室温磁制冷研究新动态及应用

    引言

    自1881年发现磁热效应以来,磁制冷作为一种高效、可靠的绿色制冷技术引起了国内外的广泛重视。80多年的磁制冷历史使其在低温领域内的研究和应用已比较成熟,但是直到最近20年才将磁制冷的温度范围提高到室温附近。目前,室温磁制冷研究在世界范围内积极开展,主要集中在磁热力学系统理论分析、磁制冷材料的制备以及磁制冷样机的研究三个方面,取得了可喜的成就。

    1 磁热力学系统理论分析

    室温磁制冷多采用磁Ericsson循环和磁Bray-ton循环。为提高循环制冷量或制冷效率必然要求材料在室温附近具有大的磁熵变,且尽可能减小循环中的不可逆性。早在1985年Wood等人[1]就认为循环性能不能单纯考察磁熵变Δs,还必须考虑其温跨ΔT,从而提出/工质容量(refrigerant ca-pacity)0的概念,定义为循环中Δs与ΔT的乘积,以此作为研究磁制冷循环的一个重要参数。

    随后,陈金灿、严子浚等人[2,3]为考虑热阻、回热损失等不可逆因素对顺磁质磁制冷循环性能的影响,在有限时间热力学的基础上建构了包括热阻、回热损失因素的不可逆循环模型,为磁制冷循环的深入研究奠定了理论基础。结果表明,回热损失是磁Ericsson循环的最重要的特征之一。若不考虑回热损失,则循环性能与磁Carnot循环无异,只能得到一些与磁Carnot制冷循环相同的结论。因此在磁Ericsson循环的研究中,必须考虑回热对循环性能的影响。此外,他们还对磁Ericsson制冷循环性能进行了优化,发现制冷率R和性能系数COP间存在一个最佳值,如图1所示。2000年,袁都奇[4]在对顺磁质的Ericsson循环性能优化的研究时发现,热漏的存在对循环的影响与仅考虑热阻、回热损失的情况有很大的区别,如图2所示。这说明系统在循环过程中存在制冷率最大和性能系数最大的状态,更好地反映了回热式制冷机的实际观测特征,进一步完善了磁制冷循环的不可逆模型。研究表明,热漏对磁Ericsson循环的性能将产生根本性的影响,与热阻、回热损失对循环性能影响有很大的不同:热阻使得传热需要时间和温差,时间越短磁工质吸、放热温差越大,从而产生的不可逆损失越大,所以使得R-COP曲线在短周期出现零点。热漏则使R-COP曲线在长周期出现零点,不降低制冷率也影响性能系数。1998年,ASmaili和R Chahine对循环主要部件活性蓄冷器进行了热力学分析[5],建立了绝热温差ΔTmag和填料床内磁工质温度T的函数关系,模拟了一个完整的热力学AMR循环,在满足条件ΔTmag=JTH(T/T_H)η(η=0~3)的前提下对一系列活性蓄冷器的制冷量和热效率进行了计算。数值计算结果表明,在可逆的情况下$Tmag(T),(η≥0.5)的关系不是唯一的,任何单增的函数关系符合要求;对不可逆情况,准线性关系(2≥η≥1)是最合适的。此外,他们还运用分子场理论和Debye近似对复合磁工质的热磁学参数进行了计算。2001年,FengWu和Lingen Chen等人研究了不可逆磁Stirling制冷机优化设计方案[6],以顺磁盐作为磁工质,详细研究了制冷量和性能系数间的最优关系以及最大制冷量和相应的性能系数,得到了类似袁都奇的结论:要提高磁制冷机的经济性和热效率,关键在于减少回热时间、热漏和内部不可逆性,提高热交换器的效率以及磁工质的磁场性能。该结论对设计实际的磁制冷机和选择合适的运行模式具有很好的指导意义。同年,S C Kaushik和S Kumar[7]在有限时间热力学的基础上对磁Ericsson和磁Stirling热机进行了研究,发现在两种循环方式中回热损失、回热器效率和热漏都不影响最大输出功率,这对磁制冷机的研究有一定的理论指导。2002年,S K Tyagi[8]等人对由工作流体与热源间有限温差而产生的外部不可逆因素以及由回热损失和循环的其它熵产而引起的内部不可逆因素进行了分析,发现相对于其它不可逆因素而言,其内部不可逆参数(回热损失和循环的其它熵产)对循环性能的影响更大。2003年,Jizhou He等人[9]运用铁磁质制冷循环理论对铁电质进行了研究,其结论也适用于磁制冷循环。Farhad Shir等人[10]用纳米化合物作为磁工质,讨论了理想和实际活性蓄冷器循环的热力学性质、分析了其热量传递,并推导出优化参数选择的法则。2004年,G Lin等人[11]运用新的循环模型,在优化控制理论基础上对R-COP的关系进行了优化,并得到了一些主要性能参数的边界取值,结果具有通用意义。