复合蓄冷室温磁制冷模拟及两种磁制冷样机研制

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近年来,室温磁制冷技术因其具有环境友善、高效节能等特点备受学界关注,各国学者在磁制冷工质和样机系统等方面的研究都取得了很大进展,但是这一切都还只处于实验阶段,要真正走向市场还需要解决效率和功率、可靠性和经济性等诸多问题。在本硕士论文中,作者通过理论分析计算,对复合蓄冷磁制冷机的运行进行模拟估算并给出理想状态下冷热两端的温跨,进而提出了两种不同蓄冷方式的磁制冷机的设计方案。本文研究的主要内容和结果如下:1.概述磁制冷研究的历史、发展和现状,磁制冷材料、磁制冷样机最新的研究成果,比较了磁制冷与其他传统制冷方式的优缺点;简要介绍了磁制冷的原理和实现方法,包括磁热效应的物理机制,室温磁制冷中磁制冷工质及磁场源的选择标准,最后描述了室温磁制冷所采用的四种循环,并分析了这四种循环的优缺点。2.从磁制冷研制的历史出发,重点描述了三种磁蓄冷方式,对单个钆片与换热流体之间的换热进行了数值计算,得到了钆片与换热流体的温度关系。进而对复合蓄冷磁制冷机蓄热回路的数值计算进行了两种简化方案,第一种方案为理想换热,即每一对冷半环和热半环空间单元中对应的钆工质完全理想换热;第二方案为存在温差换热,即每一对冷半环和热半环空间单元中对应的钆工质换热不充分。结果表明:在相同的初始温度,相同的磁场下,冷热两端温差与旋转次数相关,即旋转次数越多温差越大,但是这个上升趋势变缓;与理想换热过程相比,存在温差换热的蓄冷回路性能有所下降,故评价蓄冷回路的优劣标准应该是冷热空间单元之间的换热接近理想换热的程度:理想换热的效果最好。3.研究了两种室温磁制冷实验样机的具体方案。第一种方案是AMR方式,涉及一种新型旋转式磁制冷机。主要包括永磁体系统、由转轴带动的磁制冷工质盒、换热流体、交换阀门系统、电动机等。磁制冷工质盒在永磁体系统中周期性旋转,磁制冷工质因为磁化而温度上升,从冷端流进的换热流体流过磁制冷工质,升温后的流体流到热端换热器与外界换热;同理,撤去磁场,磁制冷工质温度下降,来自热端换热器的流体与磁制冷工质换热,将冷量带到冷端换热器,从而实现制冷目的。第二种方案则是基于复合蓄冷磁制冷样机。包括半圆形永磁体系统、沿轴心转动的磁工质圆环、流体平行流动泵、换热流体、电动机、工作台等。随着磁工质环旋转的次数,热端温度会逐步上升,冷端温度逐渐降低,由此冷热两端将形成较大的温跨,从而达到制冷的目的。
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