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    低溫磁制冷技術的應用與發展
    來源:諾冰制冷   發布時間:2014-01-04

    作者:石頭

    摘要:隨著制冷與低溫工程的發展,人們面臨著環境的再次挑戰,臭氧層的破壞和溫室效應與一些制冷劑的使用和泄露有密切的聯系,因此有必要找到一種更有效更環保的制冷方法,所以磁制冷以其自身的特點具有更廣闊的應用前景。

    引言
          臭氧層是指距地球表面10至50公里的大氣層中由臭氧構成的氣層。臭氧是一種氣體,其分子結構為三個氧原子,即O3。臭氧層的主要功能在于吸收來自宇宙的 紫外線,使地球上的萬物免受紫外線輻射的危害,所以,臭氧層被稱之為地球的保護傘。但如今,臭氧層已被人類嚴重破壞,本世紀開始人類大量使用高度穩定的合 成化合物,如空調器、冰箱工業、溶劑、航空航天用制冷劑、噴霧劑、清洗劑中含氯氟烴化合的揮發出來,通過復雜的物理化學過程與臭氧發生化學反應而將其摧 毀。
          為了防止生產和使用氟氯碳類化合物造成的大氣臭氧層的破壞,到2000年全世界將限制和禁止使用氟里昂制冷劑,我國于1991年6月加入這個國際公約并做出規定,到2010年我國將禁止生產和使用氟里昂等氯氟烴和氫氯氟烴類化合物。
          因此,需要加快研究開發無害的新型制冷劑或不使用氟里昂制冷劑的其它類型制冷技術。
          本世紀二十年代末,科學家發現了磁性物質在磁場作用下溫度升高的現象,即磁熱效應。隨后許多科學家和工程師對具有磁熱效應的材料、磁制冷技術及裝置進行了大量的研究開發工作。
    磁制冷原理及特點[1]
    ⑴ 磁制冷就是利用磁熱效應,又稱磁卡效應(Magneto-Caloric Effect ,MCE)的制冷。磁熱效應是指磁制冷工質在等溫磁化時向外界放出熱量,而絕熱去磁時溫度降低,從外界吸收熱量的現象。



          例如對于鐵磁性材料來說,磁熱效應在它的居里溫度(磁有序-無序轉變的溫度)附近最為顯著,當作用有外磁場時,該材料的磁熵值降低并放出熱量;反之,當去 除外磁場時,材料的磁熵值升高并吸收熱量,這和氣體的壓縮-膨脹過程中所引起的放熱-吸熱的現象相似。其原理圖如圖1-1所示
    磁熱效應熱力學基礎[2]
    順磁體的物質,磁化強度M是(H/T)的函數,當H/T≤6×105A/(m.K)時,其關系式為:                      (1)
    式中,Cc稱為居里常數,   (m3.k/mol)   (2)
    有(1-1)得       (3) 
    這是順磁態物質的物態方程式,與理想氣體狀態方程式相似,由熱力學定律,對于單位體積磁介質H     (4)
    比較純物質的熱力學基本方程       (5)
    可以看出,對于磁介質 H相當于純物質的P,µ0M相當于純物質的V。
    常壓下磁體的熵S(T,H)是磁場強度H和絕對溫度T的函數,所以有:
                 (6)
    以T,H為獨立變量,并定義
    則有        (7)

    圖 1-2  磁熱效應的表征
    對于可逆絕熱過程有:dS = 0
    由此可以導出:       (8)
    在絕熱狀態下,磁場強度從H1變為H2,磁體的溫度變化為:
               (9)
    在式(9)中T, Cc  (T, H)均大于0,一般來說恒為負值,如圖1-2所示:當磁性材料磁化時,dH為正值,△Tad>0,所以系統溫度升高;同樣,當磁性材料去磁時,dH<0, △Tad>0,所以系統的溫度降低。
    ⑵ 磁制冷是一項綠色環保的制冷技術。與傳統制冷相比,磁制冷是采用磁性物質作為制冷工質,對大氣臭氧層無破壞作用,

    無室溫效應,單位制冷率高,能耗、運動部 件少,因此機械振動及噪聲小,工作頻率低,可靠性高。在熱效率方面,磁制冷可以達到卡諾循環的30%~60%,而依靠氣體壓縮-膨脹的制冷循環一般只能達 到5%~10%。磁制冷應用范圍廣泛,從μK、mK及到室溫以上均適用。在低溫領域,磁制冷技術在制取液氮、液氦、尤其是綠色能源液氫方面有較好的應用前 景;在高溫特別是近室溫領域,磁制冷在冰箱、空調及超市食品冷凍系統方面有廣闊的應用前景。

    磁制冷的應用
          目前,磁制冷主要應用在極地溫和液化氦等小規模的裝置中。雖然諸多原因的限制使磁制冷基礎理論尚未成熟,但磁制冷終將因其高效、無污染等特點成為未來頗具 潛力的一種新的制冷方式,而對磁制冷循環理論的拓深必能大力推進磁制冷技術在太空開發和民用技術中的應用,為磁制冷開辟更加廣闊的前景。

          表一 磁制冷潛在市場[3]


    應用場合

    溫區/k

    應用場合

    溫區/k

     




    15~77

     

    近室溫制冷

    超市制冷

     

    265

    天然氣

    109

    食品加工

    丙酮

    231

    冷凍水果、肉類

    275

    丁烷

    273

     空調、熱泵

    288~300

    氨氣

    240

    農業

    化學分離、處理

    70~295

    此外,磁制冷冰箱已研制成功,如圖1-3所示

    1—壓縮機  
    2—冷凝器 
    3—干燥過濾器 
    4—蒸發器  
    5—保溫層
    根據實驗得知,電冰箱和空調裝置使用的制冷劑—&md

     

    ash;氟利昂會污染環境,而用磁制冷原理制作的冰箱這不僅不會破壞環境,而且效率要比用氟利昂制冷高40%,其成本低25%。
    另外,磁制冷在空間和核技術等國防領域也有廣泛的應用前景:在這個領域里要求冷源設備的重量輕、振動和噪音小、操作方便、可靠性高、工作周期長、工作溫度 和冷量范圍廣。磁制冷機完全符合這些條件,例如冷凍激光打靶的氘丸,核聚變的氘和氚丸,紅外元件的冷卻,磁窗系統的冷卻,掃雷艇超導磁體的冷卻等。

    磁制冷的歷史與發展
          早在1881年,E.Warburg 就在鐵中發現了磁熱效應。后來,1907年P.Langevin也注意到了恒磁體絕熱去磁過程中,其溫度會降低。1926年Debye和Giauque都 預言了可以用磁熱效應制冷。隨后Giauque和MacDougall于1933年用Gd2(SO4)3.8H2O作為介質進行了絕熱退磁的 首次試驗,達到了0.53~0.1K超低溫。從此,在超低溫范圍內,磁制冷發揮了很大的作用,一直到現在這種超低溫磁制冷技術已經很成熟。
          隨著磁制冷技術的迅速發展,其研究工作也逐步從低溫向高溫發展。1976年,美國NASA Lewis和G.V.Brown首先采用金屬Gd為磁制冷介質,采用Stiring循環,在7T磁場下進行了室溫磁制冷試驗,開創了室溫磁制冷的新紀元。 美國Los Alamos實驗室的W.A.Steyert等[4]設計了一個回轉式的磁制冷裝置,采用Brayton循環,當高低磁場差為1.2T、冷熱端溫差為7K 時獲得了500 W的制冷功率。1996年12月宇航公司的工程師Carl Zimm[5]研制的室溫磁制冷樣機取得了突破性進展。他們采用3 kg稀上金屬作為磁工質,以水(加防凍劑)作為傳熱介質,以NbTi超導磁體產生磁化場,建立了一套室溫的磁制冷樣機(原理機)系統。該機設計較為完美, 在磁制冷循環過程中能量損失很小,制冷效率很高(實際效率可達卡諾循環的30% )。
    但是由于磁制冷技術尚處在不斷完善的過程中,還有很多問題需要解決,主要有:
    ⑴ 每次磁制冷循環所產生的溫差還不夠大,目前還只有1~3K,這主要是由于磁場不夠強,也就是說磁性材料的磁熵還不夠大。
    ⑵ 磁制冷過程中的熱交換速度不夠快,從而使磁制冷周期延長,也使整個循環的熱效率下降。
    ⑶ 在室溫條件下,若不利用超導技術,仍利用電磁鐵或稀土永磁材料產生磁場,則在兩磁極面總存在空氣隙,因此進入磁場的磁制冷材料有限,這就應有絕熱效果好的隔熱層,這也是一個技術難題。
    所以在今后磁制冷技術發展中應在以下幾個方面有所突破和創新:
    ⑴ 磁場分析,磁體結構的設計應更完善和合理;
    ⑵ 針對相應的溫區選擇換熱介質,設計出最佳的熱開關或換熱回路,提高換熱效率;
    ⑶ 磁制冷材料的研制,通過改進工藝和材料重組制備性能更優越的材料。
    可以預見在不久的將來,磁制冷技術會以其自身的許多優勢迅速發展起來,被廣泛應用于各個行業。 

               

    參考文獻
    鮑雨梅,張康達編著.磁制冷技術.北京: 化學工業出版社,2004年
    姜自蓮.發展中的磁制冷技術.成都電子機械高等專科學校校報.2001年12月
    陳遠富,陳云貴等.磁制冷發展現狀及趨勢.低溫工程.2001年第2期58~61

     
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