【摘要】：隨著國際社會環(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,乃至全球性的環(huán)境保護行動。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,被公認為是應對制冷劑替代的重要研究方向和技術方案。室溫磁制冷研究目前依然存在運行頻率低、傳熱損失大、回熱效率低、系統(tǒng)復雜、溫跨與制冷量小等難題。因此,從新型室溫磁制冷回熱循環(huán)機理層面上進行研究和探索,對室溫磁制冷技術的發(fā)展和應用具有重要的意義。本文從室溫磁制冷理論循環(huán)出發(fā),分析各種循環(huán)方式的原理和實際應用效果,總結現(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,并基于主動式回熱器(Active Magnetic Refrigerator,AMR)構建具有多種循環(huán)模式的室溫磁制冷復合循環(huán)系統(tǒng),循環(huán)模式可分為主動回熱式串聯(lián)循環(huán)、主動回熱式并聯(lián)循環(huán)和主動回熱式復疊循環(huán)。通過搭建相應的實驗臺,在同一系統(tǒng)基準下開展三種不同循環(huán)模式的室溫磁制冷性能實驗測試,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。實驗測試結果表明,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相關關系。與被廣泛應用在高性能室溫磁制冷機中的主動回熱式并聯(lián)循環(huán)相比,主動回熱式復疊循環(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)設計方案�；谝陨涎芯坎⑨槍趥鹘y(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熱循環(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熱,流體交替流動的頻率受限、傳熱和回熱溫差大、流-固傳熱損失大,為了將回熱過程在恰當?shù)臅r間和合適的空間上進行合理的配置,擺脫采用換熱流體進行回熱的慣性思維,采用固-固直接傳熱的回熱解決方案和“空間換時間”的系統(tǒng)設計方案,提出室溫磁制冷微元回熱循環(huán)實現(xiàn)方式。通過磁熱力學理論分析和數(shù)值模擬的方法研究微元回熱循環(huán)的循環(huán)特性和傳熱特性,并進一步研究了結構參數(shù)和運行工況對微元回熱循環(huán)制冷性能的影響。結果表明微元回熱循環(huán)具有較高的回熱效率,在建立大循環(huán)溫跨上有獨特的優(yōu)勢,理論最大循環(huán)溫跨可達到50.9 K,并且能同時獲得較好的制冷效果和較高的能源效率�？紤]到傳熱速率是影響微元回熱循環(huán)制冷性能的重要因素,因此從傳熱結構和傳熱方式入手,研究微元回熱循環(huán)模型中的傳熱、回熱過程的優(yōu)化方法。通過傳熱強化機理分析、優(yōu)化方法研究、實驗驗證和數(shù)值模擬等手段,研究并對比不同的傳熱優(yōu)化結構、傳熱方式、傳熱特性及它們之間的相互關系對整個微元回熱循環(huán)制冷性能的影響。在微元格內部采用傳熱優(yōu)化結構后的循環(huán)最大比制冷量比不采用優(yōu)化結構提高了391%;在微元回熱器之間采用帕爾帖模塊強化傳熱后,最大比制冷量可高達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理研究和實驗研究成果,從實際角度出發(fā),設計了新型純固態(tài)室溫磁制冷系統(tǒng)的總體方案和各關鍵部件的方案。通過永磁場系統(tǒng)仿真、系統(tǒng)三維動網(wǎng)格仿真等手段,研究了實際純固態(tài)室溫磁制冷系統(tǒng)的磁場性能參數(shù)和相應的最佳配置方案,論證傳熱結構優(yōu)化方法和幾種潛在系統(tǒng)優(yōu)化方案的可行性�？紤]了多種實際影響因素的系統(tǒng)仿真結果表明,所設計永磁體磁場系統(tǒng)的間隙磁場區(qū)域磁場強度大小分布較均勻,磁場強度平均值為0.65 T,基本能滿足微元回熱循環(huán)的運行要求。此外,在間歇旋轉和連續(xù)旋轉兩種不同旋轉模式下,系統(tǒng)溫跨分別可達到14.1 K和19.0 K,滿足實際應用需求。本文開展了室溫磁制冷回熱循環(huán)機理研究,創(chuàng)造性地提出室溫磁制冷微元回熱循環(huán)理論模型和固態(tài)磁制冷傳熱強化方法,在微元回熱循環(huán)理論模型、微元回熱循環(huán)系統(tǒng)設計和優(yōu)化、微元回熱器傳熱強化和純固態(tài)室溫磁制冷應用潛力提升等方面做出了具有理論意義和實際應用價值的探索,為推動室溫磁制冷技術進步提供理論研究新方法。
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第二章 室溫磁制冷復合循環(huán)理論研究及系統(tǒng)設計，加磁過程可以是 AMR 移動進入磁場或者磁體移動至 AMR 上移動，將右側冷端部分的換熱流體泵送至左側熱端換熱器中，換吸收由于加磁導致的溫度升高而傳遞的熱量，此過程可稱為“冷流較低溫度溫換熱流體向 AMR 流動的換熱、回熱過程。再次，AMR 各處磁熱性材料在原溫度的基礎上降低一定溫度，溫變值取決下的大小。最后，往復泵向左側移動，把經(jīng)過熱端換熱器散熱后，，換熱流體在流動過程中不斷被磁熱性材料冷卻，在 AMR 右側到最低，然后進入冷端換熱器吸熱制冷，此過程可稱為“熱流動

第二章 室溫磁制冷復合循環(huán)理論研究及系統(tǒng)設計及參數(shù)復合系統(tǒng)使用由中國西南應用磁學研究所設計制造的設計磁場強度為 15000 高斯，即 1.5 特斯拉（T）。磁體存在磁場強度不均勻和漏磁現(xiàn)象，且磁場強度對磁熱搭建之前首先對磁體間隙磁場中的磁場強度分布情況0A 高斯計，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度變化（見圖 2-10 所示坐標軸原點、左側邊界的中點為角度 θ 起點，測得的磁場強
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TB61

【參考文獻】

相關期刊論文 前3條

1 張澤玉,龍毅,葉榮昌,常永勤,萬發(fā)榮;緩蝕劑對金屬釓在水介質中腐蝕行為的影響[J];中國稀土學報;2005年04期

2 過增元,程新廣,夏再忠;最小熱量傳遞勢容耗散原理及其在導熱優(yōu)化中的應用[J];科學通報;2003年01期

3 蕭功偉;金屬Debye溫度的新表示法及其與實驗數(shù)據(jù)的比較[J];科學通報;1987年20期

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1 王占洲;復合式永磁室溫磁制冷機制冷性能研究[D];內蒙古科技大學;2015年

2 程娟;一種往復—旋轉復合式室溫磁制冷機研制及性能測試[D];河北工業(yè)大學;2015年

本文編號：2631688