Manyetik soğutma

Manyetik soğutma, manyetokalorik etkiye dayalı bir soğutma teknolojisidir. Bu teknik, son derece düşük sıcaklıkların yanı sıra yaygın buzdolaplarında kullanılan sıcaklık aralıklarını elde etmek için kullanılabilir. Etki ilk olarak 1881'de Alman fizikçi Emil Warburg, ardından Fransız fizikçi P. Weiss ve İsviçreli fizikçi A. Piccard tarafından 1917'de izlendi. Temel ilke P. Debye (1926) ve W. Giauque tarafından (1927)’de öne sürüldü. İlk çalışan manyetik buzdolapları, 1933'ten başlayarak birkaç grup tarafından yapıldı. Manyetik soğutma, yaklaşık 0.3 K'nin altında soğutma için geliştirilen ilk yöntemdi ( buharlarını pompalayarak ulaşılabilen bir sıcaklık). == Manyetik soğutucular == === Manyetokalorik Etki === Artan veya azalan bir manyetik alan altında bulunan, manyetik malzemenin entropisindeki değişimden kaynaklanan adyabatik sıcaklık değişimine Manyetokalorik etki (MKE) denir. MKE ilk defa E. Warburg tarafından 1881 yılında demir üzerinde gözlenmiştir. Ancak MKE’nin doğası ve kullanım alanları, birbirinden bağımsız bir halde Peter Debye ve William Giauque tarafından 1920’lerin ortasında bulundu. Manyetik Soğutucu kavramı ise yine Giauque ve MacDougall tarafından 1930’ların başında ortaya atıldı. MKE’nin kullanım alanları ortaya çıktıkça ve manyetik soğutuculara ilgiarttıkça, kullanılan paramanyetik tuzlar yerine, MKE’nin daha çok gözlemleneceği malzemeler araştırılmaya başlandı. 1990’ların sonunda Gd ve Dy metallerinin ve alaşımlarının termomanyetik özelliklerinden dolayı manyetik rejeneratörlerde malzeme olarak kullanılabilecek en iyi elementler olduğu bulundu. === Sistemin Üstünlükleri === Sistemin en önemli üstünlüklerinden biri, soğutucu sıvının aynı zamanda sistemin rejeneratörü olmasıdır. Bu sayede sistem verimi artmaktadır. Ayrıca soğuk hava rezervi olarak oda sıcaklığının kullanılması da büyük bir enerji tasarrufu sağlamaktadır. Sistemin devamlılığını sağlayan sıvı olarak %80 su ve %20 etil kullanılabilmesi kullanılan malzemelerin bulunabilirliğini arttırmaktadır. === Sistem Verimliliği === de şematik olarak resmedilmiş olan makine düşük frekanslarda çalışmakta ve 600W soğutma gücü üretmektedir. Verimliliği ise 5T’lık manyetik alanda %60’a varmaktadır (Pecharsky, 1999). 1.5T’lık alan altında ise verimlilik %30 civarlarındadır (Pecharsky, 1999). Sırasıyla, 5 ve 1.5T’lık manyetik alanlar için performans katsayıları, 15 ve 3’tür. Bu nedenle manyetik soğutucuların, gelecekte şu an genel kullanımda olan gazın sıkıştırılması ve genleşmesi prensibiyle çalışan soğutucuların yerlerini alacaklarına kesin gözüyle bakılmaktadır. == Sistemin İşleyişi == === Aktif Manyetik Rejeneratör Döngüsü === * 1- Manyetik alan, B(B≠0) değerinden 0 değerine düşürülerek, manyetokalorik malzemenin bulunduğu yatak adyabatik olarak demanyetize edilir. * 2- Sıvı, pompa yardımıyla sıcak hava rezervinden soğuk hava rezervine yatak üzerinden geçirilir. Yatağa girerken sıvının sıcaklığı Tf’dir . Tf ise sıcak hava rezervinin sıcaklığına eşittir (Tf = TH). * 3-Sıvı yatağa girdikten sonra, yatakla ısı alışverişi olur ve sıvının sıcaklığı Tf,C ‘ye düşer. Bu sıcaklık soğuk hava rezervininkinden bir hayli düşüktür (Tf,C< TC). * 4-Sıcak hava rezervine giren sıvı, QC kadar bir ısı alır ve QC soğutucunun soğutma gücünü temsil eder. Qc=mfCf dTf,C (dTf,C=TC- Tf,C) * 5- Manyetik alan 0 değerinden B değerine yükseltilir ve yatak adyabatik olarak manyetize edilir. * 6- Sıvı soğuk hava rezervinden sıcak hava rezervine doğru pompa yardımıyla iletilir. Soğuk hava rezervinden ayrılırken sıvının sıcaklığı TC’dir. Manyetokalorik etkiyle sıcaklığı yükselmiş olan yatağa giren sıvının sıcaklığı Tf,H’ye yükselir ve sıvının sıcaklığı, sıcak hava rezervininkinden (TH) yüksek bir değere ulaşır. çalışma prensibi (Pecharsky,1999) * 7- Sıcak hava rezervine giren sıvı, rezerve ısı bırakır ve döngü baştan başlar. == Çalışmalar == === Yurtdışındaki Araştırmalar === Manyetik Soğutucular üzerine yurtdışında,¨gerek üniversitelerde gerekse özel sektörde yüzlerce araştırma grubu çalışmaktadır. MS için en çok bütçe ayıran ülkeler arasında ABD ve Japonya gelmektedir. Özellikle ABD, NASA aracılığı ile MS konusunda öncü araştırmalar yapmakta ve DOE’nin destekleriyle bu teknolojiyi evlere kadar getirmeye çalışmaktadır. Bütün dünya çapında MS konusuna ilgi gittikçe artmakta ve bu teknolojinin önemi gün geçtikçe anlaşılmaktadır. Gerek doğal dengeye daha az zarar vermesi, gerekse yüksek verimle çalışan sistemiyle MS, bütün dünya ülkeleri açısından zaman geçtikçe daha çok araştırma bütçesi ayrılan bir konu olmuştur. === Türkiye'deki Araştırmalar === Türkiye'de de MS konusunda son birkaç yıldır çalışmalar başlamış ve sayıları şu an için çok olmasa da araştırma grupları kurulmaya başlanmıştır. Türkiye'de büyük sanayi merkezleri bulunmaktadır ve eğer MS teknolojisi öncelikli olarak sanayide kullanılmaya başlanırsa, yüksek bir enerji tasarrufu ve daha temiz bir çevre elde edilebilir. Bu nedenlerden dolayı Türkiye'de MS konusunda yapılan çalışmalara destek verilmesi ve yeni çalışmalar başlatılması gerekmektedir. === Manyetik Soğutucuların Geleceği === Şu an kullandığımız soğutucuların aksine teknolojik gelişimi daha bitmemiş olan manyetik soğutucular, üzerinde çalışmalar yapıldıkça daha verimli bir hale getirilebilecektir. Daha çok bütçe ayrıldıkça malzeme araştırmaları yapan grupların, daha verimli malzemeler bulacağına kesin gözüyle bakılmaktadır. Ayrıca hidrojen gelecekte bir yakıt olarak yerini almakta ve MS ise hidrojen yakıtı üretmekte kullanılabilmektedir. Uygulandığı takdirde, yüksek enerji verimliliği ve düşük çevre kirliliği sağlayacağından dolayı MS, üzerinde araştırma yapılması gereken bir konudur. Room temperature magnetic refrigerators Institute/Company Location Announcement date Type Max. cooling power (W)[1] Max ΔT (K)[2] Magnetic field (T) Solid refrigerant Quantity (kg) Ames Laboratory/AstronauticsZimm C, Jastrab A., Sternberg A., Pecharsky V.K., Gschneidner K.A. Jr., Osborne M. and Anderson I., Adv. Cryog. Eng. 43, 1759 (1998). Ames, Iowa/Madison, Wisconsin, USA February 20, 1997 Reciprocating 600 10 5 (S) Gd spheres Mater. Science Institute BarcelonaBohigas X., Molins E., Roig A., Tejada J. and Zhang X.X., IEEE Trans. Magn. 36 538 (2000). Barcelona, Spain May 2000 Rotary ? 5 0.95 (P) Gd foil Chubu Electric/ToshibaHirano N., Nagaya S., Takahashi M., Kuriyama T., Ito K. and Nomura S. 2002 Adv. Cryog. Eng. 47 1027 Yokohama, Japan Summer 2000 Reciprocating 100 21 4 (S) Gd spheres University of VictoriaRowe A.M. and Barclay J.A., Adv. Cryog. Eng. 47 995 (2002).Rowe A.M. and Barclay J.A., Adv. Cryog. Eng. 47 1003 (2002).Richard M.A., Rowe A.M. and Chahine R., J. Appl. Phys. 95 2146 (2004). Victoria, British Columbia Canada July 2001 Reciprocating 2 14 2 (S) Gd & Gd1−xTbx L.B. AstronauticsZimm C, Paper No K7.003 Am. Phys. Soc. Meeting, March 4, Austin, Texas (2003) Madison, Wisconsin, USA September 18, 2001 Rotary 95 25 1.5 (P) Gd spheres Sichuan Inst. Tech./Nanjing UniversityWu W., Paper No. K7.004 Am. Phys. Soc. Meeting, March 4, Austin, Texas (2003) Nanjing, China 23 April 2002 Reciprocating ? 23 1.4 (P) Gd spheres and Gd5Si1.985Ge1.985Ga0.03 powder Chubu Electric/ToshibaHirano N., Paper No. K7.002 Am. Phys. Soc. Meeting March 4, Austin, Texas, Yokohama, Japan October 5, 2002 Reciprocating 40 27 0.6 (P) Gd1−xDyx L.B. Chubu Electric/Toshiba Yokohama, Japan March 4, 2003 Rotary 60 10 0.76 (P) Gd 1−xDyx L.B. 1 Lab. d’Electrotechnique GrenobleClot P., Viallet D., Allab F., Kedous-LeBouc A., Fournier J.M. and Yonnet J.P., IEEE Trans. Magn. 30 3349 (2003). Grenoble, France April 2003 Reciprocating 8.8 4 0.8 (P) Gd foil George Washington University USA July 2004 Reciprocating ? ? ? (P) Gd foil AstronauticsZimm C, Paper No. K7.003 Am. Phys. Soc. Meeting, March 4, Austin, Texas (2003) Madison, Wisconsin, USA 2004 Rotary 95 25 1.5 (P) Gd and GdEr spheres / La(Fe0.88Si0.12)13H1.0 University of VictoriaRowe A.M. and Tura A., International Journal of Refrigeration 29 1286-1293 (2006). Victoria, British Columbia Canada 2006 Reciprocating 15 50 2 (S) Gd, Gd0.74Tb0.26 and Gd0.85Er0.15 pucks 0.12 1maximum cooling power at zero temperature difference (ΔT=0); 2maximum temperature span at zero cooling capacity (W=0); L.B. = layered bed; P = permanent magnet; S = superconducting magnet In one example, Prof. Karl A. Gschneidner, Jr. unveiled a proof of concept magnetic refrigerator near room temperature in February 20, 1997. He also announced the discovery of the giant MCE (GMCE) in Gd_{5}Si_{2}Ge_{2} on June 9, 1997 (see below). Since then, hundreds of peer-reviewed articles have been written describing materials exhibiting magnetocaloric effects. --> == Kaynakça == * Lounasmaa, Experimental Principles and Methods Below 1 K, Academic Press (1974). * Richardson and Smith, Experimental Techniques in Condensed Matter Physics at Low Temperatures, Addison Wesley (1988). === Notlar === 22\. E. Yüzüak, Journal Of Alloys Compounds, 476 (2009)929 == Ayrıca bakınız == * Thermoacoustic refrigeration * Dilution refrigerator == Dış bağlantılar == * NASA - How does an Adiabatic Demagnetization Refrigerator Work ? * What is magnetocaloric effect and what materials exhibit this effect the most? * Magnetocaloric materials keep fridges cool by C. Wu * Ames Laboratory news release, May 25, 1999, Work begins on prototype magnetic-refrigeration unit. * Magnetic refrigerator successfully tested * Refrigeration Systems Terry Heppenstall's notes, University of Newcastle Upon Tyne (November 2000) * XRS Adiabatic Demagnetization Refrigerator * Executive Summary(.doc format) A Continuous Adiabatic Demagnetization Refrigerator () * Origin and tuning of the magnetocaloric effect in the magnetic refrigerant Mn1.1Fe0.9(P0.8Ge0.2) Kategori:Soğutma teknolojisi Kategori:İstatistiksel mekanik Kategori:Yoğun madde fiziği Soğutma