הפוטנציאל של טכנולוגיות קירור מגנטיות לניהול בר-קיימא

טכנולוגיית קירור מגנטית מייצגת שינוי טרנספורמטיבי בניהול תרמי, הרחק מהמאה ה- Vapor-compression refrigeration לכיוון מצב מוצק, חלופה שפיר סביבתית.על ידי ניצול ההשפעה המגנטית - תופעה פיזית שבה חומרים מסוימים מתחממים כאשר ממגנטים ומגניבים כאשר מגנים מחדשים - מערכות אלה מספקים קירור ללא תלות על זיהום או מרעימים או כוח יתר של גזים, הוא גדל מחשמלים מגנטיים, כמו קירור אנרגיה נמוכה, כמו קירור אנרגיה, כמו קירור יעיל.

ההתפתחויות האחרונות בחומרים מגנטיים ובעיצוב המערכת הובילו את אבטיפוס המעבדה למוכנות מסחרית. מאמר זה מספק בדיקה מעמיקה של עקרונות קירור מגנטי, החומרים שהופכים אותו לאפשרי, היתרונות שלה והמגבלות הנוכחיות, ואת כיוונים המחקר שיכולים לפתוח אימוץ נרחב.על ידי הבנת הפוטנציאל של הטכנולוגיה, המהנדסים ומקבלי ההחלטות האלה יכולים להעריך את תפקידם בעתיד עם השפעה סביבתית מופחתת וביצועים משופרים.

הבנת ההשפעה המגנטית

ההשפעה המגנטית (MCE) היא תופעה תרמומגנטית של חומרים מגנטיים מסוימים.כאשר חומר כזה ממוקם בשדה מגנטי, הרגעים המגנטיים שלו מיישר את האנטרופיה המגנטית של המערכת. כדי לשמר את החומר הכולל, את חומרי ה- lattice ואת תת-מערכת אלקטרונית לספוג את ה- entropy הנוסף, להעלות את הטמפרטורה של החומר, כאשר רמות זה ניתן להסיר את השלבים הרטובים, כמה חומר זה יכול להיות דרמטי, כדי לטבולית, כמה חומרים אלה, כדי לרסן, כמו גם כן, כמה חומר דרמטי, כדי לרסן, חומרים מגנטיים, כדי לטבולית, כמה חומר זה יכול להיות גדול יותר, 000.

הפיזיקה הבסיסית התגלתה לפני יותר ממאה שנים, אך ניצול מעשי נותר חמקמק עד סוף המאה ה-20, כאשר חומרים מתקדמים ומגנטים קבועים אפשרו להנדס מחזורי קירור שימושיים. גודל ה- MCE תלוי בטמפרטורת הקראי של החומר, סדר מגנטי, וכוח השדה החלי.

כיצד מערכות קירור מגנטיות מתחרות

מערכת קירור מגנטית מורכבת בדרך כלל מהמיטה מגנטית (מבנה ⁇ או הצלחות מקבילות של חומר פעיל), מגנטי (permanent, superconducting, או אלקטרומגנט), נוזל להעברה חום (לעתים קרובות מים או תערובת גליקול מים), ו לולאה של שינוי חום. מחזור הקירור עוקב אחרי ארבעה שלבים עיקריים אנלוגיים לחוס מדכא: קירור:

• (ב) ⁇ :0 Magnetization: FLT:1 החומר המגנטי הוא חשוף לשדה מגנטי, מה שגורם לו להתחמם.החום מופק על ידי נוזל הזורם ונשלח אל תוך הסביבה או כיור חום.
• (ב) דחיית ה':0) ה'אל-מ' (ב') ה'נוזל' נושא את החום הרחק, ומקיר את החומר בחזרה לטמפרטורה המקורית שלו, בעודו עדיין בשדה.
• (ב) ,0) , ⁇ : ⁇ : 1 (ב) ,השדה המגנטי הוסר, והטמפרטורה של החומר יורדת מתחת לנקודת ההתחלה שלו, ככל שעולה אנטרופיה מגנטית.
• (ב) ⁇ (ב"ב) ⁇ (התרחשות) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

בפועל, השדה המגנטי מגוון על ידי העברת מגנטית יחסית למיטה או על ידי חתירה של מערך מגנטי קבוע. Active מגנטי regenerator (AMR) מחזורים נפוצים ביותר: הם משתמשים בנוזל כדי להעביר חום לאורך המיטה, יצירת אורך טמפרטורה מן הקצה הקר עד הקצה החם אבטיפוס מודרני להשיג מעל 50 K (מ -20 ° C עד +30 ° C) וקירור של כמה וואט עבור יישומים קטנים.

חומרים מגנטיים: מפתח לביצוע

הלב של כל מערכת קירור מגנטית הוא החומר המגנטי של התכונות שלה - במיוחד שינוי הטמפרטורה הדו-לשונית, שינוי אנטרופיה העילאית, ואת טווח הטמפרטורה התפעולית - לקבוע את יעילות המערכת ואת המעשיות של החוקרים חקרו עשרות משפחות חומריות; הבולט ביותר מתואר להלן.

גנדוליניום והכלי

Gadolinium (Gd) נשאר חומר ה- benchmark בגלל גדול, התחדשות MCE ליד הטמפרטורה של Curie של 20 מעלות צלזיוס. Pure Gd מראה שינוי טמפרטורה adiabatic של כ 5 K תחת שדה 2 T. זה נפוץ מאוד אבטיפוס מעבדה בשל הפשטות שלה ועקביות שלה, אבל העלות הגבוהה של אלמנטים נדירים של אדמה ואפקט נמוך יחסית בתחומים גבוהים של GGy (לעתים קרובות) עם השפעה מסחרית אחרים.

מכלול מבוסס מאן

מערכות מנגנזיות - כמו MnFeP1-xAsx, MnFeSi, ו- MnAs מבוסס ⁇ s - אטרקטיביות כי הם נמנעים אדמה נדירה יקר משפחה ממשפחת MnFe(P,Si) בפרט, מציג ענק MCE ליד טמפרטורה בחדר, עם שינויים אמביטטיים עד 4K תחת שדות בינוניים.

Lanthanum-Strontium Manganates

Perovskite-type oxides כמו La0.67Sr0.33MnO3 מציעים נמוך MCE מאשר תרכובות מתכתיות אבל הם יציבים מבחינה כימית, זול לייצר, ויש להם היסטריה נמוכה מאוד.הם פועלים ליד טמפרטורת החדר והם מתאימים במיוחד עבור יישומים הדורשים תקופות חיים מורחבות.

ניקל-מנדנג'י – Heusler Alloys

⁇ Heusler - למשל, Ni-Mn-Ga, Ni-Mn-In ו- Ni-Mn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-Sn-, עוברים מעבר מעבר מבני-Mn-Mn-Mn-Mn-Mn-M

יתרונות על גבי דחיית Vapor-Compression Refrigeration

קירור מגנטי מציג כמה יתרונות פנימיים אשר לטפל ליקויי הסביבה וביצועים של מערכות קונבנציונליות.

• (FLT:0) אלימינציה של קירור מזיקים.אנדרופולים 1 (לא אוזון-מבטל כלורופלונופחמנים (CFCs) או הידרופלוממנים בעלי יכולת גבוהה של פחמן (HFCs) נדרשים.נוזל העבודה הוא בדרך כלל נוזל שפיר כמו מים או נוזל חום לא רעיל.
• (FLT:0)פונטני ליעילות אנרגיה גבוהה יותר.FIRLT:1 , הניתוחים התיאורטיים וכמה מדידות אבטיפוס מראים כי קירור מגנטי יכול להגיע ל 50-60 אחוזים של יעילות Carnot, דומה או עליון על מערכות דיכוי vapor, במיוחד בעומס חלקי.העדר דחיסה מאפשר מחזור תרמודינמיקה הפוכה שיכול להתקרב יותר אידיאלי.
• (FLT:0) הפעלת Quicket וצמצום הרטט.FLT:1 ללא דחוסים או שסתום, קרירים מגנטיים מייצרים רעש מינימלי ולבוש מכני.זה הופך אותם אטרקטיביים להגדרות מגורים, בתי חולים, מעבדות ומרכזי נתונים שבהם אי נוחות אקוסטית היא דאגה.
• (FLT:0) גורמים לצורה קומפקטית.FreaLT:1) הטכנולוגיה יכולה להיות ממזערת עבור קירור שבב באלקטרוניקה או בקנה מידה עבור מצמררים בקנה מידה גדול.הטבע של המדינה המוצק מאפשר גם שילוב חדש למכשירים ניידים וניהול תרמי של רכב.
• (FLT:0) Longer תפעולי Lifeure.FLT:1 Fewer Moving חלקי והיעדר דחיסות רוטטת להפחית כישלונות מכניים.התוואי העיקרי הוא החומר המגנטי, אך חומרים רבים מציגים ביצועים יציבים על פני מיליוני מחזורים.
• (FLT:0) בטוח וידידותי לסביבה.FLT:1 אין סיכון לדליפה קירור, השדה המגנטי אינו מהווה סכנה בריאותית ברמות המשמשות ברוב המערכות (בדרך כלל 1-2 T).

למרות היתרונות האלה, ההשוואה אינה חד-צדדית: מערכות דיכוי של vapor נהנה ממאה של אופטימיזציה הנדסית, ייצור המוני, ועלויות ראשונות נמוכות.עבור קירור מגנטי להתחרות, היא חייבת להראות עלויות דומות לוואט של קירור, אמינות וביצועים בקנה מידה.

יישומים והפגנות

דגמי מעבדה ויחידות טייס

בעשור האחרון נבנו מקררים מגנטיים רבים ונבדקו. דוגמאות לא ניתן לכלול את יחידת ה-kW הראשונה שפותחה על ידי המכון לוקסמבורג למדע וטכנולוגיה, שהשתמשה ב- AMR מבוסס Gd והשגת אורך טמפרטורה של 50 K. האוניברסיטה הטכנית של אבטיפוס 0.5-kW של דנמרק הראה קירור של משקה מגנטי ב-COP (אפקט של ביצועים) מעל אלה של יחידות קירור דומות, בדומה לקיבולת קירור של 350 מדדים פיזיים.

יישומים: אלקטרוניקה ומכשירים רפואיים

מכיוון שניתן להגדיל את קירור המגנטי ללא עונשי יעילות, הוא מתאים במיוחד לאלקטרוניקה קירור - שבו חלל ורטט הם קריטיים - וציוד רפואי כמו סורקי MRI.לדוגמה, קונסורציום מחקר ביפן פיתח קריר יותר עבור חשמל אלקטרוניקה כוח בכלי רכב חשמליים, השגת צפיפות מעל 5 W-3. היעדר קירור גם מבטל סיכונים בטיחותיים בסביבות גבוהות של מתח.

אינטגרציה לרכבת HVAC

מגזר הרכב חוקר קירור מגנטי עבור מיזוג אווירי בכלי רכב חשמליים.טיפוס יקר של רכב מאסטרונאוטיקה תאגיד אמריקה השתמש במערכת קבועה-magnet כדי לספק 2 קילוואט של כוח קירור עם יעילות של 20-30% גבוה יותר מאשר יחידה קונבנציונלית.אינטגרציה לתוך מערכות HVAC עבור מבנים הוכח בפרויקטים טייסים על ידי חברות כמו יישומי Cooltech וממנום פתרונות, מראה פוטנציאל להפחית את שיא החשמל ואת ההשפעה הסביבתית.

אתגרים מגבילים אימוץ מסחרי

למרות ההבטחה, קירור מגנטי עדיין לא הגיע למסחר המוני.המכשולים הבאים חייבים להתגבר:

• (FLT:0) של חומרים מגנטיים.BuildFLT:1) Gadolinium ואופטימיזציה של תרכובות נדירות-earth נשאר יקר.
• (FLT:0) Cost וגודל מגנטים.FreaLT:1 כדי להשיג גבוה MCE, שדות מגנטיים של 1-2 T נדרשים. ניאודימיום-ברזל-ברזל מגנטים לספק שדות אלה אך הם יקרים.
• (FLT:0) Thermal and הידראוליs.cioFLT:1) מחזור AMR דורש ניהול זרימה נוזלי זהיר. טיפות לחץ, כרכים מתים, והפסדים של שינוי חום יכולים להפחית את המערכת הכוללת COP.
• (FLT:0) רפורמות ביכולות גבוהות.FLT:1 בעוד אבטיפוס קטן עובד טוב, קנה מידה של קירור רב-קילווואט מציב אתגרים בהעברת חום, הפצה מגנטית ומדים חומריים.
• (FLT:0)Stability andעייפות של חומרים מגנטיים.FLT ( 1:1 חומרי ענק-MCE סובלים מהיסטריה תרמית ומגנטית, אשר מקטין ביצועים לאחר אלפי מחזורים.
• (FLT:0) שרשראות אספקה מבוססות.FIRLT:1) הרכיבים - חומרים מגנטיים, מארגן מתקדם, ופורצות מגנטיות מיוחדות - אינם פרודוקטיביים המוניים.המערכת האקולוגית התעשייתית הדרושה לייצור כלכלי עדיין היא סנט.

כיוונים עתידיים של Outlook ומחקר

חומרים גילויים והנדסה

באמצעות חישוב גבוה הקרנה חישובית ולמידה מכונה הם מאיצים את התגלית של תרכובות מגנטיות חדשות.חוקרים שואפים לזהות חומרים המציגים ענק MCE ליד טמפרטורת החדר, היסטריה מינימלית, מוליכות תרמית גבוהה, ועלות נמוכה. לדוגמה, עבודה לאחרונה על סגסוגת amorphous ו Mn-Ni-Ga מראה מבטיח ביצועים גבוהים וטווח מעשי, נוסף, נוסף, אשר יכול לשלב את החומרים מורכבים יותר.

אדריכלות חדשנית

במקום מיטות ארוזות פשוטות, הדור הבא של regenerators להשתמש במבנים קצף מתכת מיקרו-ערוצי או ⁇ אשר משפרים את החלפת החום תוך צמצום ירידה בלחץ הנוזלי.ד הייצור התלת מימדי (D הדפסה) מאפשר יצירת גמטות מורכבות, טופולוגיה-אופטימיות אשר משפרות ביצועים תרמיים ומגנטיים.התקדמות בתחום זה קריטי לסגור את הפער עם דיכוי vapor.comion.

מערכת אינטגרציה ובקרה

אלגוריתמים של שליטה סופיסטית שמתאימים לתדירות המחזור, קצב זרימת הדם והעוצמה של השדה המגנטי בזמן אמת יכולים למקסם את COP תחת עומסים שונים.מערכות קירור מגנטיות הסתגלות נבדקות, שילוב חיישנים ולמידה של מכונה כדי לשמור על ביצועים אופטימליים עם מקורות אנרגיה מתחדשת - כגון התאוששות חמה-רית או פסולת - נחקרת גם כן כי קירור מגנטי יכול לפעול כמו משאבה חום במצב הפוך.

תוכניות טייס מסחריות וסטנדרטיזציה

כמה סטארטאפים אירופיים ואסיאתיים הודיעו על תוכניות לשיווק מקררים מגנטיים לנישות ספציפיות: קריינים יין, מקררים רפואיים, ואולמות תצוגה בסופרמרקטים.משרד האנרגיה האמריקאי ממשיך לממן הפגנות שמטרתן להשיג שיפור של 20% ביעילות על פני יחידות קונבנציונליות.פרוטוקולים סטנדרטיים (למשל, ISO ו- ASHRAE) נמצאים בפיתוח כדי להבטיח השוואה הוגנת ולהגדיל את שוק הכניסה.

מסקנה

טכנולוגיות קירור מגנטיות רותמות השפעות פיזיות אשר הובנו במשך יותר ממאה שנים, אך רק בשני העשורים האחרונים יש חומרים והתקדמות הנדסית הביאו אותם קרוב למציאות מעשית.הבטחה של חופשי, יעילות גבוהה, שקט, ארוך טווח ארוך טווח של מדינת מוצק-מדינה מוצק הוא משכנע עבור עולם מחפש בדחיפות פתרונות ניהול בר קיימא.

עבור תעשיות הדורשות בקרת טמפרטורה אמינה וידידותית לסביבה, קירור מגנטי מציע מסלול היישר עם מטרות פחמן אפס ללא הקרבה של ביצועים. המשך ההשקעה במחקר וייצור הטייס יהיה חיוני לגשר על הפער בין הפגנה מעבדה לבין יישום יומיומי.עם תמיכה כזו, קירור מגנטי יכול להפוך לטכנולוגיה מינסטרים בעשור הקרוב, לתרום באופן משמעותי מאמץ גלובלי לשימור אנרגיה והגנה סביבתית.

(ב) לקריאה נוספת, עיין בחומרי הטבע ב-מגנטוציאל חומרים מגנטיים (FLT:2US Department of Building Technologies Office) ב-GoverationFLT 3, AFLT:4recent ScienceDirect על מצב של RefrigerationFevolveation:5, ו-Frunent ScienceDirectation 7recent ScienceDirected על מצב של Recraloric Recraloric ReLTFalrationFalralral ReLT:5, and the ReLT5, and the Recral ReLT7, and the ReLT7, the ReLT7, and the ReLT7, the ReLTFnal of ALT 7Rand-Fent of ALT 7Rand-Fnal of ALT 7Rand-Four of A ReLT 7Rand-Fent ScienceDirectdation of ALT 7Rand-Fent ScienceDirectdation of ALT 7Rand-Fent ScienceDirect ReLT 7Rand-Fent ScienceDirect ReLT 7Rand-Fent ScienceDirectment of A ReLT 7.