Магнитный холодильник принцип работы
Обновлено: 01.05.2024
Компания General Electric объявила о выпуске охлаждающих установок, в основе которых лежит магнитокалорический эффект, и представила опытный образец. В этой установке нет ни жидких хладагентов, ни компрессора. Не имеется также и термоэлектрических преобразователей, столь известных в автохолодильниках, снаряжении для туристов и системах, охлаждающих компьютеры.
По своей конструкции магнитный холодильник достаточно простой. Определенный объект, при охлаждении отдает своё тепло пластинам из металла. Они взаимодействуют с теплоносителем, внутри которого под влиянием магнитного поля производятся циклические изменения.
Для исследования в лаборатории, имеется целый список веществ подходящий для роли теплоносителя в магнитном холодильнике. В этот список входят Ферро, Антиферро, и ферримагнетики, но основной магнитокалорический эффект больше всего имеется у определенных парамагнетиков.
Здесь можно выделить, конечно, зависимо от определенной задачи, основной теплоноситель — это парамагнитный материал в разнообразном агрегатном свойстве. Наиболее подходит применение окиси азота или алюминия.
Парамагнетики имеют полярные молекулы, значит у них есть магнитное поле. Обычно они беспорядочно ориентированы по причине теплового взаимодействия. По внешнему магнитному полю они более расположены по направлению магнитных линий. За счет чего изнутри парамагнетики временно упорядочены. Образуется обратимое снижение энтропии, которое приводит к падению температуры.
При эксперименте эффект хорошо виден в адиабатических условиях — это когда имеется теплоизолирующая оболочка снаружи парамагнетика. Если оболочку удалить, то произойдёт выравнивание температуры с окружающей средой. Под действием переменного магнитного поля, парамагнетики начинают аккумулировать тепло (снижая температуру воздуха и тел поблизости), а далее передают его радиатору. Потом тепло, как и в любом холодильнике уходит в окружающую среду.
Установки охлаждения в основе которых магнитокалорический эффект применимы не только в бытовых, но и в промышленных масштабах — а именно для производства малозатратных и надёжных систем охлаждения в дата-центрах и серверных. По словам автора исследования — это путь к революции в охлаждающих системах.
Идея создания магнитных холодильников существовала давно. Профессор германского университета Эмиль Варбург описывал тепловые проявления в парамагнетиках ещё в 1881 году. Долго данная работа не применялась, по причине низкой производительности установок.
Через столетие в 1980 году, исследователи Лос-Аламской лаборатории (США) все же получили нужное магнитокалорическое влияние используя дорогостоящий магнит со сверхпроводной обмоткой.
Экономически приемлемыми эти системы смогли сделать недавно — применяя новые материалы и подход к реализации такого теплообмена. GE предлагает не применять переменное магнитное поле при помощи индуктивных катушек, а использовать вращающиеся постоянные неодимовые магниты.
Данный метод понижает затраты электроэнергии и дает возможность производства экономичных магнитных холодильников. По имеющимся данным, они энергоэффективнее обычных систем охлаждения на 20%. Хотя имеется только экспериментальная модель устройства, но она уже с легкостью замораживает воду в лёд.
Научная работа постдока Владимира Соколовского из Челябинского государственного университета, которая ведется под руководством доктора физ.-мат. наук Владимира Ховайло (МИСиС), посвящена исследованию сплавов Гейслера с эффектом памяти формы. Уже в ближайшие несколько лет они позволят, например, создать высокоэффективный магнитный холодильник – устройство, которое придет на смену нынешним фреоновым аналогам, будет отличаться бесшумностью и почти на 40% меньшим потреблением энергии.
История сплавов Гейслера началась еще в 1898 году, когда немецкий физик Фридрих Гейслер обнаружил интересную закономерность: сплавление немагнитнитных Mn, Cu и Sn приводило к появлению ферромагнитные свойства, то есть сплав притягивался к магниту. Впоследствии данная особенность была обнаружена и в других сплавах с общей химической формулой Х2YZ. Наиболее интересным для практических применений является сплав Гейслера Ni2MnGa. Этот интерметаллид проявляет эффекты памяти формы и сверхупругости, а его ярко выраженные магнитные свойства дают возможность управления этими эффектами с помощью магнитного поля, вплоть до изменения на глазах формы предмета из сплава при поднесении к нему магнита (!).
Память формы и сверхупругость обусловлены наличием особого фазового превращения, называемого мартенситным. В ферромагнитных сплавах с памятью формы магнитное поле влияет на параметры мартенситной фазы вследствие магнитоупругого взаимодействия.
Обычные бытовые холодильники основаны на компрессионном принципе. Охлаждающая жидкость под сильным давлением выталкивается в испаритель, который находится внутри холодильной камеры. В момент возвращения к нормальному давлению жидкость превращается в пар, забирая при этом тепло из внешней среды.
Совершенно не думаю, что кому-либо стоит это делать. Но если вдруг окажется невтерпеж, то это очень дорого. 10800 жетонов сразу. Просто, чтобы не было дурных идей.
Comments
ну да щас уже вот вот эти чудо холодильники пойдут в серию ага дождемся мы их на том свете кстати эти упыри чиновники запрещают не только вечные двигатели но и кучу разных полезностей для народу и все это для того чтобы держать народ на коротком повадке
Патентуй и выкладывай устройство в открытый доступ, в чем проблема то. Все остальное - болтовня.
Типичная психология чурбана: до чего не дотянусь - обосру и обоссу.
Нет ни малейшего представления по теме, лишь бы побрехать.
Перестаньте. Вы блог этого alpmild видели? С такими "полезными дураками" и никакой 5-ой колонны не надо.
Блок посмотрела. Ничего более патологического, чем у Вас, не увидела.
Изобретают очень много, и вакуумную стиральную машину, и лазерную картофелечистку. Если Вам в голову пришла идея - знайте, над её реализацией уже кто-то работает. Вселенная всегда подстраховывается.
А уважаемый chipstone кому-то какой-то информацией на мозоль наступил, потому что появились новые лица (как-то уже пригляделись к аватаркам) - тролли, отчаянно его топящие. Даже аватары разные, а тип брюзжания тот же, из-под одной копирки.
А пусть их. Не страшно. Уже многие приходили и так же незаметно исчезали. А здравомысляшие люди, даже оппоненты, задерживались и оставались. Что и радует.
Я к тому что варианты "у меня есть вечный двигатель, но вам не покажу" ни к чему не ведут, просто информационный шум.
конешно если изобрел чтото сверхеденичное то патентуй сразу
и тебя точно наградят правда наградят ножем в спину где нибуть в темном переулке это кстати так государство приветствует гениальных ученных то есть чиновникам им ваши вечные двигатели нафиг не нужны они для них как кость в горле
Edited at 2016-02-20 07:48 am (UTC)
Ура! Ура! Ура! Так держать!
Часто в такие моменты почему-то вспоминается Никита Сергеевич, когда он стучал туфлем по трибуне и говорил: "Мы покажем Вам Кузькину мать". Весь западный прогресс за эти годы во много основан на украденном и вывезенном из нашей страны.
И да, если даже и придумали, то мощное магнитное поле в месте проживания здоровья уж точно не прибавит.
Журнал Science News (v.161, n.1, p.4, 2002) сообщил о создании в США первого в мире бытового (т.е. применимого не только в научных, но и в бытовых целях) холодильника. Работающая модель такого холодильника была изготовлена совместно Astronautics Corporation of America и Ames Laboratory и впервые продемонстрирована на конференции Большой Восьмерки в Детройте в мае 2002 года.
Ну и на каких принципах работает этот самый "в США первого в мире бытового (т.е. применимого не только в научных, но и в бытовых целях) холодильника.", м?
На тех же самых принципах. Пиндосы использовали вращение диска (из соединений гадолиния), возле мощного постоянного магнита.
А вообще разные элементы Пелтье применяются уже давно, особенно в промышленных и лабораторных установках (а в быту - в портативных холодильных устройствах).
Пиндосы свой холодильник защитили патентами. И если у наших тоже патенты, очень хотелось бы узнать подробности устройства и используемых материалов (различия, так сказать).
С прошлого года вроде бы подобные ещё где-то за рубежом начали делать (кажется в Швеции, но возможно и ошибаюсь).
Собственно технически проблема его создания решена давно. Главный вопрос - сделать диск как можно дешевле (всё остальное - чешуя: 2 теплообменных контура с системами циркуляции теплоносителя и движок для вращения диска (совсем маломощный)). Наши лет 8 назад работали с железо-родиевыми сплавами, но, как и гадолиниевые диски, эти тоже не из самых дешевых. Надежда на то, что за эти годы произошел качественный прорыв именно в получении недорогого магнитного материала.
Как бы то ни было, массовыми такие холодильники за десятилетие не стали (хотя авансы прессой выдавались аналогичные). Станет ли этот - поживём, увидим.
Вот и мне интересно. Я выше написал по этому поводу - ничего принципиально нового, кроме новых материалов для магнита, изобрести уже не получится.
Проходя по трубкам внутри камеры холодильника, газ принимает тепло, отнятое из нее испарителем, затем попадает в конденсатор, в котором остывает, отдавая тепло в окружающую среду за холодильником.
В основе технологии - применение
так называемого магнитокалорического эффекта (МКЭ) - способности любого магнитного материала перераспределять внутреннюю энергию и изменять температуру.
Замечали, что, когда вы выходите из душа, вам всегда прохладно? Дело в том, что влага при испарении поглощает тепло. А при конденсации, наоборот, тепло выделяется. На этих явлениях и основан принцип действия паровых компрессорных холодильных машин– в них по замкнутому кругу двигается специальная жидкость (хладагент). Хладагент испаряется в испарителе и конденсируется в конденсаторе. При этом испаритель охлаждается, а конденсатор греется.
Чтобы хладагент испарялся и конденсировался в нужных местах, в холодильном контуре должны присутствовать еще два элемента – компрессор и дросселирующее устройство.
Компрессор сжимает газообразный хладагент в конденсаторе, где он под действием высокого давления переходит в жидкую форму, выделяя тепло. А дросселирующее устройство (капиллярная трубка или терморегулирующий вентиль) затрудняет движение хладагента и поддерживает высокое давление в конденсаторе. После дросселя давление в контуре намного ниже, и попавший туда хладагент начинает испаряться внутри испарителя, поглощая тепло. Далее он, уже в газообразном виде, снова попадает в компрессор, и цикл повторяется.
Многие холодильные установки комплектуются дополнительными элементами.
Фильтр-осушитель устанавливается перед дросселирующим устройством. Его задачей является извлечение из хладагента воды и механических частиц. При его отсутствии капилляр может засориться или замерзнуть.
Терморегулятор (термостат) выключает компрессор при достижении необходимой температуры.
Ресивер повышает эффективность холодильной установки. Без терморегулирущего вентиля (с капиллярной трубкой) скорость выработки холода является постоянной. И, если она будет слишком большой, компрессор будет часто включаться–выключаться, а если слишком маленькой — охлаждение будет идти слишком долго. Использование ТРВ позволяет изменять скорость охлаждения в больших пределах, но требует наличия ресивера для компенсирования колебаний расхода хладагента.
Различные датчики температуры и давления, управляемые электроникой регуляторы давления и клапаны используются для повышения эффективности устройства и поддержания специфических режимов работы.
Из холода в жар
Однако здесь есть некоторые тонкости — эффективность холодильной машины уменьшается при падении температуры на испарителе и ее росте на конденсаторе. Это связано с тем, что теплообмен между двумя веществами происходит тем быстрее, чем больше разница их температур. А поскольку температура кипения хладагента постоянна, то, чем ниже температура в испарителе, тем медленнее идет теплообмен и тем меньше тепла он вырабатывает при той же потребляемой мощности. И при температуре окружающей среды до -5…-10°С эффективность кондиционера как отопительного прибора становится невысока.
Поэтому использовать кондиционер для отопления дома или квартиры можно, только если температура зимой не падает ниже -5°С.
В местах с более холодным климатом в последнее время все большую популярность получают тепловые насосы – паровые компрессорные холодильные машины, у которых испаритель помещен под землю на глубину, большую глубины промерзания. Поскольку там всегда сохраняется положительная температура, эффективность теплового насоса не зависит от времени года. Такие устройства намного экономичнее электрических обогревателей и могут использоваться для отопления жилища круглый год при любой температуре. К сожалению, высокая стоимость тепловых насосов пока препятствует их популярности.
Виды компрессоров
Поршневые компрессоры устанавливаются в основном в холодильниках и морозильниках. В большинстве моделей поршень приводится в движение обычным электродвигателем, двигающим поршень через шатунно-кривошипный, кулачковый или кулисный механизм.
Существуют также электромагнитные (линейные) поршневые компрессоры. В них цилиндр расположен внутри катушки, создающей электромагнитное поле, которое приводит в движение поршень.
Поршневые компрессоры способны создавать высокое давление, обеспечивая большой перепад температур на испарителе и конденсаторе. Кроме того, обычный поршневой компрессор имеет достаточно простую конструкцию, не требующую высокой точности изготовления деталей, соответственно стоят они недорого. Однако недостатков у поршневых компрессоров тоже хватает:
- Несбалансированность однопоршневого компрессора является причиной высокого уровня шума и вибраций при работе.
- Большое количество движущихся деталей приводит к ускоренному износу и снижению ресурса.
- Опасность поломки при быстром повторном пуске. Сразу после остановки в цилиндре компрессора наличествует высокое давление. Если в этот момент включить компрессор, создается критическая нагрузка на двигатель, могущая привести к его повреждению.
Поэтому поршневой компрессор можно повторно запускать только через несколько минут после остановки, когда давление в системе выровняется. Защитой от повторного пуска снабжены далеко не все модели, поэтому холодильное оборудование рекомендуется подключать через реле времени с задержкой включения в 5–10 минут.
Ротационные компрессоры (иногда называемые роторными) создают давление за счет изменяющегося зазора между вращающимся ротором и корпусом компрессора.
Существуют различные модификации этого вида компрессоров — с эксцентричным ротором, с подвижными лепестками, с качающимся ротором, спиральный и т. п.
Все они обладают небольшими габаритами, низким уровнем шума и увеличенным ресурсом за счет снижения количества подвижных деталей. К недостаткам этого вида можно отнести сложность изготовления (ротор и корпус должны быть изготовлены с высокой точностью) и низкое максимальное давление. Такие компрессоры чаще используются в климатической технике, для которой не требуется создавать очень низкую температуру.
Ротационными и поршневыми список компрессоров не исчерпывается — существуют еще центробежные, винтовые, кулачковые и другие. Но в бытовой технике они используются реже.
Вне зависимости от вида компрессор может быть неинверторным (стандартным) или инверторным. У обычных компрессоров скорость вращения двигателя постоянна, для поддержания заданной температуры он периодически включается и выключается. В инверторных компрессорах двигатель подключен через частотный преобразователь (инвертор), с помощью изменения частоты напряжения меняющий скорость вращения электродвигателя. Такой компрессор поддерживает заданную температуру выставлением нужной скорости вращения. Инверторные компрессоры дороже, но экономичнее, эффективнее и имеют больший ресурс.
Типы хладагентов
В качестве хладагента в холодильных машинах используются различные жидкости и газы — аммиак, пропан, фреоны (смеси углеводородов). Используемый в холодильной машине хладагент сильно влияет как на ее характеристики, так и на условия эксплуатации. Например, кондиционер, заправленный фреоном R-134a (температура кипения -26,5 °С) при -30 на улице работать в режиме обогрева не будет вообще — фреон просто не вскипит в наружном блоке. Более того, попытка включения кондиционера в таких условиях с большой вероятностью приведет к его поломке — попадание жидкости (а не газа) в компрессор обычно выводит его из строя.
В бытовых устройствах чаще всего используются следующие хладагенты:
Фреон R22 (хладон 22, хлордифторметан) до недавних пор часто использовался в холодильных и морозильных установках. Обладает достаточно низкой температурой кипения (-40,8°С), при утечке возможна дозаправка системы. Однако из-за вреда, наносимого окружающей среде (разрушение озонового слоя) R22 в последнее время используется редко, а во многих странах вообще запрещен.
R410A и R407С (хлорофторокарбонат, температура кипения -51,4°С) используются взамен R22. Они не вредят экологии, но требуют большего давления для конденсации, поэтому техника, заправляемая R410 или R407, стоит дороже. Кроме того, при возникновении утечек в системе, заполненной этими фреонами, могут возникнуть проблемы. Эти фреоны состоят из нескольких компонентов, которые улетучиваются неравномерно, поэтому при утечке более чем 40 % R410A дозаправка уже невозможна. Еще хуже обстоит дело с R407C – при возникновении утечки систему следует перезаправлять полностью.
R134 (тетрафторэтан) используется в кондиционерах взамен вышедшего из употребления R12. Температура кипения R134 составляет -26,3°С, поэтому в низкотемпературной технике он не используется. Однако, хоть R134 и не вреден для озонового слоя, он относится к газам, усиливающим парниковый эффект, поэтому безвредным его назвать нельзя.
R600a (изобутан) все чаще используется в холодильной технике вместо менее экологичного R134. Его преимуществами являются низкое давление конденсации и высокая удельная теплота парообразования – холодильники, использующие этот фреон, дешевле и экономичнее. Однако из-за высокой температуры кипения (-12°С) заправленную им технику нельзя использовать на улице при отрицательных температурах.
Следует также помнить о том, что каждый тип фреона требует использования определенного вида масла для смазки деталей компрессора. Обычно тип (а иногда и марка масла) приводятся в сопроводительной документации к фреону. Использование других масел может привести к поломке компрессора.
Как видно, ничего сложного в холодильной технике нет, а понимание принципов ее работы может значительно продлить жизнь технике, позволить сэкономить на электроэнергии и уберечь от неправильных действий, могущих привести к поломке прибора.
Читайте также: