董麗瑋 李陸偉

摘要：為分析磁工質(zhì)種類對(duì)磁制冷運(yùn)行特性的影響，采用Gd和LaFeCoSi基化合物兩種磁工質(zhì)，選取不同的對(duì)流換熱時(shí)間，測(cè)量Gd對(duì)應(yīng)的蓄冷器的冷端溫度變化情況；選取不同的運(yùn)行周期（工作頻率），分析LaFeCoSi基化合物的冷端溫度隨時(shí)間的變化；最后選取相同的運(yùn)行周期（工作頻率）和對(duì)流換熱時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)，分析兩種材料各自的性能，總結(jié)它們的優(yōu)缺點(diǎn)，并為今后尋找更佳的磁工質(zhì)材料提供研究方向。

Abstract： In order to analyze the influence of magnetic refrigerant species on magnetic refrigeration operation characteristics， two kinds of magnetic materials of Gd and LaFeCoSi-based compounds were used to select different convective heat exchange times， and the temperature change of the cold end of the regenerator corresponding to Gd was measured. Different operating cycles （operating frequencies） were selected to analyze the change of the cold junction temperature of LaFeCoSi-based compounds with time. Finally， the same operating cycle （operating frequency） and convective heat transfer time were selected to test the performance of the two materials， their advantages and disadvantages are summarized to provide research directions for finding better magnetic materials in the future.

關(guān)鍵詞：磁制冷；磁工質(zhì)；制冷性能實(shí)驗(yàn)；Gd；LaFeCoSi基化合物

Key words： magnetic refrigeration；magnetic refrigerant；refrigeration performance experiment；Gd；LaFeCoSi-based compound

中圖分類號(hào)：TB61 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）31-0157-03

0 引言

磁制冷技術(shù)[1]是一種新型的環(huán)保制冷技術(shù)，與傳統(tǒng)的制冷技術(shù)相比較具有以下優(yōu)點(diǎn)：幾乎無(wú)環(huán)境污染；高效節(jié)能；裝置結(jié)構(gòu)緊湊，噪聲小。因此，磁制冷技術(shù)將來(lái)可以取代傳統(tǒng)的制冷技術(shù)，是一種極具開發(fā)潛力的綠色環(huán)保制冷技術(shù)。1976年，G.V.Brown首次實(shí)現(xiàn)了室溫磁制冷，標(biāo)志著磁制冷技術(shù)的研究開始從低溫轉(zhuǎn)向室溫[2]。2005年中科院以Gd粉末為工質(zhì)，氮?dú)鉃檩d冷劑，在磁場(chǎng)強(qiáng)度1.5-1.7T之間，獲得了冷熱端10.7K的最大溫差[3]。丹麥科技大學(xué)的可持續(xù)能源國(guó)家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)式磁制冷機(jī)的設(shè)計(jì)與性能研究[4]，采用Gd和La（FeCoSi）13作為磁工質(zhì)，試驗(yàn)過(guò)程中制冷溫跨達(dá)到了25.4K。為對(duì)比Gd和LaFeCoSi基化合物兩種磁工質(zhì)對(duì)磁制冷運(yùn)行特性的影響，筆者選取一定的對(duì)流換熱時(shí)間和工作頻率對(duì)兩種磁工質(zhì)進(jìn)行對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)，旨為今后尋找更佳的磁工質(zhì)材料提供研究方向。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 基本原理

磁制冷低溫的產(chǎn)生是基于磁工質(zhì)的磁熱效應(yīng)。當(dāng)磁性工質(zhì)所包圍的磁場(chǎng)強(qiáng)度增加時(shí)，磁性工質(zhì)內(nèi)部磁矩由混亂變?yōu)橛行颍べ|(zhì)的熵減小，加磁過(guò)程放出熱量；反之，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度減小至初始狀態(tài)時(shí)，磁性工質(zhì)內(nèi)部磁矩由有序變?yōu)榛靵y，工質(zhì)的熵增加，去磁過(guò)程吸收熱量，原理圖如圖1所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

為研究?jī)煞N磁工質(zhì)在不同運(yùn)行工況下加磁、退磁過(guò)程的制冷效果，搭建了一套往復(fù)式室溫磁制冷實(shí)驗(yàn)臺(tái)。系統(tǒng)原理圖如圖2所示，系統(tǒng)由冷凝器、水泵、電磁閥、永磁鐵（1.5T）、磁床、熱端1、熱端2、冷端。永磁鐵在磁床的左右兩端進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，交替進(jìn)行加磁、退磁過(guò)程。當(dāng)永磁體對(duì)右端的磁床進(jìn)行加磁時(shí)，右端磁工質(zhì)熵減放熱，放出的熱量傳遞給換熱流體水，然后磁體停止運(yùn)動(dòng)，水泵開始運(yùn)行，水流從磁床冷端流向熱端，將熱量帶走傳遞到熱端2；同理，對(duì)左端磁床進(jìn)行加磁時(shí)，水流反向，由冷端流向熱端1，將熱量傳遞給熱端。在一個(gè)循環(huán)中，給一端加磁的同時(shí)，另一端退磁，冷端溫度逐漸降低，而熱端溫度逐漸升高。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

為對(duì)比兩種磁工質(zhì)在不同對(duì)流換熱時(shí)間和工作頻率下的性能，對(duì)Gd提供一定的磁場(chǎng)移動(dòng)速度，改變對(duì)流換熱時(shí)間；對(duì)LaFeCoSi基化合物提供一定的對(duì)流換熱時(shí)間，改變磁場(chǎng)移動(dòng)速度；對(duì)兩種材料同時(shí)提供相同的磁場(chǎng)移動(dòng)速度周期（工作頻率）和對(duì)流換熱時(shí)間，測(cè)得蓄冷器冷端溫度的變化。制冷性能試驗(yàn)共分三組進(jìn)行：

①保持磁場(chǎng)移動(dòng)速度為160mm/s不變的條件下，通過(guò)改變對(duì)流換熱時(shí)間時(shí)間為（400ms，500ms，600ms，700ms，800ms），測(cè)得顆粒Gd蓄冷器冷端溫度隨時(shí)間的分布；

②保持對(duì)流換熱時(shí)間為700ms不變的條件下，通過(guò)改變磁場(chǎng)移動(dòng)速度，分別為100mm/s，130mm/s，160mm/s，測(cè)得顆粒LaFeCoSi基化合物蓄冷器冷、熱端溫度（制冷溫跨）隨時(shí)間的分布；

③選取相同的磁場(chǎng)移動(dòng)速度周期（工作頻率）和對(duì)流換熱時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)比分析Gd和LaFeCoSi基化合物兩種磁性材料的制冷溫跨隨時(shí)間的變化。

1.4 溫度測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示，在磁制冷床的兩個(gè)熱端的水管上分別布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，在磁制冷床冷端的銅管上布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，然后用保溫材料包好，在空中懸掛一個(gè)測(cè)點(diǎn)，從而測(cè)量蓄冷器冷端溫度和熱端溫度及冷熱端溫差。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同對(duì)流換熱時(shí)間的溫度測(cè)試

圖4是室溫保持18℃不變，對(duì)流換熱時(shí)間分別為400ms，500ms，600ms，700ms，800ms時(shí)，Gd磁工質(zhì)冷端溫度隨運(yùn)行時(shí)間的變化關(guān)系。從圖中可以看出，冷端溫度的變化趨勢(shì)基本一致，均先急劇下降，然后變化幅度減小，逐漸趨于穩(wěn)定。其中對(duì)流換熱時(shí)間為400ms時(shí)，大約在開機(jī)200s左右冷端溫度開始呈緩慢增加的趨勢(shì)；對(duì)流換熱時(shí)間為500ms，600ms，700ms，800ms時(shí)，約400s之后，冷端溫度幾乎不再發(fā)生變化，制冷溫跨基本維持恒定，表明低于居里溫度點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)的制冷量在有限的時(shí)間內(nèi)保持不變。對(duì)流換熱時(shí)間過(guò)短時(shí)，水的熱量不能被完全吸收，穩(wěn)定后冷端溫度較高；對(duì)流換熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，冷卻水循環(huán)流過(guò)冷端，而冷卻水溫度較高，使冷端溫度升高。對(duì)流換熱時(shí)間為500ms時(shí)，冷端溫度達(dá)到最低約9.5℃，制冷溫跨達(dá)到最大約8.5℃，系統(tǒng)性能最佳。

2.2 不同磁場(chǎng)移動(dòng)速度（工作頻率）的溫度測(cè)試

圖5為磁工質(zhì)LaFeCoSi在不同磁場(chǎng)移動(dòng)速度下制冷溫跨隨對(duì)流時(shí)間的變化曲線圖。在其他條件相同的情況下，LaFeCoSi磁工質(zhì)在移動(dòng)速率為130mm/s時(shí)，溫跨變化幅度最大；磁場(chǎng)移動(dòng)速度為100mm/s時(shí)，在400ms-500ms時(shí)間內(nèi)溫跨大約保持3.2℃不變，在500ms-600ms和700ms-800ms溫跨上升，在600ms-700ms溫跨下降；磁場(chǎng)移動(dòng)速度為160mm/s時(shí)，在400ms-500ms和700ms-800ms溫跨下降，在500ms-700ms溫跨上升；對(duì)比分析LaFeCoSi磁工質(zhì)的制冷溫跨隨對(duì)流時(shí)間的變化，可以明顯地發(fā)現(xiàn)，對(duì)于LaFeCoSi磁工質(zhì)，隨著磁場(chǎng)移動(dòng)速度的增加，制冷溫跨隨之增加。

2.3 不同磁工質(zhì)的溫度測(cè)試

圖6為兩種磁工質(zhì)的制冷溫跨隨時(shí)間變化的曲線圖。在相同工作條件下，LaFeCoSi磁工質(zhì)的溫跨變化相對(duì)平穩(wěn)，在0-100s時(shí)間內(nèi)溫跨大概保持16℃不變，在100s到200s處于降溫階段，200s以后制冷溫跨維持在14℃左右不變；Gd磁工質(zhì)的制的溫跨在0-100s時(shí)間內(nèi)迅速降低，而后逐漸趨于平穩(wěn)，400s以后基本不再發(fā)生變化，最終溫跨維持在9.5℃左右。對(duì)比分析兩種磁工質(zhì)的制冷溫跨隨時(shí)間的變化，可以明顯地發(fā)現(xiàn)，LaFeCoSi磁工質(zhì)冷端溫度變化范圍要小于Gd磁工質(zhì)的冷端溫度變化范圍，冷端溫度趨于平穩(wěn)所需的時(shí)間也相對(duì)較短，且LaFeCoSi磁工質(zhì)的平均制冷溫跨要高于Gd磁工質(zhì)的平均制冷溫跨，LaFeCoSi磁工質(zhì)在系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行下的冷端溫度更接近于室溫。Gd磁工質(zhì)在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行下的冷端溫度相對(duì)偏低，因此可以應(yīng)用于食品的冷卻保鮮等方面。

3 結(jié)論

①對(duì)于Gd磁工質(zhì)，控制磁場(chǎng)移動(dòng)速度為160mm/s，對(duì)流換熱時(shí)間為500ms時(shí)，系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的冷端達(dá)到最低溫度，在開機(jī)大約400s時(shí)運(yùn)行最為平穩(wěn)，此時(shí)室溫磁制冷機(jī)系統(tǒng)性能最佳。

②對(duì)于LaFeCoSi磁工質(zhì)，控制對(duì)流換熱時(shí)間為700ms，磁場(chǎng)移動(dòng)速度為130mm/s 時(shí)，制冷溫跨最低，制冷效果最好。

③控制磁場(chǎng)移動(dòng)速度和對(duì)流換熱時(shí)間相同的條件下，兩種磁工質(zhì)都具有較好的熱磁效應(yīng)，但磁工質(zhì)Gd在室溫磁制冷方面更具開發(fā)和利用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]盧曉飛，劉永生，王玟藶，沈毓龍，司曉東，雷偉，杜文龍.磁制冷材料的研究進(jìn)展[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2017，35（05）：848-854.

[2]李振興，李珂，沈俊，戴巍，高新強(qiáng)，郭小惠，公茂瓊.室溫磁制冷技術(shù)的研究進(jìn)展[J].物理學(xué)報(bào)，2017，66（11）：13-29.

[3]包立夫，武榮榮，張虎.室溫磁制冷材料的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].材料導(dǎo)報(bào)，2016，30（05）：17-22.

[4]栗鵬，姚冠輝，公茂瓊，吳劍峰.采用永磁鐵的室溫磁制冷機(jī)實(shí)驗(yàn)研究[J].稀有金屬，2005（04）：587-589.