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。

圆柱型活性蓄冷器制冷性能的实验研究

在往复式活性蓄冷器实验系统的基础上设计开发了圆柱型活性蓄冷器,并对管路流程进行了优化。以金属钆为磁性工质,实验研究了蓄冷器的热力性能,获得了蓄冷器内温度分布及制冷性能数据。实验结果表明:在不同温度区间、温跨、换热流体流量及流动时间的条件下,蓄冷器存在最佳单向流动时间与最佳换热流体流量;系统在3K的温跨下可获得11.35W的最大制冷量;蓄冷器的制冷量和COP随温跨与温区的增加而减小。

室温磁制冷回热器技术的研究动态

室温磁制冷作为一种高效环保新技术已经成为制冷技术发展的必然趋势。介绍了室温磁制冷回热器最新研究动态。阐述了磁制冷的原理,系统的介绍了室温磁制冷中磁制冷样机、回热器以及热交换技术的发展情况,详细介绍了回热器内多孔材料流动模型。并对一维,二维,三维模型的建立,模拟分析以及数值计算等做了详细的说明。三维模型的分析模拟可以得到详细的温度场、速度场变化,是未来研究的发展方向。对回热器的强化换热技术从填充颗粒,换热流体两个方面进行了分析介绍。综述了在多孔介质流动与传热研究领域的现状,提出了多孔介质流动换热研究新方向。

室温磁制冷活性蓄冷器多孔介质模型及其数值模拟

鉴于活性蓄冷器作为室温磁制冷核心部件,建立了活性蓄冷器二维复杂多孔介质模型,采用分子场理论计算励(退)磁过程磁性工质温度及磁熵变化,考虑了非Darcy效应、驻留流体、两相热扩散效应、热流边界效应及流体物性非定常的影响.采用有限差分法对两相能量方程进行离散求解.通过计算结果与实验结果的比较对模型进行了验证,认为所建模型能有效反映蓄冷器运行规律并模拟其内部温度分布.数值模拟结果显示:磁场强度变化为2.18 T条件下蓄冷器内金属Gd在其居里点处的温度改变为1.85 K;蓄冷器内部温度梯度明显,微元循环存在显著复叠现象;热流边界效应会导致蓄冷器制冷性能下降,流量较大时物性参数对制冷性能影响较大;在壁面热流通量为5 W/m2的条件下,蓄冷器获得的最大制冷量为201.8 W,对应性能系数为4.79.

室温磁制冷工质研究进展

室温磁制冷工质的研发是决定室温磁制冷技术发展的关键因素之一 ,后者是一种高效、环保的新型制冷技术 ,应用前景非常广泛。本文介绍了磁性工质用于制冷技术的原理、磁性工质的选择依据、室温磁制冷工质的发展现状及活性蓄冷器的相关技术 。

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.

主动蓄冷室温磁制冷机制冷能力的简易解析计算方法

提出了一种主动磁蓄冷室温磁制冷机的制冷量解析计算的简易方法,并以此方法计算了理想线性温度场情况下的制冷量,得到了对制冷量有影响的参量间的关系。研究发现每个周期的制冷能力和磁制冷剂磁热效应引起的绝热温度变化的平方成正比,或者说,和磁制冷剂的绝热温度变化与绝热熵变的乘积成正比;此外和主动式磁蓄冷机工作床的温度跨度成反比。在线性温度场的理想情况下,体积热容量较低的热交换流体在一定程度上有利于制冷量的提高。

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。

工作频率及环境温度对往复式磁制冷效果的影响

为分析不同工作频率和室温环境对往复式室温磁制冷系统制冷温跨的影响,设计了一套以Gd颗粒(粒径:0.3~0.5mm)为磁工质的往复式室温磁制冷系统,并结合活性蓄冷器的换热特点对往复式室温磁制冷系统的制冷温跨进行实验分析。测量了在1.5 T的永磁铁场强下,室温磁制冷机在不同工作频率(0.07、0.12、0.16、0.19、0.22 Hz)及在不同室温工况(14.5、15.9、16.7、18.1℃)蓄冷器冷、热端温度的变化情况。研究表明,当工作频率为0.22 Hz时,系统的最大制冷温跨为12.8℃,并发现当Gd的温度低于其居里温度20℃时,不同室温对有限时间内磁制冷系统的制冷量无影响。

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。

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。

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。

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。