Numerical investigation of a magnetic refrigeration system for near-room temperature applications
Oda sıcaklığı civarındaki uygulamalar için manyetik soğutma sisteminin sayısal incelenmesi
Yazar: TUNAHAN AKIŞ
Danışman: DOÇ. DR. MEHMET AKİF EZAN ; DOÇ. DR. ORHAN EKREN
Dokuz Eylül Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Termodinamik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında, manyetokalorik etki ve manyetokalorik rejeneratörün mühendislik uygulamaları sayısal olarak irdelenmiştir. Silindirik ve paralel plaka olarak isimlendirilen iki farklı rejeneratör tipi irdelenmiştir. Bu yapılar, çoğunlukla manyetik soğutma teknolojisinde manyetokalorik malzeme olarak kullanılan Gadolinium elementi ile oluşturulmuştur. Paralel plaka rejeneratör birbirlerine paralel olarak düzenlenmiş Gadolinyum plakalarını içermektedir. Silindirik rejeneratör ise silindir olarak şekillendirilmiş Gadolinyum ile oluşturulmuştur. Manyetokalorik etki (MKE) Weiss ortalama alan teorisi ile hesaplanmıştır. Ayrıca MKE karakteristikleri alternatif bir metod olan ortalama alan yaklaşımı ile irdelenmiştir. Süreklilik ve korunum denklemleri SIMPLE algoritması ile çözümlenmiştir. Temel olarak, döngü süresi, piston hızı, basınç farkı değeri, düzeltme faktörü ve tasarım oranı parametreleri nümerik irdeleme için seçilmiştir. Elde edilen bulgularda, öncelikle MKE literatür ile doğrulanmıştır. Sırasıyla, paralel plaka ve silindirik rejeneratör için maksimum sıcaklık düşümleri 0,15 cm/s piston hızında 9,9 K ve 1,2 s döngü süresi için 8,28 K olarak tespit edilmiştir. Öte yandan, silindirik rejeneratördeki yapısal irdeleme rejeneratör performansını iyileştirmiş ve daha küçük Gadolinyum çapları, 1,2 s döngü süresi ve 40 mm Gadolinyum yarıçapı için 8,85 K sıcaklık düşümü sağlamıştır. En önemli bulgu ise, artan döngü süreleri ve ısı transfer akışkanı hızının, rejeneratör performasını olumsuz yönde etkilediğinin gözlenmesidir.

Abstract:
In this thesis, the magnetocaloric effect and engineering applications of magnetocaloric regenerator are examined numerically. Two different types of regenerators, namely, cylindrical and parallel plate regenerators, are considered. Each of them made of Gadolinium element, which is commonly used in magnetic cooling technology as a magnetocaloric material. Parallel plate regenerator consists of Gadolinium plates arranged parallel to each other. The cylindrical regenerator contains cylindrically shaped Gadolinium. Heat transfer fluid is driven with pistons in parallel plate regenerator, but cylindrical regenerator is using pumps for driving heat transfer fluid. Magnetocaloric effect (MCE) was obtained by Weiss's mean field theory, and also dimensionless MCE characteristics are determined with an alternative method, namely mean-field approximation. SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations) algorithm was used for the solution of continuity and conservation equations. Basically, the cycle duration, piston velocity, pressure difference value, utilization factor, and design ratio are selected parameters, and the most suitable operating conditions within these parameters are determined. MCE characteristics are obtained coherently with literature. The maximum temperature span is observed as 9.9 K for piston velocity 0.15 cm/s and 8.28 K for 1.2 s cycle duration for parallel plate regenerator and cylindrical regenerator, respectively. Furthermore, structural examination at cylindrical regenerator shows that smaller Gadolinium diameter increases maximum temperature span and temperature span is calculated as 8.85 K for 1.2 s cycle duration and 40 mm Gadolinium radius. In conclusion, the most important result is increasing cycle durations, and heat transfer fluid velocity has a negative effect on regenerator performance.