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Abstract
Die magnetische Kühlung wurde ab zirka 1930 in der Tieftemperaturphysik eingesetzt um unter ein Kelvin weiter abzukühlen. Dies geschah für kürzer dauernde Forschungsarbeiten normalerweise in einem einstufigen Kälteprozess. Die Materialtechnologie hat in den letzten Jahren mit Hilfe der Nanotechnologie enorme Fortschritte erzielt. Dazu gehört die Entwicklung von magnetokalorischen Materialien (Legierungen) mit Curietemperaturen (Arbeitstemperaturen) bis zu und sogar über Raumtemperatur (heute bis zu 200 Grad Celsius). Dies erlaubt nun die Konstruktion ganz neuer umweltfreundlicher Kältemaschinen, die anstatt mit oftmals umweltproblematischen Kältemitteln mit unproblematischen Metalllegierungen und Wasser oder Luft arbeiten. Ziel des Projektes war die Entwicklung eines Prototyps für eine kontinuierlich bei Raumtemperatur arbeitende Kältemaschine, die mit dem Prinzip des regenerativen Rotationswärmetauschers und ohne umweltproblematische Kältemittel arbeitet.
Die von der Gebert Rüf Stiftung durch das Projekt "P-051/00 : Modell- und Numerikgruppe" an der Fachhochschule in Yverdon aufgebaute Forschungsgruppe hat die enorme Entwicklung neuer magnetokalorischer Materialien mit hohen Curietemperaturen (Arbeitstemperaturen) und "riesigen" magnetokalorischen Effekten sehr früh erkannt und sofort Patente für geeignete thermodynamische Kreisprozesse und entsprechende magnetische Kältemaschinen eingereicht. Die Gruppe hat den regenerativen Rotationswärmetauscher - der seit Jahren Stand der Technik ist - als ideales Grundelement eingesetzt um das zur Zeit weltweit wohl einfachste Prinzip zur magnetischen Kälteproduktion zu konstruieren.
Die Forschungsgruppe HEIG-SIT in Yverdon hat wichtige Kontakte zu führenden Wissenschaftern (z.B. K. A. Gschneidner, Vitalij K. Pecharsky, A. M. Tishin, E. Brück, B. Yu) und Herstellern von magnetokalorischen Materialien, z.B. BASF in Ludwigshafen, Vacuumschmelze in Hanau, usw. hergestellt. Zudem hat der Projektleiter beim Internationalen Kälteverband IIF/IIR eine neue Arbeitsgruppe gegründet, welche heute weltweit 220 Mitglieder zählt, und schon drei Internationale Konferenzen (2005 in Montreux, Schweiz; 2007 in Portorosz, Slowenien; 2009 in Des Moines, USA) organisiert hat. Die vierte dieser Konferenzen in Serie (Thermag IV) wird im August 2010 in Baotou (innere Mongolei, China) durchgeführt werden.
Was ist das Besondere an diesem Projekt?
Das innovative Projekt zeichnet sich durch eine hohe Interdisziplinarität aus in der Zusammenarbeit von Materialwissenschaftlern, Elektroingenieuren und Thermodynamikern. Das Projekt deckt den Bereich Grundlagen bis zum Prototypenbau und einer ersten Marktannäherung mit ein. Es handelt sich um eine umweltschonende Technik, da keine konventionellen Kältemittel zum Einsatz kommen. Zudem wird erwartet, dass die Energieffizienz magnetischer Kältemaschinen höher ist als jene von konventionellen Gas-Kompressions/Expansions-Kältemaschinen.
Stand/Resultate
Es wurde die Theorie der magnetischen Thermodynamik zusammengetragen, welche wichtig ist, um magnetische Kälteapparate zu berechnen und zu bauen (siehe Review-Artikel im Kapitel Publikationen). Zudem wurden mathematisch-physikalische Modelle für magnetische Kältemaschinen mit rotierenden porösen Zylindern aufgestellt und Optimierungsrechnungen durchgeführt.
Ein erster "Demonstrator" (wenig optimierter Prototyp) ist gebaut worden. Mit diesem wurde der Swiss Technology Award 2006 (erster Preis) gewonnen. Zudem wurde er im gleichen Jahr an der Hannover-Messe ausgestellt. Weiter wurde er bei Swissnex in San Francisco einer Gruppe von Vertretern amerikanischer Universitäten und Industrievertretern vorgestellt.
Da dieser erste Demonstrator noch zu teuer, zu schwer und ineffizient war, wurde entschieden im gleichen Projekt einen zweiten verbesserten und besser optimierten Prototyp zu bauen. Dieser wurde geplant und numerisch optimiert. Für den Bau konnte ein namhafter europäische Kühlschrankhersteller zu einer Mitarbeit gewonnen werden. Dieser verlangte eine drastische Reduktion der Magnetmasse und weitere Optimierungen. Das Projekt hat nun in diesem Rahmen seine Weiterführung gefunden. Zudem wurde das Bundesamt für Energie und der Kanton Waadt auf unsere Tätigkeiten aufmerksam und finanzieren nun seit einiger Zeit weitere Projekte im Bereiche magnetische Kältetechnik, magnetische Heiztechnik (Wärmepumpen) und magnetische Energiekonversion (ein Umkehrprinzip der magnetischen Kälte- und Heizungsmethodik) (siehe Web Link zu BFE in der untenstehenden Liste).
Publikationen
A. Kitanovski, P.W. Egolf, 2006. The Thermodynamics of Magnetic Refrigeration. Review article of the International Journal of Refrigeration, 29, 3-21.
P.W. Egolf, 2006. Rotierender Wärmetauscher im Magnetfeld. Technische Rundschau 98 (7), 7. April, 40-41.
H. Auracher, P.W. Egolf (Editors), 2006. Magnetic Refrigeration at Room Temperature. Special Issue of the International Journal of Refrigeration, 29.
A. Sarlah, A. Kitanovski, A. Poredos, P.W. Egolf, O.Sari, F. Gendre, Ch. Besson, 2006. Static and rotating active magnetic regenerators with porous heat exchangers for magnetic cooling. Special Issue of the International Journal of Refrigeration, 29 (8), 1332-1339.
A. Kitanovski, P.W. Egolf, 2009. Application of magnetic refrigeration and its assessment. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 321, 777-781.
P. W. Egolf, A. Kitanovski, M. Diebold, C. Gonin, D. Vuarnoz, 2009. Magnetic power conversion with machines containing full or porous wheel heat exchangers. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 321, 758-762.
Peter W. Egolf, Didier Vuarnoz, Laurent Gravier, Gilles Courret. The thermodynamics of devices with solid layered-bed magnetocaloric refrigerants, International Journal of Refrigeration 35 (2012) 1506 - 1517.
Medienecho
Der magnetische Kühlschrank zu Hause. HandelsZeitung, Innovationspecial, 25. Januar 2006
Kältemaschinen für die Zukunft? Neue Zürcher Zeitung, NZZ, Forschungsteil, Nr. 32, Mittwoch, 8. Februar 2006.
L’ Haute Ecole d’Ingénerie et de Gestion à Yverdon-les-Bains revolutionne le froid. TV Canal Nord Vaudois-Broye, Mars 2006.
Links
Am Projekt beteiligte Personen
Prof. Pierre Repetti, pierre.
(Konzeption, Design, Konstruktion) repetti@heig-vd. ch
Wissenschaftliche Mitarbeiter von Prof. Dr. P. W. Egolf:
Dr. Andrej Kitanovski, andrej.
(Theorie und Simulationen) kitanovski@heig-vd. ch
Ing.Cyrill Gonin, cyrill.
(Maschinenentwurf, Multiphysics-Berechnungen) gonin@heig-vd. ch
Letzte Aktualisierung dieser Projektdarstellung 24.10.2018