Электрокалорический и магнитокалорический эффекты

Лекция 5

Электрокалорический и магнитокалорический эффекты.

    В этих способах, имеющих сходную природу, используются следующие свойства твердых рабочих тел:

    Диэлектрики в электрическом поле поляризуются и нагреваются. При снятии электрического поля диэлектрик охлаждается.

    Магнетики (парамагнетики, которые втягиваются в магнитное поле) в магнитном поле намагничиваются и нагреваются. При снятии магнитного поля рабочее тело охлаждается.

    Поляризация и намагничивание – это процессы упорядочения частиц (молекул) под воздействием поля с выделением энергии.

    Деполяризация – это обратное разоупорядочение молекул. Этот процесс происходит за счет внутренней энергии рабочего тела, в результате чего оно охлаждается. Если после поляризации выделевшееся тепло отвести от рабочего тела, то в процессе деполяризации охлажденное рабочее тело способно совершить полезный холод (отвести тепло от охлаждаемого объекта).

    Производительность холода электрокалорическим или магнитокалорическим способом носит периодический характер.

Рекомендуемые материалы

Принципиальная схема электрокалорического охладителя.

КД – контейнер с диэлектриками;

            РН – реверсивный насос;

ИТ – источник тепла;

ТОХ – теплообменник холодный, к которому подводится тепло от                    охлаждающего объекта.

Q₀ – холодопроизводительность;

            Q_г – колличество отводимого тепла;

            Т_х – температура, при которой происходит охлаждение;

            ТОГ – теплообменник горячий, в котором тепло после поляризации отводится в ОС.

            Т_г – температура при которой отводится тепло.

    Весь контур, в том числе и сами контейнеры наполнены теплоносителем жидким или газообразным. Процесс происходит периодически, при этом теплоноситель прокачивается через контур с помощью РН последовательно по часовой стрелке и против часовой стрелке.

    Процесс и цикл может быть представлен в координатах S-T на который нанесены изолинии, напряженность электрического поля.

    На рисунке представлена фаза процесса, когда движение теплоносителя идет против часовой стрелки.

    Процессы 1-2 – напряженность электрического поля нарастает от значения Н₁ до Н₂, и диэлектрик в контейнере нагревается от температуры Т_х до температуры Т_г.

    Процесс 2-3 – с нарастанием напряженности электрического поля от Н₂ до Н₃ происходит с отводом тепла в ОС изотермически.

    Процесс 3-4 – напряженность электрического поля снимается, температура рабочего тела уменьшается от Т_г до Т_х.

    В процессе 4-1 к рабочему телу подводится тепло от охлаждаемого объекта.

    Эффективность электрокалорического (ЭК) и магнитокалорического (МК) эффектов характеризуется величиной ∆Т_э и ∆Т_м. Понижение температуры рабочего тела при наложении на него поля определяет напряженности.

    Эта величина зависит от состава и структуры материалов (диэлектриков или магнетиков). Создание ЭК и МК устройств связано с использованием наиболее совершенных рабочих тел и конструкции устройств периодического действия.

    В этих способах, в которых потери связанные с теплопроводностью и с выделением Джоулевого тепла, отсутствует (см. термоэлектрический эффект), присутствует зависимость, необходимой напряженности поля от температуры процесса. Чем выше температура Т_х и Т_г, тем более напряженное поле требуется для поляризации.

    Создание высокой напряженности магнитного поля ограничивается дополнительной температурой источника магнитного поля. Поэтому в настоящее время МК охладители используются при очень низких температурах Т_х > 4 К, а Т_г < 20 К.

    Для работы электрокалорических охладителей найдены материалы, для которых электрические поля могут обеспечить охлаждение при Т_х > 250 К, т.е. практически при рабочих температурах обычных ХМ. В частности используется материал – скандотандалат свинца. В последнее время в литерптуре появились сведения, что найден сплав состоящий из марганца, железа, фосфора и кремния, котрый позволяет реализовать МК устройства.

Охлаждение с помощью десорбции.

    Сорбция – поглощение одного вещества другим. Поглотителем называют сорбент. Поглощаемым является сорбат.

    Если сорбент – жидкость, то это абсорбция. Если сорбент – твердое тело, то это адсорбция.

    Сорбция происходит с выделением тепла, десорбция – с поглощением тепла. Организовав периодический процесс сорбции и десорбции можно построить охлаждающее устройство, например: в криогенике для охлаждения гелия от температуры 13 К до 4 К, используется процесс десорбции гелия из активированного угля.

    В контейнере с блоком активированного угля в начале активированный уголь поглощает гелий (Не) и выделевшееся тепло отводится к жидкому водороду, затем гелий из контейнера откачивается, происходит: десорбция, выход поглощенного гелия из активированного угля и происходит его охлаждение.

    К процессам десорбции относятся развиваемые в последние годы (особенно в Японии) металлогидридные охладители, которые уже нашли первичное применение. Их принцип действия основан на способности некоторых сплавов, например: лантана (La), никеля (Ni), алюминия (Al); поглощать значительное колличество водорода (Н₂). Поглощение 1 г водорода сопровождается выделением 15  38 кДж тепла.

    После отвода тепла в процессе десорбции может быть получено такое же колличество холода. Различные составы сплава металла пригодны для работы в разных диапазонах температур Т_х и Т_г. Потбором двух сплавов: для низкотемпературных и высокотемпературных – можно создать систему охлаждения.

    В каждом из сплавов происходит процесс

              Ме + Н₂ ⇆ МеН₂

    Сплав А для низкотемпературного диапазона работ. Сплав А – это диапозон температур: от -20 ^оС до Т_ос. Сплав В – для высокотемпературного диапазона работ. Диапазон температур: от Т_ос до Т_г.

    Фаза 1 – зарядка устройства;

    Фаза 2 – производство холода.

    Устройство состоит из: замкнутого пространства из двух, соединенных между собой каналом контейнера. В одном находится сплав В, в другом сплав А.

    Контейнер представляет собой массив металла через который проходят трубки для теплообмена, между металлом и теплоносителями, обычно жидкими, и в котором выполнены каналы для контакта поверхности металла с газообразным водородом. Все устройство наполнено газообразным водородом. Периодический процесс разделяется на 2 фазы.

    В превой фазе к В подводится горячий теплоноситель, металл нагревается, происходит десорбция водорода, давление водорода в устройстве повышается, освободившийся водород отсасывается к А, который охлаждается теплоносителем – ОС, и происходит сорбция водорода в А.

    Во второй фазе потоки теплоносителей переключают: к В подключают теплоноситель ОС, к А подключают теплоноситель от охлаждаемого объекта. От подведенного тепла из А происходит десорбция, водород переходит в В, где происходит сорбция и тепло отводится в окружающуу среду.

    Если выполнить параллельно работающих устройства, то при соответственном переключении потоков холод будет вырабатываться непрерывно.

    Преимущества способа:

а) Использует в качестве источника энергии – тепловую.

б) Может работать на бросовом тепле промышленных предприятий.

в) Экологичеки чист.

г) Нет движущихся частей, кроме насосов.

д) Энергетическая эффективность высокая.

е) Может работать как холодильная машина, так и как тепловой насос.

    Существует ряд других методов получения низких температур: некоторые химические реакции и электро-химические процессы происходящие с поглощением тепла, но эти эффеты пока не получили практического применения и поэтому нами не рассматриваются.

III Термодинамические основы ХМ.

(Методы анализа, оценки эффективности процессов и термодинамических
циклов ХМ)

Обратные термодинамические циклы.

    В ХМ рабочее вещество совершает обратный цикл (в диаграмме состояния изображено против часовой стрелки), в котором за счет механической энергии происходит перенос тепла от источника с более низкой температурой к источнику с более высокой температурой.

    В отличии от этого в тепловых двигателях, например паротрубные установки, осуществляется прямой цикл (изображается по часовой стрелке), в которой за счет тепловой энергии вырабатывается механическая энергия.

Классификация циклов.

 – подводимое тепло;

 – отводимое тепло;

 – работа цикла.

    ХМ(холодильная машина)

 – холодильный коэффициент.

    ТН (тепловой насос)

 – коэффициент преобразования.

    ХТ (машина для выработки холода и тепла)

; .

Информация в лекции "36 Нелинейные искажения в амплитудном детекторе" поможет Вам.

Необратимые потери обратимых циклов.

    Обратимый процесс – это такой, который может быть осуществлен в прямом и обратном направлении без дополнительных затрат энергии. Обратимый термодинамический  цикл состоит из обратимых процессов. Реальные процессы необратимы, в них происходят необратимые потери, которые принято делить на внутренние и внешние.

    Внутренние необратимые потери присуще самому рабочему веществу – это: внутреннее трение частиц рабочего вещества; дросселирование; диффузия; смешение потоков.

    Внешние потери связаны с теплообменом рабочего вещества с источниками: ИНТ, ИВТ, ОС. Если температура рабочего вещества в процессе теплообмена совпадает с температурой источника, то процесс обратим.

    Если между температурами рабочего вещества и источником есть разность, то процесс необратим.

    При анализе эффективности процессов и циклов в зависимости от конкретной задачи анализа любой из процессов может быть принят внутренне и внешне обратимым и необратимым.