室温磁制冷蓄冷器的传热问题

    1 引 言

    因为臭氧层空洞的出现和温室效应的影响,人们正在着力探索新的制冷技术和方法,其中可能比较有前途的室温磁制冷因为无污染和高效率引起了人们的广泛兴趣。近年来室温磁制冷无论是在原理机的研制还是在磁制冷工质的研究上都取得了重要突破。1997年,美国依阿华州立大学AMES实验室与NASA合作率先研制出第一台能长期运行的以钆为工质的室温磁制冷原理机[1]。在材料研究上,美国依阿华州立大学AMES实验室在1997年发现钆合金具有超过钆的巨磁热效应[2];同年,南京大学物理系发现了镧钙锰氧这种钙钛矿结构的磁性氧化物也具有超过钆的巨磁热效应[3]。中国科学院物理研究所在2000年以来发现的镧铁三元和四元合金系列也具有大的磁热效应[4~6]。2002年,荷兰阿姆斯特丹大学的门德尔松-范德瓦尔斯研究所发现锰铁磷砷合金也具有巨磁热效应[7]。2001年6月,南京大学往复式永磁体实验机研制成功,绝热温降达到8℃。同年12月,南京大学四磁体耦合的往复式永磁体室温磁制冷机研制成功,温降达16℃。2002年3月,南京大学可以使用钆硅锗材料的室温磁制冷机问世,最大温降达到25℃,热力学完善度接近20%。

    但是要把磁制冷用于实际制冷还存在很多问题,譬如说高温端到低温端存在不可避免的漏热;装有制冷工质的不锈钢管与磁体的局部接触引起的漏热等等,这样就有制冷量的浪费。因此,计算这些漏热量的大小,对于了解室温磁制冷系统的制冷量损耗情况就很有意义。针对室温磁制冷必须采用的主动式磁蓄冷器(AMR)进行了典型的漏热计算,以期发现AMR漏热的大小以及对室温磁制冷的影响。

    2 计算模型

    计算的对象是一根圆柱体不锈钢管,里面装满了制冷工质钆球,钆球空隙里是载冷剂水。如图1所示。

    下面对该模型采用已经很成熟的传热学的数值计算方法[8~10]计算。计算时只考虑静态情形。计算的漏热分为沿轴向的传热,以及不锈钢管沿径向与外界的对流换热。尽管流动过程的复杂性,仍然可以认为水与钆球之间不是对流换热,而是相对简单的热传导。计算的参数如下:

    不锈钢管:长 l=22×10 mm;内径 d1=28 mm;外径 d2=31 mm;

    热导:不锈钢 λ1=0.14 W/ (cm•℃);钆 λ2=0.092 4 W/ (cm•℃);水 λ3=0.006 0 W/ (cm•℃);

    温度:室温 t=20℃;温差 Δt=8℃, 25℃, 273℃。

    计算可分为以下三个部分:

    (1)计算不锈钢管内部沿轴向的传热;

    (2)计算不锈钢管壁沿轴向的传热;

    (3)计算不锈钢管沿径向与外界的换热。

    后两个部分计算较简单,第一部分因内部结构较复杂,不能做解析计算,对此进行数值计算。