1926) і Вільямом Джіок (William Giauque, 1927) як спосіб досягнення температур нижче точки кипіння рідкого гелію. Джіок і Мак Дугалл були першими, хто продемонстрував найпростіший експеримент по магнітному охолодженню в 1933 році. (Трохи після це зробили і де Гааз (de Haas, 1933) і Курті (Kurti, 1934). В ході цього експерименту вдалося досягти температури 0.25 К, а в якості тепловідводної субстанції використовувався накачується рідкий гелій при температурі 1.5 До. Пігулка з магнітною сіллю перебувала в стані теплової рівноваги з тепловідвідними речовиною, поки в соленоїді існувало сильне магнітне поле. Коли ж соленоїд розряджався, магнітна таблетка термічно відокремилася і її температура знижувалася. Така техніка, звана охолодженням адиабатическим розмагнічуванням, є стандартною лабораторною технікою, яка застосовується для отримання наднизьких температур. Однак, потужність такого рефрижератора і його робочий інтервал температур занадто малі для промислових застосувань.
Більш складні методи, що включають в себе теплову регенерацію і циклічні зміни магнітного поля, були запропоновані в 60-х роках минулого століття. Дж. Браун з НАСА в 1976 році продемонстрував регенеративний магнітний холодильник, який діє вже поблизу кімнатної температури з робочим інтервалом температур в 50 К. Потужність холодильника і його ефективність і в цьому випадку були низькими, оскільки температурний градієнт необхідно було підтримувати шляхом перемішування тепловідводної рідини, а час, необхідний для зарядки і розрядки магніту було занадто великим. Невеликі малопотужні холодильні пристрої були побудовані в 80-х-90-х роках відразу в декількох дослідницьких центрах: Los Alamos National Lab, the Navy Lab at Annapolis, Oak Ridge National Lab, Astronautics (всі США), Toshiba (Японія).
В даний час роботи над невеликими магнітними холодильниками для космічних застосувань, що працюють за принципом адіабатичного розмагнічування, фінансуються кількома дослідницькими центрами НАСА. Дослідження можливостей магнітних холодильників для комерційних застосувань ведуться Astronautics Corporation of America (США, Вісконсін) і Університетом Вікторія (Канада). Вивченням матеріалів для робочих тіл магнітних холодильників з прикладної точки зору в даний час інтенсивно займаються Лабораторія Еймса (Ames, штат Айова), Університет Three Rivers в Квебеку (Канада), NIST (Gathersburg, MD) і компанія "Перспективні магнітні технології та консультації" ( AMT & C).
У 1997 році Astronautics Corporation of America продемонструвала щодо потужний (600 Ватт) магнітний холодильник, що працює поблизу кімнатної температури. Ефективність цього холодильника була вже порівнянна з ефективністю звичайних фреонових холодильників. Використовує активний магнітний регенератор (в цьому пристрої поєднані функції теплового регенератора і робочого тіла), цей холодильник працював протягом більш ніж 1500 годин, забезпечуючи робочий інтервал температур в 10 До поблизу кімнатної температури, потужність 600 Ватт, ефективність близько 35% по відношенню до циклу Карно при зміні магнітного поля величиною 5 Тесла. У описуваному пристрої застосовувався надпровідний соленоїд, а як робоче тіло використовувався рідкоземельні метал гадоліній (Gd). Чистий гадоліній використовувався в цій якості не тільки Astronautics, але і НАСА, Navy і ін. Лабораторіями, що обумовлено його магнітними властивостями, а саме - підходящої температурою Кюрі (близько 20 ° С) і досить значним магнетокалоріческім ефектом.
Величина МСЕ, а отже і ефективність процесу охолодження в магнітному холодильнику визначається властивостями магнітних робочих тел. У 1997 році Лабораторія Еймса повідомила про відкриття в з'єднаннях Gd5 (SiхGe1-х) 4 гігантського магнетокалоріческого ефекту. Температура магнітного впорядкування цих матеріалів може варіюватися в широких межах від 20 К до кімнатної температури завдяки зміні співвідношення вмісту кремнію (Si) і германію (Ge). Найбільш перспективними для використання в якості робочих тіл в даний час вважаються метал гадоліній, ряд інтерметалевих з'єднань на основі рідкоземельних елементів, система з'єднань силіцидів-германідов Gd5 (Ge-Si) 4, а і La (Fe-Si) 13. Застосування цих матеріалів дозволяє розширити робочий інтервал температур холодильника і істотно поліпшити його економічні показники.
Зауважимо, однак, що піонерські роботи з пошуку ефективних сплавів для робочих тіл магнітних холодильників були виконані на кілька років раніше на фізичному факультеті Московського університету. Найбільш повні результати цих досліджень викладені в докторській дисертації провідного наукового співробітника фізичному факультеті МГУ А. М. Тиша 1994 року. В ході цієї роботи були проаналізовані численні можливі комбінації рідкоземельних і магнітних металів і інших матеріалів з точки зору пошуку оптимальних сплавів для реалізації магнітного охолодження в різних діапазонах температур. Було виявлено, зокрема, що серед матеріалів з високими магнетокалоріческімі властивостями з'єднання Fe49Rh51 (сплав заліза з родієм) володіє найбільшою питомою (тобто припадає на одиницю магнітного поля) магнетокалоріческім ефектом. Величина питомої МСЕ для цього з'єднання в кілька разів більше, ніж в сполуках силіцидів-германідов. Цей сплав не може бути використаний на практиці через його велику вартість, а й істотних гістерезисних ефектів в ньому, проте, він може служити своєрідним еталоном, з яким слід порівнювати магнетокалоріческіе властивості досліджуваних матеріалів.
Нарешті, в січні цього року журнал Science News (v.161, n.1, p.4, 2002) повідомив про створення в США першого в світі побутового (тобто застосовується не тільки в наукових, але і в побутових цілях) холодильника. Працююча модель такого холодильника була виготовлена спільно Astronautics Corporation of America і Ames Laboratory і вперше продемонстровано на конференції Великої Вісімки в Детройті в травні 2002 року. Робочий прототип пропонованого побутового магнітного холодильника діє в області кімнатних температур і використовує в якості джерела поля постійний магніт. Говорячи про це революційному досягненні, професор Карл Шнайднер з Лабораторії Еймса зазначив: "Ми є свідками історичної події в розвитку техніки. У демонструвалися раніше магнітних холодильних пристроях використовувалися великі надпровідні магніти, але в цьому новому магнітному холодильнику вперше застосований постійний магніт, який не потребує охолодження" .
Пристрій одержав високу оцінку експертів і міністра енергетики США. Оцінки показують, що застосування магнітних холодильників дозволить зменшити загальне споживання енергії в США на 5%. Планується, що магнітне охолодження зможе використовуватися в самих різних областях людської діяльності - зокрема, в зріджувач водню, охолоджуючихпристроях для високошвидкісних комп'ютерів і приладів на основі СКВИДов, кондиціонерах для житлових і виробничих приміщень, охолоджуючих системах для транспортних засобів, в побутових і промислових холодильниках і т.п. Необхідно відзначити, що роботи по магнітним холодильним пристроям фінансуються міністерством енергетики США вже протягом 20 років.
конструкція холодильника
У створеному прототипі магнітного холодильника використовується обертається колісна конструкція. Вона складається з колеса, що містить сегменти з порошком гадолінію, а й потужного постійного магніту.
Конструкція спроектована таким чином, що колесо прокручується через робочий зазор магніту, в якому сконцентровано магнітне поле. При входженні сегмента з гадолинием в магнітне поле в гадолините виникає магнетокалоріческій ефект - він нагрівається. Це тепло відводиться теплообмінником, що охолоджується водою. Коли гадолиний виходить із зони магнітного поля, виникає магнетокалоріческій ефект протилежного знака і матеріал додатково охолоджується, охолоджуючи теплообмінник з циркулюючим в ньому другим потоком води. Цей потік власне і використовується для охолодження холодильної камери магнітного холодильника. Такий пристрій є компактним і працює фактично безшумно і без вібрацій, що вигідно відрізняє його від використовуються сьогодні холодильників з парогазовим циклом.
"Постійний магніт і робоче тіло в вигляді гадолінію не вимагають підведення енергії, - говорить професор Карл Шнайднер з Ames Laboratory. Енергія необхідна для обертання колеса і забезпечення роботи водяних насосів".
Вперше ця технологія була апробована ще в вересні 2001 року. В даний час йде робота над подальшим розширенням її можливостей: вдосконалюється технологічний процес комерційного виробництва чистого гадолінію і необхідних його сполук, який дозволить домогтися більшої величини МСЕ при менших витратах. Одночасно співробітники Лабораторії Еймса сконструювали постійний магніт, здатний створювати сильне магнітне поле. Новий магніт створює поле в два рази більше, ніж магніт у попередній конструкції магнітного холодильника (2001 рік), що є дуже важливим, тому що величина магнітного поля визначає такі параметри холодильника, як ефективність і вихідна потужність. На процес отримання з'єднання для робочого тіла Gd5 (Si2Ge2) і конструкцію постійного магніту подані заявки на патент.
Переваги, недоліки і сфери застосування
Всі магнітні холодильники можна розділити на два класи за типом використовуваних магнітів: системи, що використовують надпровідні магніти і системи на постійних магнітах. Перші з них мають широкий діапазон робочих температур і відносно високою вихідною потужністю. Вони можуть використовуватися, наприклад, в системах кондиціонування великих приміщень і в обладнанні сховищ харчових продуктів. Охолоджуючі системи на постійних магнітах мають відносно обмежений температурний діапазон (не більше, ніж на 30 ° C за один цикл) і, в принципі, можуть застосовуватися в пристроях із середньою потужністю (до 100 Ватт) - таких як автомобільний холодильник і портативний рефрижератор для пікніка . Але і ті, і інші мають цілу низку переваг над традиційними парогазовими холодильними системами:
Низька екологічна небезпека: Робоче тіло - тверде і може бути легко ізольовано від навколишнього середовища. Застосовувані в якості робочих тіл метали лантаніди малотоксични, і можуть бути використані повторно після утилізації пристрою. Тепловідвідними середовище повинне мати всього лише низькою в'язкістю і достатньою теплопровідністю, що добре відповідає властивостям води, гелію або повітря. Останні добре сумісні з навколишнім середовищем.
Висока ефективність. Магнітокалоричний нагрівання і охолоджування - практично оборотні термодинамічні процеси, на відміну від процесу стиснення пари в робочому циклі парогазового холодильника. Теоретичні розрахунки і експериментальні дослідження показують, що магнітні охолоджуючі установки характеризуються більш високими ККД і економічністю. Зокрема, в області кімнатних температур магнітні холодильники потенційно на 20-30% ефективніше, ніж працюють за парогазову циклу. Технологія магнітного охолодження в перспективі може бути дуже ефективною, що дозволить значно скоротити вартість таких установок.
Довгий термін експлуатації. Технологія передбачає використання малого числа рухомих деталей і низьких робочих частот в охолоджуючихпристроях, що значно скорочує їх знос.
Гнучкість технології. Можливе використання різних конструкцій магнітних холодильників в залежності від призначення.
Корисні властивості заморозки. Магнітна технологія дозволяє проводити охолоджування і заморожування різних речовин (вода, повітря, хімікати) з незначними змінами для кожного випадку. На відміну від цього, ефективний парогазовий цикл охолодження вимагає багатьох окремих ступенів або суміші різних робочих тіл-охолоджувачів для проведення такої ж процедури.
Швидкий прогрес у розвитку надпровідності і поліпшенні магнітних властивостей постійних магнітів. В даний час цілий ряд відомих комерційних компаній успішно займаються поліпшенням властивостей магнітів NdFeB (найбільш ефективні постійні магніти) і працюють над їх конструкціями. Поряд з відомим прогресом в області надпровідності це дозволяє сподіватися на поліпшення якості магнітних холодильників і одночасне їх здешевлення.
Недоліки магнітного охолодження
- Необхідність екранування магнітного джерела.
- Відносно висока в даний час ціна джерел магнітного поля.
- Обмежений інтервал зміни температури в одному циклі охолодження в системах на постійних магнітах. (Не більше 30 ° С).
Чи буде Росія самостійно розвивати сверхперспектівную технологію?
У нашій країні до теперішнього часу проблема магнітного охолодження існує тільки на рівні наукових лабораторій, хоча саме російські вчені на початку 90-х років виконали перші роботи з теорії та практиці застосування МСЕ для створення магнітних холодильних машин. У співавторстві з співробітниками компанії "Перспективні магнітні технології та консультації" і фізичного факультету МДУ вже багато років працюють творці робочого прототипу магнітного холодильника, про який йшла мова вище. На жаль, в Росії такі розробки ведуться на недостатньому рівні через відсутність необхідних коштів. Можна не сумніватися, що при відповідній фінансовій підтримці державних або комерційних структур розробка технології і виробництво магнітних холодильників в Росії безумовно можливі. На нашу думку необхідно в самий найближчий час залучити до робіт в даному напрямку всі зацікавлені сторони.
Версія для друку
Автор: Е. Н. Тиша
PS Матеріал захищений.
Дата публікації 08.12.2004гг
Ви також можете підтримати shram.kiev.ua, тисніть:
Не зайвим буде і твоїм друзям дізнатися цю інформацію, поділися з ними статтею!
Коментарі
Коментуючи, пам'ятайте про те, що зміст і тон Вашого повідомлення можуть зачіпати почуття реальних людей, проявляйте повагу та толерантність до своїх співрозмовників навіть у тому випадку, якщо Ви не поділяєте їхню думку, Ваша поведінка за умов свободи висловлювань та анонімності, наданих інтернетом, змінює не тільки віртуальний, але й реальний світ. Всі коменти приховані з індексу, спам контролюється.