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NOUVELLE GÉNÉRATION DE MATÉRIEL FRIGORIFIQUE
PROCÉDÉ DE FROID MAGNETIQUE
FR Silence
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La technologie du froid magnétique est basé sur la capacité d'un matériau magnétique pour changer sa température et d' entropie sous l'influence du champ magnétique, comme cela se produit lors de la compression ou l' expansion du gaz ou de la vapeur dans des réfrigérateurs conventionnels. Un tel changement de la température ou de l' entropie du matériau magnétique avec le champ magnétique dans lequel il se trouve est appelé l'effet magnéto - calorique (MCE). Changement de la température du matériau magnétique se produit à la suite d'une redistribution de l'énergie interne d'un matériau magnétique entre le système des moments magnétiques de ses atomes et le réseau cristallin. La valeur maximale de la FEM réalise dans des matériaux magnétiquement ordonnés tels que les ferromagnétiques, antiferromagnétiques, etc., à des températures de transitions de phase magnétiques (température d'ordre magnétique - Curie, Neel etc). L'avantage principal d'appareils de réfrigération magnétique dû au matériau de haute densité - un corps rigide - par rapport à la masse volumique du gaz ou de vapeur. changement Entropy par unité de volume dans le matériau magnétique dur est 7 fois plus élevé que dans le gaz. Ceci permet un réfrigérateur beaucoup plus compact au moyen d'un matériau magnétique en tant que fluide de travail. fluide de travail magnétique Inutile est un analogue de réfrigérants utilisés dans les systèmes traditionnels de réfrigération à cycle combiné, et le processus de magnétisation-démagnétisation - analogiques cycles de compression - expansion.
L'efficacité du réfrigérateur est principalement déterminée par la quantité de travail irréversible fait pendant le cycle - pour les appareils efficaces, il doit être aussi faible que possible. Dans le réfrigérateur à gaz, il existe des dispositifs qui produisent une quantité importante de travail irréversible - il est un régénérateur, un compresseur et des échangeurs de chaleur. Une partie importante du travail irréversible est réalisé dans des échangeurs de chaleur - est directement proportionnel à la variation de température adiabatique du fluide de travail, ce qui est beaucoup plus de gaz que dans le matériau magnétique. Pour cette raison, le transfert de chaleur le plus efficace se produit dans un cycle de réfrigération magnétique, en particulier dans le régénérateur. La conception de l'échangeur de chaleur spécifique et l'utilisation d'un régénérateur avec une grande surface spécifique peut atteindre une petite fraction du travail irréversible avec refroidissement magnétique. D' après les estimations théoriques de l'efficacité du circuit de refroidissement à régénération magnétique dans une plage de température allant de 4,5 à 300 K peut être de 38 à 60% d' efficacité du cycle de Carnot (environ 52% dans la plage de température de 20 à 150 K, et d' environ 85% dans la plage de 150 à 300 K). À tous les stades du cycle des conditions de transfert de chaleur sont la plus parfaite connue. En outre, les réfrigérateurs magnétiques comprennent un petit nombre de pièces mobiles et fonctionnent à des fréquences basses, ce qui permet au réfrigérateur pour réduire l'usure et augmenter la durée d'utilisation.
Les principes de base du refroidissement magnétique
MCE a été découvert il y a quelque temps (en 1881) E. Warburg (E. Warburg). Warburg regardé par le champ magnétique de l'échantillon de fer est chauffé ou refroidi. Le scientifique a conclu que la modification de la température de l'échantillon est une conséquence des variations de l'énergie interne d'une substance ayant une structure magnétique par le champ. Cependant, l'utilisation pratique de ce phénomène était encore loin. Langevin (Langevin, 1905) a été la première à démontrer qu'une variation de l'aimantation d'un matériau paramagnétique conduit à un changement réversible de la température de l'échantillon.
En fait , le refroidissement magnétique a été proposé près de 50 ans après l'ouverture de la FEM indépendamment par deux chercheurs américains Peter Debye (Peter Debye, 1926) et William Giauque (William Giauque, 1927) comme un moyen de parvenir à une température inférieure au point de l' hélium liquide d'ébullition. Giauque et Mac Dougall ont été les premiers qui ont montré une expérience simple dans le refroidissement magnétique en 1933. (Juste après il a fait et de Haas (de Haas, 1933) et Curti (Kurti, 1934). Dans cette expérience n'a pas réussi à atteindre la température de 0,25 K, et que la substance de la chaleur éliminant a utilisé pompé l' hélium liquide à 1,5 sel magnétique K. Tablet était dans un état d'équilibre thermique avec un matériau dissipateur de chaleur, tandis que dans le solénoïde existait un fort champ magnétique. Lorsque le solénoïde est déchargée, la pilule magnétique isolée thermiquement et sa température est abaissée. Cette technique, appelée refroidissement par démagnétisation adiabatique, il est une technique de laboratoire standard utilisé pour produire des ultra-basses températures. cependant, la puissance du réfrigérateur et sa plage de température de fonctionnement est trop faible pour des applications industrielles.
Des techniques plus sophistiquées, y compris la récupération thermique et les changements cycliques dans le champ magnétique ont été proposées dans les 60-s du siècle dernier. J. Brown de la NASA en 1976 a démontré le réfrigérateur magnétique régénérative a été dans le voisinage de la température ambiante, avec une plage de travail de température de 50 K. Puissance et l'efficacité du réfrigérateur, et dans ce cas étaient faibles parce que le gradient de température doit être maintenue en mélangeant le liquide caloporteur enlèvement et le temps nécessaire pour charger et décharger de l'aimant serait trop grande. Les petites unités de réfrigération de faible puissance ont été construites dans les années 80 des années 90 dans plusieurs centres de recherche: Los Alamos National Lab, la Marine Lab à Annapolis, Oak Ridge National Lab, Astronautique ( tous les Etats - Unis), Toshiba (Japon).
À l'heure actuelle, le travail sur les petits réfrigérateurs magnétiques pour des applications spatiales, fonctionnant sur le principe de démagnétisation adiabatique, financé plusieurs centres de la NASA de recherche. Pour l'application commerciale des capacités de recherche des réfrigérateurs magnétiques effectuées Astronautics Corporation of America (Etats-Unis, WI) et l'Université de Victoria (Canada). Les matériaux études pour les organes de travail de réfrigérateurs magnétiques du point de vue pratique, est actuellement engagée activement en laboratoire Ames (Ames, Iowa), Université Three Rivers Québec (Canada), NIST (Gathersburg, MD) et la société "technologies magnétiques avancés et consultation» ( AMT & C).
En 1997, Astronautics Corporation of America a démontré un nombre relativement puissant (600 watts), le réfrigérateur magnétique fonctionnant à proximité de la température ambiante. L'efficacité du réfrigérateur a été comparable à celui de la réfrigération au fréon classique. Utilisation de régénérateur magnétique actif (dans ce dispositif combine les fonctions du récupérateur de chaleur et le fluide de travail), le réfrigérateur fonctionné pendant plus de 1500 heures, fournissant une gamme de température de fonctionnement de 10 K proche de la température ambiante, puissance 600 watts, l' efficacité d'environ 35% par rapport au cycle de Carnot lorsque l'intensité du champ magnétique de 5 Tesla. Le dispositif décrit solénoïde supraconducteur utilisé et le métal de terre rare utilisé dans le gadolinium (Gd) comme fluide de travail. Pur gadolinium utilisé non seulement en tant que telle Astronautique, et de la NASA, de la marine et d' autres laboratoires, en raison de ses propriétés magnétiques, à savoir -. Une température de Curie appropriée (environ 20 ° C) et assez grand effet magnétocalorique.
FEM taille, et donc l'efficacité du refroidissement dans le procédé est déterminée par les propriétés magnétiques des fluides pour le travail du réfrigérateur magnétique. En 1997, Ames Laboratory a annoncé la découverte en composés GD5 (SihGe1-x) 4 effet magnétocalorique géant. température de l' ordre magnétique de ces matériaux peut varier largement de 20 K à la température ambiante, en changeant le rapport de teneur en silicium (Si) et le germanium (Ge). Le plus prometteur pour une utilisation comme fluides de travail est actuellement considéré comme le nombre de gadolinium métallique de composés intermétalliques d'éléments de terres rares, les composés du système siliciure germanidov GD5 (Ge-Si) 4, et un La (Fe-Si) 13. L'utilisation de ces matériaux permet d'étendre la gamme de température de fonctionnement du réfrigérateur, et d'améliorer considérablement ses performances économiques.
Notez, cependant, que le travail de pionnier sur la recherche d'alliages efficaces pour les fluides de travail de réfrigération magnétique ont été effectuées quelques années plus tôt au département de physique de l'Université d'Etat de Moscou. Les résultats les plus complets de ces études sont présentés dans une thèse de doctorat éminent chercheur du Département de Physique de l' Université d' Etat de Moscou AM Silence en 1994. Au cours de ce travail, il a été analysé de nombreuses combinaisons possibles de métaux des terres rares, et les matériaux magnétiques et d'autres du point de vue de la recherche de la mise en œuvre optimale des alliages magnétiques refroidis à différentes plages de température. Il a été constaté, en particulier, que , parmi les matériaux ayant des propriétés de haute magnétocaloriques composé Fe49Rh51 (alliage de fer avec le rhodium) a le plus spécifique ( à savoir, par unité de champ magnétique) de l' effet magnétocalorique. Le MCE spécifique pour cette connexion est plusieurs fois plus grande que les siliciures, composés de germaniures. Cet alliage ne peut pas être utilisé dans la pratique en raison de son coût élevé, mais aussi des effets d'hystérésis importants, cependant, il peut servir de point de repère pour comparer les propriétés magnétocaloriques des matériaux.
Enfin, en Janvier de cette année, la revue Science Nouvelles (v.161, n.1, p.4, 2002) fait rapport sur la mise en place aux Etats-Unis premier consommateur mondial (ie, applicable non seulement dans la recherche, mais aussi à des fins domestiques) réfrigérateur. Un modèle de travail du réfrigérateur a été fabriqué conjointement Astronautics Corporation of America et le Laboratoire d' Ames et d' abord démontré lors de la Conférence Big Eight à Detroit en mai 2002. Un prototype fonctionnel du réfrigérateur magnétique interne proposé fonctionne à des températures ambiantes et sont utilisées comme source d'un champ magnétique permanent. En parlant de cette réalisation révolutionnaire, le professeur Karl Shnaydner du laboratoire Ames, a déclaré: «Nous assistons à un événement historique dans le développement de la technologie dans la démonstration avant que les appareils de réfrigération magnétiques utilisés grands aimants supraconducteurs, mais dans ce nouveau réfrigérateur magnétique premier à utiliser un aimant permanent, qui ne nécessite pas de réfrigération." .
Le dispositif a été très apprécié par les experts et le secrétaire à l'Énergie. Les estimations montrent que l' application de réfrigérateurs magnétiques permettra de réduire la consommation totale d'énergie aux États-Unis de 5%. Il est prévu que le refroidissement magnétique peut être utilisé dans divers domaines de l'activité humaine - en particulier dans le liquéfacteur d'hydrogène, des dispositifs pour les ordinateurs à grande vitesse et les appareils basés sur SQUID, climatiseurs pour les bâtiments résidentiels et industriels, systèmes de refroidissement pour les véhicules de refroidissement, dans les réfrigérateurs ménagers et industriels etc. Il convient de noter que le travail de l' appareil de réfrigération magnétique financé par le Département américain de l' énergie pour les 20 dernières années.
La conception du réfrigérateur
Dans un prototype d'un réfrigérateur magnétique en utilisant un modèle d'essieu en rotation. Il se compose d'une roue comportant des segments d'une poudre de gadolinium et d'un aimant permanent puissant.
La construction est conçue de telle sorte que la roue défile à travers l'entrefer de l'aimant, dans lequel le champ magnétique est concentré. En entrant dans le segment avec le gadolinium dans un champ magnétique à effet magnéto-calorique du gadolinium il y a - est chauffé. Cette chaleur est évacuée par l'échangeur de chaleur refroidi à l'eau. Quand le gadolinium sort de la zone de champ magnétique, l'effet magnéto-calorique se produit en face de matériau de panneau et est encore refroidi par refroidissement de l'échangeur de chaleur qui circule dans le deuxième écoulement d'eau dans celui-ci. Ce flux est effectivement utilisé pour refroidir la chambre de réfrigération magnétique du réfrigérateur. Un tel dispositif est compact et fonctionne pratiquement silencieux et sans vibration, ce qui le distingue de l'utilisation des réfrigérateurs aujourd'hui avec le cycle de vapeur et de gaz.
"L'aimant permanent et le fluide de travail sous la forme de gadolinium ne nécessitent pas d'alimentation, - dit le professeur Karl Shnaydner de l'Énergie Ames Laboratory est nécessaire pour faire tourner la roue et faire fonctionner les pompes à eau.".
Pour la première fois cette technologie a été testée en Septembre de 2001. À l'heure actuelle , nous travaillons sur l'expansion de ses capacités: amélioration de flux de travail de la production commerciale de gadolinium pur et ses connexions nécessaires, qui permettent une plus grande quantité à moindre coût FÉM. Dans le même temps les employés du laboratoire Ames ont conçu un aimant permanent capable de générer un champ magnétique intense. Nouveau aimant de champ crée deux fois plus grande que dans la conception de l' aimant précédent magnétique réfrigérateur (2001), ce qui est très important car l'amplitude du champ magnétique détermine les paramètres du réfrigérateur tels que l'efficacité et la puissance. Dans le processus de préparation d' un composé du bureau corps GD5 (Si2Ge2) et la construction d'un aimant permanent a déposé une demande de brevet.
Les avantages et les inconvénients de l'application
Tous les réfrigérateurs magnétiques peuvent être divisés en deux classes selon le type d'aimants utilisés: les systèmes utilisant des aimants supraconducteurs et un système basé sur des aimants permanents. La première d'entre elles ont une large gamme de températures de fonctionnement et la puissance de sortie relativement élevée. Ils peuvent être utilisés, par exemple, dans les systèmes de conditionnement d'air dans les grands bâtiments et des équipements de stockage des denrées alimentaires. Le système de refroidissement sur les aimants permanents ont une portée relativement limitée de la température (pas plus de 30 ° C par cycle) et, en principe, peut être utilisé dans des appareils avec une puissance moyenne (100 Watts) - comme un réfrigérateur de voiture et d' un réfrigérateur portable pour un pique - nique . Mais ils ont tous deux un certain nombre d'avantages par rapport aux systèmes de réfrigération à cycle combiné classiques:
Faible risque environnemental: Le fluide de travail - solide et peut être facilement isolé de l'environnement. Appliqué comme fluides de travail des métaux lanthanides ont une faible toxicité et peut être réutilisé après dispositif de recyclage. moyen dissipateur de chaleur doit avoir seulement une faible viscosité et conductivité thermique suffisante, ce qui concorde bien avec les propriétés de l'eau, de l'hélium ou de l'air. Récent hautement compatible avec l'environnement.
Haute efficacité. le chauffage et le refroidissement magnétocalorique - pratiquement processus thermodynamique réversible, contrairement au procédé dans le réfrigérateur à cycle opératoire du cycle de compression de vapeur combinés. Les calculs théoriques et des études expérimentales montrent que les systèmes de refroidissement magnétique ont une plus grande efficacité et de l'économie. En particulier, dans la région des réfrigérateurs magnétiques à température ambiante , éventuellement 20 à 30% plus efficace que d' opérer sur le cycle de vapeur. La technologie du froid magnétique à long terme peut être très efficace, ce qui réduit considérablement le coût de ces installations.
durée de vie plus longue. La technologie implique l'utilisation d'un petit nombre de pièces mobiles et basses fréquences de fonctionnement dans les dispositifs de refroidissement, ce qui réduit considérablement l'usure.
La flexibilité de la technologie. Possibilité d'utiliser la réfrigération magnétique différents modèles en fonction du but.
Propriétés utiles du gel. Technologie magnétique permet de réfrigération et de congélation de diverses substances (eau, air, produits chimiques) avec des modifications mineures pour chaque cas. En revanche, le cycle de refroidissement efficace à la vapeur du gaz nécessite de nombreuses étapes ou des mélanges de différents fluides de travail séparés, de refroidissement de la même procédure.
Des progrès rapides dans le développement de la supraconductivité et de l'amélioration des propriétés magnétiques des aimants permanents. Actuellement, un certain nombre de sociétés commerciales bien connues réussissent à améliorer les propriétés des aimants NdFeB (aimants permanents les plus efficaces) et travaillent sur leurs conceptions. En plus des progrès notables dans le domaine de la supraconductivité, il donne de l'espoir pour l'amélioration de la qualité des réfrigérateurs magnétiques et leur réduction simultanée du prix.
Inconvénients de refroidissement magnétique
- La nécessité d'un dépistage de la source magnétique.
- Le prix relativement élevé au moment où les sources de champ magnétique.
- Limité l'intervalle de changement de température dans un cycle de refroidissement dans un système d'aimants permanents. (Pas plus de 30 ° C).
La Russie sverhperspektivnuyu indépendamment développer la technologie?
Dans notre pays , problème de refroidissement jusqu'à présent magnétique existe seulement au niveau des laboratoires de recherche, même si les scientifiques russes au début des années 90-s réalisés les premiers travaux sur la théorie et la pratique de l' application de la FEM pour la création de réfrigérateurs magnétiques. En collaboration avec le personnel de l'entreprise "technologies magnétiques avancées et de consultation» et la Faculté de physique, Université d'Etat de Moscou depuis de nombreuses années les créateurs d'un prototype fonctionnel d'un réfrigérateur magnétique, qui a été discuté ci-dessus de travail. Malheureusement, en Russie, ces développements sont à un niveau en raison du manque de fonds insuffisants. Il n'y a pas de doute que, avec le soutien financier approprié dans le développement de l'Etat ou des structures commerciales de la technologie et la fabrication de réfrigérateurs magnétiques en Russie est certainement possible. Nous pensons qu'il est nécessaire dans un proche avenir apporter au travail dans ce sens tous les intervenants.
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Auteur: EN Silence
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Date de publication 08.12.2004gg
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