【摘要】：隨著國際社會(huì)環(huán)保需求的不斷提高,制冷劑替代的壓力與日俱增,制冷劑替代不僅僅是制冷行業(yè)的的挑戰(zhàn),已成為國家行動(dòng),乃至全球性的環(huán)境保護(hù)行動(dòng)。因此,制冷工業(yè)界迫切地尋找新的發(fā)展和新的出路。室溫磁制冷作為一種綠色高效的制冷技術(shù),被公認(rèn)為是應(yīng)對(duì)制冷劑替代的重要研究方向和技術(shù)方案。室溫磁制冷研究目前依然存在運(yùn)行頻率低、傳熱損失大、回?zé)嵝实�、系統(tǒng)復(fù)雜、溫跨與制冷量小等難題。因此,從新型室溫磁制冷回?zé)嵫h(huán)機(jī)理層面上進(jìn)行研究和探索,對(duì)室溫磁制冷技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用具有重要的意義。本文從室溫磁制冷理論循環(huán)出發(fā),分析各種循環(huán)方式的原理和實(shí)際應(yīng)用效果,總結(jié)現(xiàn)有室溫磁制冷循環(huán)的優(yōu)勢與不足,探究影響室溫磁制冷性能的主要因素,并基于主動(dòng)式回?zé)崞?Active Magnetic Refrigerator,AMR)構(gòu)建具有多種循環(huán)模式的室溫磁制冷復(fù)合循環(huán)系統(tǒng),循環(huán)模式可分為主動(dòng)回?zé)崾酱?lián)循環(huán)、主動(dòng)回?zé)崾讲⒙?lián)循環(huán)和主動(dòng)回?zé)崾綇?fù)疊循環(huán)。通過搭建相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)臺(tái),在同一系統(tǒng)基準(zhǔn)下開展三種不同循環(huán)模式的室溫磁制冷性能實(shí)驗(yàn)測試,研究和分析三種不同循環(huán)的循環(huán)特性,并得到各自制冷性能參數(shù)隨工況的變化情況。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明,三種循環(huán)工作模式下的循環(huán)比制冷量均隨著系統(tǒng)溫跨的增大而減小,變化趨勢基本呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系。與被廣泛應(yīng)用在高性能室溫磁制冷機(jī)中的主動(dòng)回?zé)崾讲⒙?lián)循環(huán)相比,主動(dòng)回?zé)崾綇?fù)疊循環(huán)可以將循環(huán)溫跨提高57%,證明其是具有潛力的室溫磁制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案�；谝陨涎芯坎⑨槍�(duì)基于傳統(tǒng)AMR循環(huán)的室溫磁制冷系統(tǒng)存在的固有問題,提出室溫磁制冷微元回?zé)嵫h(huán)理論模型。傳統(tǒng)AMR采用流體與固體磁熱性材料傳熱的方式回?zé)?流體交替流動(dòng)的頻率受限、傳熱和回?zé)釡夭畲蟆⒘?固傳熱損失大,為了將回?zé)徇^程在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間和合適的空間上進(jìn)行合理的配置,擺脫采用換熱流體進(jìn)行回?zé)岬膽T性思維,采用固-固直接傳熱的回?zé)峤鉀Q方案和“空間換時(shí)間”的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,提出室溫磁制冷微元回?zé)嵫h(huán)實(shí)現(xiàn)方式。通過磁熱力學(xué)理論分析和數(shù)值模擬的方法研究微元回?zé)嵫h(huán)的循環(huán)特性和傳熱特性,并進(jìn)一步研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行工況對(duì)微元回?zé)嵫h(huán)制冷性能的影響。結(jié)果表明微元回?zé)嵫h(huán)具有較高的回?zé)嵝?在建立大循環(huán)溫跨上有獨(dú)特的優(yōu)勢,理論最大循環(huán)溫跨可達(dá)到50.9 K,并且能同時(shí)獲得較好的制冷效果和較高的能源效率。考慮到傳熱速率是影響微元回?zé)嵫h(huán)制冷性能的重要因素,因此從傳熱結(jié)構(gòu)和傳熱方式入手,研究微元回?zé)嵫h(huán)模型中的傳熱、回?zé)徇^程的優(yōu)化方法。通過傳熱強(qiáng)化機(jī)理分析、優(yōu)化方法研究、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和數(shù)值模擬等手段,研究并對(duì)比不同的傳熱優(yōu)化結(jié)構(gòu)、傳熱方式、傳熱特性及它們之間的相互關(guān)系對(duì)整個(gè)微元回?zé)嵫h(huán)制冷性能的影響。在微元格內(nèi)部采用傳熱優(yōu)化結(jié)構(gòu)后的循環(huán)最大比制冷量比不采用優(yōu)化結(jié)構(gòu)提高了391%;在微元回?zé)崞髦g采用帕爾帖模塊強(qiáng)化傳熱后,最大比制冷量可高達(dá)160.9 W kg~(-1),制冷性能提升幅度為82%~149%。最后,基于上述各方面的機(jī)理研究和實(shí)驗(yàn)研究成果,從實(shí)際角度出發(fā),設(shè)計(jì)了新型純固態(tài)室溫磁制冷系統(tǒng)的總體方案和各關(guān)鍵部件的方案。通過永磁場系統(tǒng)仿真、系統(tǒng)三維動(dòng)網(wǎng)格仿真等手段,研究了實(shí)際純固態(tài)室溫磁制冷系統(tǒng)的磁場性能參數(shù)和相應(yīng)的最佳配置方案,論證傳熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法和幾種潛在系統(tǒng)優(yōu)化方案的可行性�？紤]了多種實(shí)際影響因素的系統(tǒng)仿真結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)永磁體磁場系統(tǒng)的間隙磁場區(qū)域磁場強(qiáng)度大小分布較均勻,磁場強(qiáng)度平均值為0.65 T,基本能滿足微元回?zé)嵫h(huán)的運(yùn)行要求。此外,在間歇旋轉(zhuǎn)和連續(xù)旋轉(zhuǎn)兩種不同旋轉(zhuǎn)模式下,系統(tǒng)溫跨分別可達(dá)到14.1 K和19.0 K,滿足實(shí)際應(yīng)用需求。本文開展了室溫磁制冷回?zé)嵫h(huán)機(jī)理研究,創(chuàng)造性地提出室溫磁制冷微元回?zé)嵫h(huán)理論模型和固態(tài)磁制冷傳熱強(qiáng)化方法,在微元回?zé)嵫h(huán)理論模型、微元回?zé)嵫h(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化、微元回?zé)崞鱾鳠釓?qiáng)化和純固態(tài)室溫磁制冷應(yīng)用潛力提升等方面做出了具有理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的探索,為推動(dòng)室溫磁制冷技術(shù)進(jìn)步提供理論研究新方法。
【圖文】：

第二章 室溫磁制冷復(fù)合循環(huán)理論研究及系統(tǒng)設(shè)計(jì)，加磁過程可以是 AMR 移動(dòng)進(jìn)入磁場或者磁體移動(dòng)至 AMR 上移動(dòng)，將右側(cè)冷端部分的換熱流體泵送至左側(cè)熱端換熱器中，換吸收由于加磁導(dǎo)致的溫度升高而傳遞的熱量，此過程可稱為“冷流較低溫度溫?fù)Q熱流體向 AMR 流動(dòng)的換熱、回?zé)徇^程。再次，AMR 各處磁熱性材料在原溫度的基礎(chǔ)上降低一定溫度，溫變值取決下的大小。最后，往復(fù)泵向左側(cè)移動(dòng)，把經(jīng)過熱端換熱器散熱后，，換熱流體在流動(dòng)過程中不斷被磁熱性材料冷卻，在 AMR 右側(cè)到最低，然后進(jìn)入冷端換熱器吸熱制冷，此過程可稱為“熱流動(dòng)

第二章 室溫磁制冷復(fù)合循環(huán)理論研究及系統(tǒng)設(shè)計(jì)及參數(shù)復(fù)合系統(tǒng)使用由中國西南應(yīng)用磁學(xué)研究所設(shè)計(jì)制造的設(shè)計(jì)磁場強(qiáng)度為 15000 高斯，即 1.5 特斯拉（T）。磁體存在磁場強(qiáng)度不均勻和漏磁現(xiàn)象，且磁場強(qiáng)度對(duì)磁熱搭建之前首先對(duì)磁體間隙磁場中的磁場強(qiáng)度分布情況0A 高斯計(jì)，量程 0~2T，測量精度為±5%。分別測量 水平角度方向上的磁場強(qiáng)度變化（見圖 2-10 所示坐標(biāo)軸原點(diǎn)、左側(cè)邊界的中點(diǎn)為角度 θ 起點(diǎn)，測得的磁場強(qiáng)
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TB61

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2631688