室温磁制冷回热器技术的研究动态

　　10年来由于全球变暖和能源消耗的现象日益加剧,国际社会加大了对磁制冷的关注力度。过去10年里平均每半年发表的与磁制冷相关的论文成指数形态增加。据统计资料显示,在2007年前三个季度中平均每天就有一份有关磁制冷的论文发表。

　　尽管有如此多的论文,但是磁制冷技术还处在一个相对较初级的阶段。自从1881年发现磁制冷技术到1930年的这50年间,磁制冷技术的发展非常缓慢,在随后的45年发展速度有所加快,自1975年至今磁制冷技术得到了较快的发展,但是仍然没有达到它的最快的增长率[1~4]。因此,磁制冷技术具有很好的发展前景。本文综述了在多孔介质流动与传热研究领域的现状,提出了多孔介质流动换热研究新方向。

　　1 磁制冷的原理

　　如图1所示,过去80年来国际社会加大了对磁制冷的研究[5]。简单地说,磁制冷(图2)就是利用固体磁性物质的磁热效应[6]。磁性物质是由原子或具有磁矩的磁性离子组成的结晶体,具有一定的热运动或振动。当无外加磁场时,磁性物质内磁矩的取向是无序的,此时熵值较大。当磁工质被磁化时,在等温条件下,工质熵值降低,有序度增加,向外界排热;当磁场强度减弱,由于磁性原子或离子的热运动,其磁矩又趋于无序,在熵值增加和等温条件下,磁工质从外界吸热,达到制冷的目的。

　　2 室温磁制冷样机研究

　　虽然磁制冷技术可以追溯到1881年Warburg发现磁热效应(Magnetocaloric effec,t MCE)[7~13],但真正室温磁制冷的发展始于1976年G#V#Brown首次实现了室温磁制冷(图3)[14]:该装置采用往复式的Ericsson循环,磁场由超导磁体提供(可达7 T),磁工质为1 mol的Gd片,换热介质采用400cm3的水(80% )和乙醇(20% )混合液,在无热负荷的条件下,经过50次循环后,温跨达到47 K;1978年Brown对装置进行了改进,磁工质采用0.9 kg的金属Gd片,在循环周期为60 s、温跨达到80 K时获得了6W的制冷功率。该装置的意义在于,首次实现了室温磁制冷。然而从实用意义上来讲,超导磁体系统太复杂,且存在蓄冷流体高低温端极易混合以及循环周期长,输出功率太小等问题。

　　随后在1978年W#A#Steyert设计了采用Bray-ton循环的旋转式结构磁制冷机。该系统功率较高但温跨太小,且还存在许多缺陷。另外, Kirol和Dacus于1987年设计了一台Nd2Fe14B永磁式旋转回流换热磁热泵(图4)[15],采用近似于Ericsson循环但实验效果也不尽人意。虽然上述研究基本上未取得大的突破,但为进一步研究提供了不少经验。Zimm等采用Brayton循环研制的往复式结构磁制冷机(图5)[16],以及2001年美国Ames实验室研制成功首台采用永磁体作为磁场的旋转式磁制冷样机(图6示)[17]。虽然他们低故障的运行时间都很长但也都存在使用磁场太高,系统太复杂等缺点。