室温磁制冷系统中活性蓄冷器换热性能和结构的研究

摘要

磁制冷技术是一种新兴的环境友好型技术，它基于磁热效应，将磁性固体作为制冷工质，以 AMR（即活性蓄冷器）为基准进行循环。但近年来磁制冷的发展受到了很大的制约，其中磁热效应小、换热性能差以及结构单一都是主要因素。本文结合活性蓄冷器的换热特点对往复式室温磁制冷系统的换热性能和结构进行了研究。实验主要对室温磁制冷机在不同磁场移动速度、不同磁场停滞时间以及不同环境工况下，蓄冷器内冷热端温度的变化进行测量，分析了磁制冷系统的换热性能和磁热效应，找到了提高系统制冷效率的最佳条件；在模拟研究中，对圆柱型蓄冷器中颗粒状工质进行模拟分析，通过改变蓄冷器中换热流体的入口速度，研究其内部速度场、流线和压力的分布以及换热流体静止时，与工质换热的温度分布；设计出一种新型蓄冷器，该结构入口端和出口端为锥形结构，使得换热流体可以平滑地进出，减少了两端流动死角的出现，磁性材料采用片状Gd磁性工质，互相平行放置于圆柱型蓄冷器中，在相同条件下进行模拟分析，并与颗粒状蓄冷器进行对比，主要结论如下： 1.模拟研究中，通过比较两种结构可以发现，尽管片状的换热速率要略小于颗粒状的，但是片状结构的流动状态要优于颗粒状，因此该设计结构在蓄冷器综合性能研究方面具有借鉴作用。 2.实验中，通过不同磁场速度以及不同停滞时间的对比分析得出，移动速度160mm/s，停滞时间700ms时，系统性能最佳，且实验装置运行9000s后，冷床各个部分温度波动非常小，运行稳定，可以较长时间地给冷端提供冷量。制冷磁床冷热两端可以实现的最大温差为16.8℃。实验装置所能达到最大磁热效应（即绝热温变?Tad）为3.6℃或3.6K，略低于理论最大磁热效应的4.2K。 3.实验中，不同环境工况时，冷端最低温度变化较大，环境工况温度越小，其冷端所能达到的最低温度就越小，但是当工况温度低到一定值（大于0℃）时，冷端最低温度不再下降，达到稳定，其值不断接近2℃。

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第一章 绪 论

1.1 课题研究背景

1.2 提出问题

1.3 研究内容及方案

1.4 本章小结

第二章 室温磁制冷系统的相关理论及模拟

2.1 磁制冷理论基础

2.2数值模拟

2.3 本章小结

第三章 实验研究

3.1 实验系统简介

3.2 实验内容

3.3 本章小结

第四章 实验结果与分析

4.1 不同磁场速度，不同停滞时间的实验

4.2 不同环境工况实验（160mm/s、700ms）

4.3本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

硕士期间发表论文及参加科研情况说明

致谢