Автореферат (Магнитная система теплоэнергетической установки на постоянных магнитах), страница 2

Магнитотепловой двигатель (МТД)». Россия, Москва,2010 г.- 4th European Conference for Aerospace Sciences (EUCASS), доклад «Computersimulation usage for thermodynamic signature analyze of thermomagnetic engine». Россия,С-Петербург, 2011 г.- Московской молодежной научно-практической конференции «Инновации вавиации и космонавтике - 2012», тема доклада «Исследование теплофизических характеристик магнитотеплового двигателя».

Россия, Москва, 2012 г.- IX Международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ'2012), тема доклада «Использование компьютерного моделирования для исследования термодинамических характеристик магнитотеплового двигателя». Украина, Алушта, 2012 г.- 63 the International Astronautical Congress (IAC 2012), тема доклада «Thermomagnetic engine (TME)». Италия, Неаполь, 2012 г.Структура и объём работы.Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами по главам и общихвыводов, списка использованных источников.

Объём диссертации составляет 158страниц машинописного текста, в том числе 107 рисунков и 14 таблиц. Библиографиядиссертации: 84 наименования.Автор защищает следующие основные положения работы:1. Метод проектирования магнитной системы теплоэнергетической установки напостоянных магнитах с заданным градиентным распределением магнитного полявдоль межполюсного зазора при максимально возможном значении магнитной индукции в рабочей зоне за счет варьирования геометрических размеров составляющихее постоянных магнитов, а также с использованием постоянных магнитов с различнойостаточной намагниченностью таких, как АЛНИКО и твердые ферриты в сочетании смагнитами на редкоземельной основе.2.

Результаты вычислительных и экспериментальных исследований варьирования линейных размеров аксиально намагниченных постоянных магнитов, составляющихмагнитную систему, с целью оптимизации величины магнитной индукции на ихрабочих поверхностях с учетом массогабаритных характеристик каждого из них.3. Новую конструкцию теплоэнергетической установки на постоянных магнитах, вкоторой роторный диск выполнен из цельного немагнитного, теплоизоляционногоматериала с вырезами в его средней части, а активные рабочие элементы (АРЭ) –гадолиниевые пластины установлены по периметру диска ребрами, выступающими заего пределами.ОСНОВНЫЕ ТЕЗИСЫ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность выбранной темы, показана научная новизна, практическая и научная значимость полученных результатов.

Приведены сведенияо структуре и содержании диссертации.В главе 1 диссертации приведены:- обзор по проектируемым и созданным моделям магнитотепловых энергетическихустановок (двигателям, генераторам и холодильникам);- обзор по существующим МС магнитотепловых установок;6- определены требования к проектированию МС для магнитотепловых двигателей исформулированы цели и задачи диссертации.Сразу же после опытов проведенных Е. Варбургом (1881г.) такие ученые как Н.Тесла (1889г.) (рисунок 1) и Т.Эдисон (1888г.) попытались использовать этот эффектв практических целях. Однако из-за недостаточной базы данных по магнитным материалам в то время им не удалось успешно реализовать свои идеи. В дальнейшем сразвитием исследований в области магнитных материалов и их свойств, обнаружением МКЭ у ряда магнетиков, созданием технологий получения высококоэрцитивныхпостоянных магнитов, исследователи вернулись к вопросам использования этих эффектов в технике.На практике МКЭ реализуется путем перемещения рабочего тела магнетика иззоны сильного магнитного поля, в зону слабого или практически нулевого поля.

Приэтом процесс сопровождается отводом выделенного тепла в зоне сильного магнитного поля, с последующим охлаждением магнетика в зоне нулевого поля, в результатеего адиабатического размагничивания.В работах, посвященных созданиюмагнитотеплового двигателя, рассматривается термодинамически обратноеМКЭ явление, сопровождающееся неотводом тепла, а его подводом к магнетику, причем в присутствии градиентного распределения магнитного поля,приводящего к скачку намагниченности. Это явление в технике получилоназвание термомагнитного эффекта, атеплоэнергетическая установка, использующая его – магнитотепловойРисунок 1 - Одно из конструктивных двигатель.В работе Бедбенова В.С. 2000г.решений магнитотеплового мотора Н.предлагается иное конструктивноеТеслы патент США № 396121решение МТД (рисунок 2).

Установка содержит размещенный на валу ротор с активными элементами, установленными по периферии, статор, источник тепловой энергии и магнитную систему с постоянными магнитами.МТД снабжено узлом разгона, при этом ротор выполнен из двух дисков 3, взаимосвязанных между собой по периферии посредством узла разгона. Статор 6 установлен на валу 4 между дисками 3, причем постоянные магниты 7, 8 и 9 магнитнойсистемы установлены с образованием межполюсных зазоров, а активные элементыобъединены 13 в рабочие сборки с образованием кольцевых поясов, размещенных вмежполюсных зазорах магнитной системы. Конструкция установки позволяет расширять его функциональные возможности и увеличивать снимаемую мощность.

В основе представленной установки лежит необходимость в проработке и оптимизации каждой детали и узла двигателя. Прежде всего, это подбор и оптимизация источниковмагнитного поля; моделирование задач теплообмена и обтекания активных рабочихэлементов, оптимизация режимов работы; сокращение энергетических потерь навращение и на передачу тепла.7Рисунок 2 - Схема магнитотеплового двигателя Бедбенова В.С.Работа магнитотеплового двигателя (МТД) основана на зависимости магнитныхсвойств рабочего тела (ферро- и ферримагнетиков) от температуры. Ниже на рисунке3 схематически представлен принцип работы МТД.

Ферромагнитное рабочее тело 2по мере вхождения в магнитное поле, образованное постоянными магнитами 1, спонтанно намагничивается и на него начинает действовать сила притяжения F1, котораядвижет ферромагнетик вдоль градиента магнитной индукции. Для компенсации тормозящей силы F2, не позволяющей рабочему телу покинуть межполюсной зазор 3,производится тепловое воздействие на рабочее тело. Изменение намагниченноститела приводит к нарушению равенства сил F1 и F2 и рабочее тело приобретет однонаправленное движение, покидая магнитное поле. Особенно сильно этот эффект проявляется в точке Кюри Тс, в окрестностях магнитного фазового перехода магнетика изферромагнитного в парамагнитное состояние (рисунок 4).

С целью организации вращательного движения элементы рабочего тела выстроены по круговой траектории.Действующая на рабочее тело сила дается следующим выражением:где m·Δσ(H, ΔT) – есть магнитный момент рабочего тела массой m, приобретенный вполе H при перепаде температуры ΔT; σ(H,T) – удельная намагниченность рабочеготела, которая зависит от напряженности внешнего магнитного поля H и температурырабочего тела T; dB⁄dx – градиент магнитной индукции вдоль направления движения.На рисунке 4 приведена зависимость величины удельнойнамагниченности кристаллического гадолиния для различныхвеличин напряженности магнитного поля от температуры. Какследует из кривой, наиболеесильная зависимость от температуры наблюдается в точке КюриТС, расположенной вблизи комнатных температур.Рисунок 3 - Принцип работы МТД. 1 – поДиапазон перепада ΔТ опстоянные магниты; 2- рабочее ферромагнит- ределяет величину скачка намагное тело;3 – межполюсной зазор.ниченности, что в свою очередь8определяет величину действующей силы F (Бедбенов В.С.

1987г.). Сравнительныйанализ существующих методов преобразования энергии (глава 4 с.135) показывает,что при использовании МТД имеется практическая возможность использования неисчерпаемого запаса низкопотенциальной энергии окружающей среды. МТД обладают по сравнению с фотоэлементами и термоэлектрическими преобразователями болеевысокой снимаемой удельной механической мощностью.Создание существенной мощности при малых уровнях и перепадах температурпозволяет использовать магнитотепловые двигатели в тех условиях, где другие известные технологии преобразования энергии не дают ощутимого выхода.Результаты предварительного численного моделирования магнитостатики МСразличной формы и размеров, а так же экспериментальные данные полученные спомощью демонстрационной модели магнитотепловго двигателя показали, что приблизком к однородному распределению магнитной индукции в межполюсном зазоре(что имеет место в МС состоящих из двух ПМ) МС имеет ряд существенных недостатков (глава 1, с.43).Рисунок 4 - Зависимость удельной намагниченности кристаллического гадолиния Gd от температуры нагрева (Григорьев И.С.,1991).Анализ полученных результатов показал, что МС, предназначенная для МТДдолжна отвечать следующим требованиям: быть способной обеспечить достаточно высокое значение магнитной индукции врабочей зоне магнитной системы (≥ 0,8 Тл); обеспечить в рабочей зоне магнитной системы непрерывный рост величины магнитной индукции на всем протяжении МПЗ с целью захвата в область магнитногопритяжения большего количества активных рабочих элементов – гадолиниевыхпластин; обеспечить резкий спад величины магнитной индукции на выходе из системы дляуменьшения длины участка, обладающего обратным притяжением.В главе 2 представлены:- математическая модель и алгоритм численного решения основополагающих уравнений, используемых в программном комплексе ANSYS (номер лицензии № 632255);9- результаты тестовых расчетов для оценки возможности применения расчетного пакета ANSYS к поставленным задачам;- экспериментальные данные измеренных значений сил магнитного притяженияферромагнитного образца малых (точечных) размеров, полученные для простой магнитной системы с целью сравнения с результатами расчета.Математическим описанием непрерывных в пространстве и во времени процессов электромагнитного поля являются дифференциальные уравнения в частныхпроизводных.