主动式磁回热器的理论分析

当前对于磁制冷的研究主要致力于磁性材料(包括提供外场的磁体和磁制冷工质)性能的提高,而缺少对磁制冷循环本身的试验研究和理论分析。主动式磁回热器(AMR)是室温磁制冷机的核心部件,了解其热力学特性和工作原理对制冷机的设计以及优化具有重要意义。对一些典型AMR制冷机的性能参数进行了比较,并系统地介绍了AMR的特点和工作原理,适用于AMR磁工质的理想热力学特性,AMR循环的数值分析方法以及AMR所特有的不可逆损失。

室温磁制冷机主动式回热器强化传热数值仿真

研究了脉冲磁场作用下磁工质粉末与水高热流密度小温差强化传热,提出了在工质轮中嵌入高导热材料强化传热的方法,采用建立理论模型与Ansys软件相结合的方法,对几种典型嵌入形式进行了模拟分析,结果表明,铜丝的交叉排列最有利于温度的均匀分布,在高转速运行下磁制冷机铜丝网的强化换热作用明显。铜丝数量的增加导致Gd工质质量减少,从而导致磁致热效应的减少,铜丝数量、磁热效应以及制冷效率之间存在最优值。

旋转式磁制冷机主动式回热器周期性温度场试验

采用测量主动式回热器温度场的方法,探讨了周期性瞬态内热源作用下的多孔介质与单相流体的换热规律.实验结果表明:旋转式磁制冷机主动式回热器内温度场波动频率与磁制冷机转动频率相等.当制冷机转速增大时,温度场的波动频率相应增加,工质轮整体的温度降低,加磁区与去磁区温度场的波动频率相等,两磁区的波动相位移近似为180,°去磁区温度场振幅是加磁区温度场波动振幅的2倍左右.但是当流量增大到2.639×10-4m3/s时,温度趋于饱和,设计时应选择低于临界换热介质的流量.

主动式磁回热器影响因素分析

本文建立了一个二维瞬态的主动式磁回热器(AMR)模型,采用单因素方差分析方法进行了尺寸参数(AMR长度、AMR宽度、颗粒直径和孔隙率)和运行参数(循环周期、体积流量和设计温跨)对AMR端部温跨及冷端最低温度影响的权重分析。结果表明:在运行条件不变的情况下,增大AMR的长度,选用的孔隙率越小,端部温跨越大,冷端温度越低。在确定的尺寸参数和设计温跨条件下,存在最优的循环周期5 s和体积流量5 L/min。通过权重分析发现,体积流量和设计温跨对于最终AMR端部温跨影响程度最大,体积流量和循环周期对AMR冷端最低温度的影响最为显著。

主动式磁回热制冷机的磁力及磁功分析

在主动式磁回热制冷机中,由于温跨变化、磁场分布不对称、磁回热器和永磁体气隙长度不一致、磁回热器间相位的影响,采用热力学方法来计算磁功耗会产生较大的误差。本文依据经典分子场理论,建立了通过计算磁力来估算磁功耗的方法,采用该方法可以对磁回热器和永磁体气隙长度比(δ),以及磁回热器之间相位差进行分析和优化设计。分析结果表明,磁回热器温跨的增大会使磁力峰值和消耗磁功率增大,当δ在0到1的范围变化时,磁力峰值和磁功率均存在极大值;当右侧回热器相位超前左侧回热器π时,消耗的磁功率最小,且随着温跨的增加,对应最小磁功率的相位差增大。

多层主动磁回热器的仿真优化

借助Comsol多物理场仿真软件构建了一维瞬态磁制冷模型,考察了在特定工况下由3种不同居里温度的磁热工质(a、b、c)所构成的单层、双层和三层回热器,研究了不同填充比例与高温端温度对主动磁回热器的性能影响。仿真结果表明,当主动磁回热器均匀填充时,三层回热器性能好于单层和双层;当双层回热器非均匀比例填充时,发现在填充比为3∶7时性能最佳。相对于5∶5填充的双层回热器,3∶7比例填充的回热器冷量提高了6.02%,对应的COP提高了3.5%;同时对比三层回热器(即算例c),最大冷量提高了1.13%。在考察不同高温端温度对3种回热器的性能影响时,不同高温端温度下不同的填充方式选择对回热器的性能影响较大。

平行板主动式磁回热器不均匀流道数值模拟研究

在平行板主动式磁回热器中,因板间隙不一致会形成不均匀流道。为研究流道不均匀程度对磁制冷机换热性能的影响,本文利用Comsol 5.4软件构建了二维、瞬态磁制冷模型。除了表征流道不均匀程度的相对标准偏差不同外,模型其余的几何结构与运行条件完全相同。通过对比不同相对标准偏差的磁制冷机温度云图和制冷温跨来衡量AMR的换热性能。模拟结果表明随着流道不均匀程度的增加,回热器冷端平均温度升高,36%标准偏差流道产生的制冷温跨为5.8 K,比均匀流道达到的11.1 K下降了约50%。当标准偏差高于36%时,制冷温跨减小程度降低。因此流道不均匀对磁制冷机换热性能有着较大的影响,实验过程中应采用良好的板叠AMR制作工艺尽量使得流道宽度一致。

热容率对室温磁制冷机工质盘传热影响研究

在室温磁制冷机主动式磁回热器(AMR)工质盘强化传热研究中,引入了一个新的参数热容率TCR(Thermal Capacity rate Ratio)。TCR参数反映了工质盘内换热流体将磁体在励磁过程中产生的热量从回热器中置换出去的能力。计算磁制冷系统的TCR,通过和制冷功率、COP进行对比分析,提出了室温磁制冷机工质盘强化传热的思路。

主动磁回热器端部流动不均匀性影响的数值模拟

本文借助COMSOL多物理场耦合软件构建了二维、瞬态磁制冷模型。利用该模型模拟了两种不同的算例,算例1中回热器与换热器直接连接,算例2中采用渐变段连接,渐变段为普通绝热管道,包含了死容积的影响,两种算例的回热器结构完全相同。通过对比上述算例研究了流体流入回热器时由于管道截面积突变导致的流动不均匀现象对制冷机性能的影响。模拟结果显示,尽管算例2中增加了死容积,但渐变段使流动更加均匀,磁制冷机无负荷温跨由18.65K增大到26.14 K,提升了40.16%;温跨为5 K时,算例2相对于算例1制冷量提高31.57%,COP提高69.85%。因此,回热器两端的截面积突变对磁制冷机的影响不容忽视,本模拟对磁制冷系统结构设计及改进具有重要的借鉴意义。

主动磁回热器端部结构优化研究

磁制冷系统中,在主动磁回热器与换热器之间加入适当的过渡段能够有效改善回热器入口处流动的均匀性,但同时也增加了死容积,一定程度上降低了回热器的性能.本文模拟了四种不同角度的过渡段,分别为15°、30°、45°和60°。研究了不同回热器长度及不同质量流量下的制冷量随过渡段角度的变化,得到了平衡流动均匀性及死容积影响之后的最佳制冷性能,模拟结果显示,当回热器长度为20 mm时,最佳过渡段角度为30°;当回热器长度分别为40 mm、60mm、80 mm时,最佳过渡段角度为60°。当回热器长度一定时,随着质量流量的增大,流动均匀性对系统的影响更大。因此,选择合适的过渡段角度对磁制冷系统结构设计及改进提供了一定的借鉴意义。

60~80 K温区主动磁回热器性能影响因子的数值模拟研究

基于液氮至液氢温区的多级主动磁制冷流程设计,本文借助COMSOL多物理场耦合软件,构建了60∼80 K温区二维瞬态主动磁回热器模型,分别开展了假想材料与实际材料DyFeSi的数值仿真研究。首先,基于恒定磁熵变5.4 J·kg^(−1)·K^(−1)的假想材料,对比分析了磁热工质颗粒直径、回热器长径比与填充质量对磁制冷性能的影响。仿真结果表明,随着磁热工质颗粒直径的增大(0.2∼0.7 mm),主动磁回热器的制冷量减小,且随着氦气质量流量增加(2∼18 g·s^(−1)),主动磁回热器的最优颗粒直径减小;随着回热器长径比增大,制冷量逐渐增大,COP在长径比为5时取得较优值;主动磁回热器的最大制冷量与工质填充质量呈线性增加的关系。随后,以优化后的几何参数(颗粒直径0.4 mm、长径比5)开展了实际工质DyFeSi填充的主动磁回热器性能研究。当质量流量为4.5 g·s^(−1)时,主动磁回热器取得最大制冷量1.5 W,对应的热力学第二效率为28.67%。尽管单一种类的实际工质难以在60∼80 K温区中获得较好的制冷量与制冷效率,本文所开展的研究对于高温级主动磁回热器的多层结构设计具有重要的参考价值与指导意义。

采用永磁铁的室温磁制冷机实验研究

磁制冷技术是一种潜在具有紧凑、可靠、高效和环保特性的制冷方式。室温磁制冷是一种新兴具有广阔商业化前景的制冷技术,目前在美国、日本、加拿大、西班牙等国家都有相关的研究机构。介绍了一台自行研制的采用钆作为磁工质的室温区磁制冷样机。该样机的运行基于主动式磁回热循环(AMRCycle),采用氦气为传热流体。总质量约1.4kg平均直径小于1.4mm的钆粉平均的填充在两个往复运动进出磁场的回热器中。磁场由1.5T的NdFeB永磁铁提供。该样机结构简单紧凑,通过对工作参数的调节,样机在2.5MPa充气压力和0.62Hz工作频率下获得了10.7K的温跨。

丙烯酸-2,4,6-三硝基苯乙酯的合成及热分解

以TNT、甲醛为原料,在弱碱性条件下反应合成得到2,4,6-三硝基苯乙醇(PicCH2CH2OH);PicCH2CH2OH在浓硫酸催化下和丙烯酸在甲苯中回流反应24h,合成得到丙烯酸-2,4,6-三硝基苯乙酯,产率为62%。采用紫外可见光谱(UV-Vis)、核磁共振氢谱(1HNMR)、红外光谱(FTIR)、质谱(MS)以及元素分析等对产物结构进行了表征。利用热重分析(TG)对产物热稳定性进行了研究,采用Kissinger方法和Ozawa方法计算其热分解活化能Ea分别为99.78,102.96kJ·mol-1。

小型室温磁制冷系统的改进及实验研究

基于先前报道的旋转内磁体式小型室温磁制冷系统,系统采用了新的双层同心嵌套式Halbach磁体组,开展了钆工质的制冷温跨与制冷量的实验研究。采用新的双层Halbach磁体组后,磁体组轴线处平均磁场强度由0.3?1.2 T提升至0.06?1.40T。在回热器两端绝热保温的工况下,采用新磁体组的系统在相似频率和利用系数下性能显著提升,并在1.25 Hz的运行频率下获得19.8K的制冷温跨。在系统引入高低温换热器的条件下,设定回热器高温端温度为27.5℃时,室温磁制冷机在7K制冷温跨下获得10W制冷量,工质比制冷量约47W·kg-1,并在1.7 K的制冷温跨下获得了50 W制冷量。