Холодильник с магнитным охлаждением: Магнит против фреона: Ученые изобрели магнитный холодильник, эффективность которого выше обычного на 30-40% — 18 апреля 2019 года

Магнит против фреона: Ученые изобрели магнитный холодильник, эффективность которого выше обычного на 30-40% — 18 апреля 2019 года

18 апреля 2019 годаНаука

Принципиально новый холодильник разработали исследователи из Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» и Тверского государственного университета — в его основе твердотельная магнитная система, по энергоэффективности дающая 30-40% фору газокомпрессорному механизму обычного холодильника.

Один из главных предметов наших квартир — холодильник — потребляет до 20-40% всей электроэнергии. Технологии создания холода в мировом масштабе, то есть промышленные и бытовые холодильники, кондиционеры домашние и автомобильные — весьма дорогостоящее удовольствие, по оценкам экспертов, все эти приборы тратят до 10% всей мировой электроэнергии в целом.

Научный коллектив физиков и инженеров кафедры функциональных наносистем и высокотемпературных НИТУ «МИСиС» и Тверского государственного университета решил проблему эффективной выработки холода, предложив новую систему охлаждения — магнитную. В обычном холодильнике охлаждение происходит за счет резкого испарения фреона (или другого хладагента), который переходит в газообразное состояние. В изобретении молодых российских ученых работает другой принцип — так называемый магнетокалорический эффект, проще говоря, изменении температуры магнитного материала при его намагничивании или размагничивании.

Технически это выглядит довольно просто — металлический брусок вносится в магнитное поле и нагревается, а при вынесении из поля — охлаждается. Однако делать это нужно быстро и циклически, чтобы разница температур сохранялась. Коллектив ученых сконструировал прототип устройства, которое при небольших размерах способно охлаждать целый холодильник.

«Поскольку плотность металлического сплава гораздо больше, чем у газа, значения запасенной энтропии (мера беспорядка), а следовательно и холодильной мощности, у него больше, — поясняет один из разработчиков проекта старший научный сотрудник кафедры Функциональных наносистем и высокотемпературных материалов НИТУ „МИСиС“ к. ф-м.н Дмитрий Карпенков, — этим и объясняется энергоэффективность новых твердотельных устройств на 30-40% по сравнению с газокомпрессионными аналогами.

Данные устройства при небольших размерах способны обеспечить максимальную разницу между температурами горячего и холодного теплообменников — 9 градусов Цельсия. Главное отличие разработанного прототипа от всех предшественников заключается в том, что рабочие тела одновременно осуществляют две роли — хладагента и нагнетательного насоса. Данное техническое решение исключает из схемы насосы, которые являются дополнительной тепловой нагрузкой для холодильника».

Вторым уникальным техническим решением стало разграничение потоков теплопередающей жидкости от холодного и горячего теплообменников, при этом обеспечивая возможность рабочему телу, находясь в намагниченном (размагниченном) состоянии, последовательно переходить из одного потока в другой.

«Результаты проведенных нами испытаний показывают, что использование каскадных циклов магнитного охлаждения приводит к увеличению диапазона охлаждения на 80%», — добавил Дмитрий Карпенков.

В ходе эксперимента по оценки эффективности созданного прототипа исследователи выяснили, что максимальное количество теплоты, которое способен отвести тепловой насос за цикл, составляет порядка 405 Дж, что соответствует максимальной мощности охлаждения 45 Вт.

В настоящее время научная группа собрала лабораторный прототип охлаждающего механизма и проводит серию лабораторных тестов.

КАРПЕНКОВХОЛОДИЛЬНИК

Поделиться

• НИТУ «МИСиС» приступил к in vivo тестам клеточно-инженерных имплантатов нового поколения
• 18 апреля Магнит против фреона: Ученые изобрели магнитный холодильник, эффективность которого выше обычного на 30-40%
• 18 апреля Начались занятия в школе педагогического мастерства НИТУ «МИСиС»

НовостиСвежие

Свежие

15 июля

НИТУ МИСИС создаст институт для обучения инженеров в квантовой сфере

Читать все новости

Магнитное охлаждение — будущее бытовых холодильников и кондиционеров

Первая международная конференция по вопросам магнитного охлаждения при комнатной температуре акцентировала внимание международного сообщества на поиске альтернативных методов охлаждения.

Мероприятие, проведенное в сентябре 2005 года в Швейцарии, организовал Инженерный институт в г. Ивердон и Международный институт холода (IIR). Конференцию посетили 150 участников и докладчиков со всего мира, что свидетельствует о восстановлении актуальности этой новой и одновременно древней темы. Это неудивительно: изменение климата и опасность парникового эффекта побуждают ученых и предпринимателей искать принципиально другие решения в области охлаждения.

Подтверждением огромного потенциала этой технологии является уже седьмая международная конференция по вопросам магнитного охлаждения при комнатной температуре (Thermag VII), которая пройдет в сентябре 2016 года в г. Турин, Италия.

Репутация фторированных хладагентов становится все хуже, даже несмотря на то, что в Европейском положении о фторсодержащих газах упор сделан не в запрете этих продуктов, а на герметичности оборудования. Однако продолжается поиск альтернативных путей увеличения мощностей холодильного оборудования, и специалисты вновь обращают внимание на решения, которые не получили развития в прошлом. Среди них давно известен и вновь открыт хладагент СО2, а также технология магнитного охлаждения.

Так называемый магнитокалорический эффект открыл в 1881 году немецкий физик Эмиль Варбург. Феномен заключается в том, что материал, если его поместить в магнитное поле, нагревается, а если его оттуда забрать, охлаждается.

Решающими для охлаждающего эффекта являются качества магнитокалорического материала, например, достижимая разница температур во время размагничивания. И именно в этом современные научные достижения могут преодолеть давние препятствия на пути развития технологии. Новые сплавы содержат гадолиний или марганец и отличаются высоким магнитокалорический эффектом.

Благодаря таким дополнительным элементам, как железо, фосфор, мышьяк или никель, оптимизируется холодопроизводительность магнитного охлаждения. Таким образом, сегодня магнитокалорический эффект можно использовать при комнатной температуре, тогда как раньше это было возможно только при очень низких температурах внешней среды и очень сильных магнитных полях (5-10 Т). Необходимая сила магнитного поля сегодня также значительно меньше, она составляет 2-3 Т. Поэтому, вместо сверхпроводящих магнитов, которые были нужны прежде, можно использовать постоянные магниты. Это является решающим преимуществом, ведь сверхпроводящие магниты нельзя было использовать при комнатной температуре.

Что такое магнитный холодильник

Магнитокалорический эффект можно использовать по-разному. Особенно ярким примером является магнитный холодильник, сделанный в Швейцарии, отмеченный наградой Swiss Technology Award 2006 и отдельными призами федерального министерства энергетики Швейцарии и фирмы ASEA Brown Boveri. Теоретическую базу для создания аппарата разработали в Инженерном институте г. Ивердон-Лес-Байнс. Руководил этими исследованиями профессор Петер В. Егольф, который возглавляет рабочую группу по вопросам магнитного охлаждения в Международном институте холода в Париже (IIR).

Петер В. Егольф убежден, что магнитное охлаждение имеет огромный практический потенциал и почти полностью заменит в будущем традиционное охлаждение: «Рынок к таким изменениям уже практически готов. Этому будет способствовать высокая концентрация энергии и большая безопасность оборудования, небольшие размеры, удобство и легкость. Оно идеально для использования в автомобилях, самолетах и на судах».

Как работает магнитный холодильник

Работа магнитного холодильника основывается на принципе ротационного теплообменника из сплава на основе марганца с высоким магнитокалорический эффектом, который с одной стороны окружен магнитом. Магнитное поле нагревает половину цилиндра, через которую проходит, например, воздух. Оно, в свою очередь, также нагревается. Если пропустить воздух через другую часть цилиндра, то происходит процесс охлаждения, являющимся основным для функционирования холодильной машины. Попросту говоря, вращается цилиндр, с одной стороны которого выходит теплый воздух (нагретый при намагничивании), а с другой стороны — холодный (охлажденное при размагничивании). Ротационный принцип работы конструкции создает непрерывный цикл с высоким коэффициентом мощности.

Заметим, что магнитное охлаждение уже успешно применяется и в других сферах. Так, например, французское предприятие Cooltech-Applications с 2003 года полностью сосредоточилось на этой технологии и предлагает индивидуальные решения для пищевой промышленности и отрасли бытовых и промышленных систем кондиционирования. Деятельность предприятия французское правительство отметило премией за инновационные технологии.

Безопасность для окружающей среды

Важнейшие преимущества магнитного холодильника и магнитного охлаждения в целом — это экологическая безопасность, надежность и энергетическая эффективность. Рабочими веществами для охлаждения могут быть воздух или вода. Нет необходимости использовать синтетические хладагенты, способные усиливать парниковый эффект, а также воспламеняющиеся, токсичные или взрывоопасные вещества (аммиак, бутан, пропан). Кроме того, не нужны компрессоры. Это означает, что не будет проблем, связанных с вибрацией, запахом, интенсивным износом, характерными для компрессорных машин, поскольку срок службы магнитной машины гораздо больше.

Термодинамический эффект систем с магнитным охлаждением значительно выше, чем в случае обычных циклов сжатия. Это снижает потребление энергии, а также уменьшает производственные затраты. К тому же оборудование чрезвычайно компактное и может использоваться во многих сферах, от глубокого охлаждения до обогрева помещений.

Потенциал технологии магнитного охлаждения

Магнитному охлаждению прогнозируют большое будущее. Главной сферой его использования будут, очевидно, устройства низкой мощности, например, холодильники или кондиционеры для легковых автомобилей. Помимо прочего это обусловлено тем, что сила поля современных постоянных магнитов еще не очень высокая, не до конца исследовано влияние сильных магнитных полей на организм человека, и необходимостью избегать препятствий в электронных и других устройствах.

Мощность известных сегодня конструкций не превышает 15 кВт, а по стабильности и точности ротационных систем существуют очень высокие требования. Итак, эта высоконадежная технология, несомненно займет достойное место в области охлаждения и кондиционирования, но после нескольких этапов усовершенствования, которые должны предшествовать серийному производству.

Источник: novatechnika.info

Что такого привлекательного в магнитном охлаждении? – CIBSE Journal

На состоявшейся в 2015 году в Париже конференции ООН по изменению климата, COP 21, мировые лидеры договорились ограничить глобальное потепление до уровня ниже 2 °C к 2100 году. Целью переговоров было предотвращение серьезных климатических катастроф во всем мире, и участники стремились сократить выбросы парниковых газов за счет расширения использования технологий с нулевым выбросом углерода.

Магнитное охлаждение является одной из таких новых, инновационных и потенциально низкоуглеродных технологий. За последние 15 лет интерес к нему как к новой технологии нагрева или охлаждения, а также как к альтернативе традиционному сжатию пара, значительно вырос.

Принцип магнитного охлаждения основан на явлении, известном как магнитокалорический эффект (МКЭ). Открытое Эмилем Варбургом в 1881 году, это было связано со свойством экзотических материалов, таких как гадолиний и диспрозий, нагреваться при приложении к ним магнитного поля и остывать при снятии магнитного поля.

Нет возможности утечки хладагента и прямых выбросов CO2, поэтому магнитное охлаждение полностью соответствует всем нормам

Из рисунка 1 видно, что, управляя магнитом в четыре этапа, можно отводить или отводить тепло и производить нагрев или охлаждение. Энергия (E = m.Cp.ΔT), вырабатываемая в течение каждого магнитокалорического цикла, зависит от изменения температуры (ΔT), массы материала (m) и его удельной теплоемкости (Cp). Этот эффект максимален при определенной температуре материала, называемой температурой Кюри.

Основным ограничением магнитокалорической системы, показанной на рисунке 1, является относительно небольшая разница температур, которая может быть достигнута между холодным и горячим источником.

Температурный обмен

Для увеличения этого обмена использовался ряд методов, включая активное магнитное регенеративное охлаждение (AMRR). В принципе этого цикла используется теплоноситель – в контакте с магнитокалорическими материалами (ММК) – перетекающий с холодной стороны на горячую, когда ММК нагрет (намагничен), и с горячей стороны на холодную, когда MMC охлаждается (размагничивается). Это постепенно увеличивает разницу температур между холодным и горячим источником примерно до 20 К, что делает систему потенциально пригодной для коммерческого применения.

Возможны различные применения. Первоначальные разработки были ориентированы на рынки коммерческого и бытового охлаждения и включают в себя витрины, охладители напитков, а также коммерческие или бытовые холодильники.

Однако магнитное охлаждение также может быть адаптировано для других применений в области охлаждения, таких как кондиционирование воздуха (в том числе автомобильное), криогенная техника или системы отопления, например, тепловые насосы.

Рисунок 1: Схема, показывающая основной принцип работы магнитного охлаждения

Спрос, вероятно, будет обусловлен экологическими нормами, поскольку при магнитном нагреве или охлаждении не используется хладагент, а используется нагревающая или охлаждающая жидкость, которая может быть на водной основе. В результате исключается возможность утечки хладагента и прямого выброса CO ₂ , поэтому он полностью соответствует всем нормам, в том числе нормам F-Gas в Европе и нормам Агентства по охране окружающей среды в США.

Кроме того, частота магнитокалорического цикла обычно составляет от 1 Гц до 3 Гц, поэтому скорость вращения машины низкая и, следовательно, очень тихая по сравнению с традиционными системами сжатия. Согласно недавним исследованиям, MCE, по прогнозам, будет иметь значительно более высокую эффективность (коэффициент производительности), чем существующие традиционные методы, с потенциалом экономии энергии на 30%.

Проблемы

Несмотря на то, что некоторые продукты вышли на рынок, все еще есть проблемы, которые необходимо решить, прежде чем начнется широкомасштабное развертывание технологии. Основной проблемой является поставка магнитокалорических материалов, которых не хватает. Сокращение содержания материала или выявление новых материалов повысит жизнеспособность.

Рисунок 2: Магнитная холодильная система. Предоставлено: Cooltech Applications

По словам инженеров по магнитному охлаждению Cooltech Applications, производственный процесс еще не оптимизирован, а производственные затраты по-прежнему высоки. Оптимизация интерфейса (например, теплообменники) между устройствами и охлаждаемым оборудованием также должна быть изменена для достижения максимальной эффективности. Наконец, необходимо разработать прототипы для различных конкретных приложений.

Несмотря на то, что учеными и инженерами в университетах и ​​научно-исследовательских институтах по всему миру ведется большая академическая работа, текущее развитие рынка еще не полностью созрело. Некоторые из компаний, раздвигающих границы этой технологии, включают Cooltech Applications и Nextpac, которые работают над приложениями для тепловых насосов.

В 2015 году компания Cooltech Applications заявила, что произвела продукт мощностью 150–700 Вт как часть холодильной системы (см. рис. 2), и в этом году будут проведены первые испытания на объектах конечных пользователей, таких как супермаркеты.

Тем временем Camfridge участвует в крупном исследовательском проекте ЕС по магнитному охлаждению. Для получения дополнительной информации посетите сайт elicit-project.eu/.

Другие транснациональные корпорации, работающие над аналогичными технологиями, включают Whirlpool, Electrolux, Astronautics, GE Appliances, Samsung, Erasteel, Sanden, Chubu, BASF и VAC.

Магнитное охлаждение очень перспективно. Она еще не готова к выходу на рынок, но за ней стоит следить в течение следующих пяти-десяти лет. Его потенциал для снижения энергопотребления и работы без вредных для окружающей среды хладагентов делает его захватывающим предложением.

О компании Sirach

Это первая статья в регулярной серии статей Меткеля Йебийо и Грэма Мейдмента из Sirach, посвященных новым технологиям нагрева и охлаждения. Sirach стремится предоставить отраслевым и академическим исследователям возможность продвигать новые технологии по снижению выбросов углерода. Сирах регулярно проводит встречи в ведущих университетах и ​​на предприятиях, занимающихся исследованиями. 20 апреля он посетит Центр устойчивого использования энергии в пищевых цепях (CSEF) Университета Брунеля. Для получения дополнительной информации или включения в список рассылки Sirach зарегистрируйтесь на сайте www.sirach.org.uk или напишите по адресу [email protected]

Об авторах

Меткель Йебийо — научный сотрудник Лондонского университета Саут-Бэнк

Грэм Мейдмент — профессор кондиционеров и холодильного оборудования Южного Лондонского университета
Банковский университет

900 00 Технология магнитного охлаждения в холодильной технике

Хотя эта концепция существует уже довольно давно, технология магнитного охлаждения только недавно стала потенциальным методом охлаждения в домашних хозяйствах. Здесь мы более подробно рассмотрим, как эта новая технология предлагает более экологичный подход к сохранению продуктов.

Почему Переход?

Обычные холодильники являются одними из крупнейших потребителей энергии среди всех бытовых приборов. Поскольку они всегда работают и зависят от компрессоров, эти приборы могут оставлять домовладельцев с дорогостоящим счетом за электроэнергию каждый месяц. Хотя с годами на рынке появилось больше энергоэффективных моделей, количество холодильников в домах также увеличилось, как отмечается в Обзоре энергопотребления в жилых помещениях за 2009 год. В исследовании подчеркивается, что эти вторые холодильники часто старше и оснащены менее энергоэффективными системами, чем их основные аналоги.

Холодильники вносят значительный вклад в потребление энергии в доме. Изображение предоставлено: Павелшевела через Wikimedia Commons.

Выбросы парниковых газов — еще один фактор, побудивший исследователей исследовать новые методы охлаждения. Для охлаждения воздуха в традиционных холодильниках используется химическое вещество, известное как хладагент . За прошедшие годы возникло много вопросов, касающихся токсического воздействия некоторых из этих агентов на озоновый слой. Несмотря на то, что были реализованы более безопасные замены, потенциальная утечка газа по-прежнему вызывает беспокойство в этих приборах.

Прежде чем мы сможем сделать шаг вперед в технологии охлаждения, давайте сделаем шаг назад в науке, чтобы понять процесс магнитного охлаждения.

Наука, стоящая за технологией магнитного охлаждения

Истоки технологии магнитного охлаждения можно проследить до тех пор, когда магнитокалорический эффект был впервые обнаружен почти 100 лет назад. Этот эффект относится к явлению, при котором температура магнитокалорического материала изменяется, когда он подвергается воздействию приложенного магнитного поля. Под воздействием этого поля магнитные диполи внутри материала выравниваются, что вызывает повышение температуры материала. При снятии магнитного поля движение атомов становится беспорядочным, и вещество остывает. Таким образом, магнитное поле используется как насос для отвода тепла из окружающей среды, создавая охлаждающий эффект.

Методы магнитного охлаждения ценятся за более низкое энергопотребление по сравнению с современными холодильниками. Эти экологически чистые холодильники также устраняют необходимость использования потенциально опасных газов для охлаждения, создавая более безопасную систему в целом.

Новые достижения

Группы исследователей посвятили свое время и ресурсы изучению технологии магнитного охлаждения и ее возможного использования в бытовой технике. При финансовой поддержке Министерства энергетики исследователи из GE разработали холодильник, который заменяет традиционные хладагенты жидкостью на водной основе и использует магниты для охлаждения вместо компрессора. По оценкам GE, эта новая технология может повысить энергоэффективность на 20% и, возможно, появится на рынке к концу десятилетия.