СТАТИЧЕСКИЙ МАГНИТНЫЙ РЕФРИЖЕРАТОР

Полезная модель относится к холодильной или тепловой технике, а именно к холодильным машинам или тепловым насосам, использующим магнитный материал в качестве рабочего тела и магнитокалорический эффект для охлаждения или нагрева теплоносителя.
В холодильной и тепловой технике машины, использующие магнитные материалы в качестве рабочего тела и магнитокалорический эффект (МКЭ) для охлаждения и нагревания, называют магнитными рефрижераторами [Теплотехника / А.М.Архаров, И.М.Архаров, В.Н.Афанасьев и др.; Под общ. Ред. А.М.Архарова, В.Н.Афанасьева. -2-е изд., перераб. и доп. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2004. - 712 с.: ил.].
Магнитные рефрижераторы классифицируют:
- по рабочей области температур (криогенные, комнатные температуры);
- по способу увеличения перепада температур (с регенерацией теплоты, каскадные):
- по виду движения рабочего тела и магнитной системы относительно друг друга (возвратно-поступательные, роторные);
- по способу организации теплового контакта между рабочим телом и источником теплоты (с тепловыми ключами, промежуточным теплоносителем, механическим контактом и т.д.);
- по виду магнитной системы (с постоянным магнитом, электромагнитом, СП-магнитом).
Из известных аналогов можно привести патенты США 3413814, 4107935, 4408463, 4507928, 4332135, 5934078, 6526759, патент Франции FR 2580385; патенты СССР SU 1629706 A1, SU 1638493 A1, SU 1651055 A1, SU 1726930 A1, SU 1726931 A1, патенты России RU 2040740 C1, RU 2252375 C1. В данных патентах приводятся конструкции магнитных тепловых машин, в состав которых входят: контур с теплоносителем, в котором движение теплоносителя осуществляется при помощи насоса или реверсивного нагнетателя, холодный и горячий теплообменный аппарат, магнитоактивное рабочее тело, запорные элементы трубопровода. Среди которых есть магнитные рефрижераторы с одноконтурной, двухконтурной и т.д. схемой контура. Может быть использован электромагнит, постоянный или СП-магнит, относительно активной зоны которого рабочее тело совершает движение либо возвратно-поступательное (патенты США 4332135, 4507928, 5934078), либо вращательное (патенты США 4107935, 4408463, 6526759). В качестве магнитного рабочего тела обычно используют интерметаллические соединения, сплавы и керамику на основе редкоземельных элементов (лантаноидов).
Общим недостатком известных магнитных рефрижераторов является то, что их работа основана на необходимости механического движения либо магнита относительно рабочего тела, либо рабочего тела относительно магнита. Это приводит, как правило, к усложнению конструкции и снижению времени эксплуатации устройства за счет ускоренного изнашивания движущихся и трущихся деталей.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является устройство по патенту US 3413814, которое и принято за прототип. Данное устройство содержит магнитное рабочее тело, горячий и холодный теплообменники, устройство, обеспечивающее перемещение теплоносителя по контуру, магнит. Намагничивание рабочего тела осуществляется за счет изменения его положения относительно магнита синхронно с изменением положения поршня нагнетателя. Рабочий цикл данного устройства состоит из двух адиабатических стадий (намагничивание/размагничивание) и двух стадий, осуществляемых при постоянном магнитном поле (во время этих стадий происходит продувка теплоносителя через контур). На первой стадии цикла поршень нагнетателя находится в крайнем правом положении (теплоноситель находится в холодном теплообменнике), а магнитный материал в регенераторе адиабатически намагничивается, что вызывает повышение его температуры на величину магнитокалорического эффекта. На второй стадии цикла (горячая продувка) с помощью нагнетателя происходит перемещение теплоносителя от холодного теплообменника к горячему, при этом тепло, выделившееся при намагничивании в магнитном регенераторе, передается теплоносителю и выделяется в окружающую среду в горячем теплообменнике. На третьей стадии цикла, когда поршень нагнетателя находится в крайней левой позиции и движения теплоносителя в контуре не происходит, магнитный материал в регенераторе адиабатически размагничивается, что вызывает его охлаждение на величину магнитокалорического эффекта. На четвертой завершающей стадии цикла (холодная продувка) теплоноситель под действием поршня нагнетателя перемещается в обратном направлении (от горячего теплообменника к холодному), охлаждается в регенераторе и поступает в холодный теплообменник, где охлаждает нагрузку. Потоки теплоносителя во время холодной и горячей продувок должны иметь противоположные направления. Таким образом, повторение цикла вызывает охлаждение холодного теплообменника, т.к. тепло отбирается от нагрузки и отдается в окружающую среду в горячем теплообменнике.
Недостатком этого устройства является наличие трения между стенками цилиндра и поршнем нагнетателя, а также необходимость перемещения рабочего тела относительно магнита для его намагничивания-размагничивания, что приводит к ускоренному изнашиванию движущихся и трущихся деталей, а наличие дополнительных двигателей для осуществления движения к повышенным энергетическим потерям.
Задача предполагаемой полезной модели заключается в разработке магнитного рефрижератора с повышенным сроком эксплуатации за счет исключения механического движения относительно магнита и рабочего тела относительно друг друга.
Дополнительный результат - упрощение конструкции за счет исключения дополнительных двигателей.
Задача решается за счет того, что в известное устройство, содержащее магнитное рабочее тело, горячий и холодный теплообменники, устройство, обеспечивающее перемещение теплоносителя по контуру и магнит, внесены следующие изменения:
- рабочее тело заключено в корпус из немагнитного материала, например, меди, который размещен внутри электромагнита и представляет собой его сердечник;
- вышеуказанный корпус из немагнитного материала с двух сторон закрыт фланцами с отверстиями; и крышками с теплоизоляцией;
- вышеуказанный корпус содержит предназначенные для циркуляции теплоносителя трубки, проходящие сквозь расположенное в корпусе рабочее тело и через отверстия во фланцах;
- вышеуказанный корпус из немагнитного материала с двух сторон закрыт теплоизолирующими крышками с патрубками для вывода теплоносителя в трубопровод контура.
- контур содержит запорную арматуру, например, электромагнитные клапаны и/или вентили, которые выполнены с возможностью переключения синхронно с включением/выключением электромагнита, что обеспечивает изменение направления потока теплоносителя либо через холодный, либо через горячий теплообменник;
- процесс намагничивания/размагничивания рабочего тела осуществляется при помощи включения/выключения электромагнита.
В качестве рабочего тела может быть использовано вещество с высокими значениями интенсивного магнитокалорического эффекта в диапазоне температур 100-350К.
Новизна предложенного устройства заключается в том, что совокупность отличительных признаков позволяет получить эффект намагничивания/размагничивания рабочего тела только за счет включения и выключения электромагнита, без изменения положения как рабочего тела, так и электромагнита. Исключение механического движения рабочего тела и электромагнита позволяет увеличить срок эксплуатации устройства, а также снизить его энергоемкость. Дополнительный положительный эффект заключается в упрощении конструкции устройства за счет исключения механизмов предназначенных для обеспечения изменения положения магнита или рабочего тела относительно друг друга.
Полезная модель поясняется следующими изображениями:
Фиг.1. Схема магнитного рефрижератора с двумя рабочими контурами.
Фиг.2. Изображение корпуса с рабочим телом, расположенным в электромагните: (продольный разрез).
Фиг.3. Изображение корпуса с рабочим телом, расположенным в электромагните (поперечный разрез).
Фиг.4. График температурной зависимости МКЭ для некоторых перовскитов манганитов, где 1 - La0.9Ag0.1MnO3; 2 - La0.8Ag0.2MnO3; 3 - La0.8Ag0.15MnO3 (PO2=5 Bar); 4 - La0.8Ag0.15MnO3 (PO2=1 Bar).
В контур предлагаемого магнитного рефрижератора входят вентили 1, 2, 3 и 4, насос 5, электромагнит 6, горячий теплообменник 7 и холодный теплообменник 8. Сердечник электромагнита 6 представляет собой цилиндрический корпус 9 из немагнитного материала, например, меди, закрытый с двух сторон фланцами 10 с отверстиями для трубок 11 и крышками 12 с термоизоляцией 13, через которые при помощи насоса 5 прокачивают теплоноситель 14. Рабочее тело 15 заключено в корпус 9, который размещен внутри электромагнита 6, а обмотка 16 электромагнита 6 расположена вокруг корпуса 9.
Описание работы предложенного устройства.
Работа устройства в режиме AMP холодильника происходит следующим образом. При включенном электромагните открыты вентили 1 и 2, а вентили 3 и 4 закрыты и циркуляция теплоносителя происходит через горячий теплообменник 7. При этом рабочее тело 15 намагничено, происходит магнитокалорический эффект (МКЭ), выделившееся тепло отводится при помощи теплоносителя через горячий теплообменник 7. При выключении электромагнита возникает МКЭ с противоположным знаком, вентили 1 и 2 закрываются, а вентили 3 и 4 открываются и теплоноситель циркулирует через холодный теплообменник 8, охлаждая его. Затем цикл повторяется. Цикличность процесса достигается попеременным включением вентилей горячего и холодного контуров синхронно с включением/выключением электропитания электромагнита.
Работоспособность предлагаемого устройства будет обеспечена выбором в качестве рабочего тела веществ, проявляющих относительно высокие значения интенсивного магнитокалорического эффекта в диапазоне температур 100-350К
Вещество
Т, К
ΔT, K
ΔН, кЭ
MnAs
312-280
13
50
Tb
230
10.5
60
Gd
296
11.2
50
Gd<sub>3</sub>Al<sub>2</sub>
281
7
100
Gd<sub>5</sub>Si<sub>2</sub>Ge<sub>2</sub>
280
15
50
Lа<sub>2/3</sub>(Са, Р1)<sub>1/3</sub>МnО<sub>3</sub>
296
5.7
70
La<sub>0.8</sub>Ag<sub>0.15</sub>MnO<sub>3</sub>
270
2.8
26
0.8
0.15
3
max
Из таблицы видно, что редкоземельный чистый металл гадолиний Gd и его соединения обладают гигантским магнитокалорическим эффектом при комнатных температурах. Это нашло применение в магнитном охлаждении, но эти материалы имеют сравнительно высокую стоимость (190-450 долл. за 1 кг). Однако манганиты со структурой перовскита R1-хАхМnО3 и переменной валентностью марганца также обладают достаточным магнитокалорическим эффектом при комнатных температурах, при гораздо более низкой стоимости (10-20 долл. за 1 кг). Поэтому с точки зрения обеспечения достаточной эффективности работы предлагаемого магнитного рефрижератора и снижения его себестоимости оптимальным будет выбор в качестве рабочего тела манганита со структурой перовскита в виде порошка, гранул или тонких пленок напыления, тем самым определяя значение рабочей температуры предлагаемого устройства. В манганите перовските в одном цикле изменение температуры при температурах близких к комнатной составляло порядка ΔТ=2К. Как видно из графика на фиг.4, максимальное значение МКЭ наблюдается для состава LaAgMnO, достигая значений ΔТ=2.8 К в поле 26 kOe, T≈270 К. [Phan M H and Yu S С Review of the magnetocaloric effect in manganite materials J. Magn. Magn. Mater. 308 (2007) 325.].
Рабочий диапазон температур достигают подбором состава твердого раствора перовскита манганита с максимумом магнитокалорического эффекта. Для расширения рабочего диапазона температур можно в качестве рабочего тела использовать смесь порошков или гранул манганитов с различными температурными максимумами МКЭ. Достижения требуемых температур достигают применяя каскадное адиабатическое размагничивание парамагнетика, другими словами, многократно (циклически) производят магнитокалорический процесс для разных соединений, используя последовательное охлаждение предыдущим элементом рабочего тела последующего. Для этого можно корпус разделить на отдельные секции для размещения в каждой секции последовательно манганитов с различным температурным максимумом МКЭ. Либо можно последовательно установить 2 или более электромагнитов таким образом, чтобы в каждом из них в корпусе сердечника размещалось рабочее тело с различным температурным максимумом МКЭ.