室温磁致冷的仿真与分析

    室温磁致冷由于其高效和环保,具有广阔的发展前景,目前这项研究工作主要集中于新的磁工质材料和磁致冷装置研制。由于可能应用于室温磁致冷的材料的磁 热效应有限,必须借助较高强度的外磁场变化才可能获得较好的制冷效果,而强磁场源的设计实现非常困难,因此距实用化尚有一定距离。

    国内外对各种磁热力循环、特别是Ericsson循环性能的研究做了大量的工作[1,2],本文在总结这些研究成果的基础上,提出了综合磁场、磁热效应、 磁致冷循环和传热等多个环节对室温磁致冷过程进行全面仿真的分析方法,然后对一个改进设计的室温磁致冷装置进行了计算分析,验证了该方法的可行性和有效 性。

    1　室温磁致冷技术仿真分析方法原理

    与传统气体压缩制冷过程相比较,磁致冷的最大特点是其所采用的制冷工质为固体磁性材料,这决定了磁致冷装置在结构上与气体压缩制冷机有着根本区别。通常, 室温磁致冷装置主要由磁工质、磁场发生源、传热流体循环单元、蓄冷器以及冷热源热交换器等部件组成,对磁致冷装置的仿真分析必须从这些主要模块入手。磁工 质是磁致冷装置中完成吸热和散热作用的核心单元,对磁工质在循环过程中的各个状态变化进行计算是室温磁致冷仿真分析的核心问题。由于工质磁热效应的发挥受 到磁场源产生的磁场分布影响,计算中须将磁工质单元细化成微元,然后根据材料的磁热特性和场强分布情况计算工质微元在循环过程中的热量变化,在此基础上求 和即得整个磁工质单元的制冷效果和性能。

    1.1　磁场区域场强分布计算

    实际过程中无论磁致冷装置的磁场源设计如何优化,所产生的磁场分布都无法达到理想的均匀分布;处于工作磁场区域内的磁工质在循环过程的有限时间内,由外磁 场改变而引起状态和热量的变化也不能达到完全均一,必须按磁场分布做相应计算才能获得对整个磁工质工作状况的估计。磁场分布的计算可以借助有限元计算工具 如ANSYS来完成。

    对于含有恒磁场过程的循环方式来说,其磁化或去磁过程可利用绝热或等温的条件进行分析,又由于通常情况下循环的较低恒磁场过程即取零磁场状态近似,所以室 温磁致冷的分析中真正需要做磁场分布分析的仅是较高恒磁场的过程。计算后得到工质微元所处磁场的分布情况及网格剖分结果,按磁工质微元的顺序表示即为:

    式中:H2表示网格剖分后所有微元的平均场强,H2(k)表示每个磁工质微元上的平均场强,ρ表示所选用的磁工质材料的密度,v(k)为网格剖分后得到的各个子单元的体积参数,m表示网格剖分后所有微元的质量。