室温磁制冷机主动式回热器AMR的强化传热研究

摘要

由于室温磁制冷机优越的环保性能、低噪音、运行可靠、寿命长、高效,成为下世纪传统压缩式制冷机的首选替代技术之一,然而其在材料、磁场设计、主动式回热器还存在技术瓶颈。本文主要研究了其核心部件-主动式回热器(AMR)的强化传热机理分析及试验研究,旨在探讨旋转式室温磁制冷机性能与运行参数的对应关系。 ⑴对AMR的传热进行了理论分析。由于工质励磁放热,退磁后吸热作用,AMR工质轮内部(的温度分布是有高有低的)存在温度梯度,且对于磁场区的部分,靠近外圆周处温度较高,理论上需要对外圆周处加强换热。在此基础上,提出了在AMR工质轮内部安装热管或铜丝的强化传热方法。从理论上分析了这两种方法,并对安装铜丝的方法进行了Ansys数值模拟,发现安装铜丝的方法简单可行,且可以明显改善其内部的传热,铜丝的数量和排列方式不同,换热效果也不同。 ⑵考虑到实际装置的AMR工质轮内部填充的是Gd颗粒,颗粒本身存在孔隙,换热介质水直接通过颗粒孔隙进行换热,因此,将工质轮内部的磁制冷材料看作多孔材料,作理论分析和Fluent数值模拟。在不同的水流量和转速下,模拟了AMR工质轮一级磁场区的温度、速度、压力情况,发现转速固定时,增大水的流量,换热情况可以改善,而固定流量,增大转速时,换热情况同样可以改善,但在某一极限流量下,改变转速对换热的影响不再明显,极限流量的原因在于工质轮的换热效率不高。 ⑶在旋转式磁制冷样机上进行AMR工质轮内部温度场分布实验。实验结果表明,增大循环水流量或增大转速都可以使工质轮的温差减小,换热得到改善,这与仿真的结果相同。当水箱加热到28℃,在6r/min,流量62L/h,自来水流量560L/h时获得了实验中的最大温差4.60℃。转速不变时,如果进入磁场的温度总是低于居里温度时,那么当流量增大后,温度曲线向上平移；高于居里温度时,则向下平移。 ⑷实验发现,控制Gd进入磁场时的温度在居里温度附近可以使磁制冷材料产生较大的磁致热量,获得大温差。由于冷端区域和过渡区剩余冷量的影响,可以使磁制冷材料在高于其居里温度的环境温度下工作,如Gd的居里温度只有21℃,但可以在28℃的环境温度工作。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1室温磁制冷的发展

1.2本研究的目的和意义

1.3本研究的内容

第二章AMR传热理论基础

2.1室温磁制冷材料简介

2.2室温磁制冷的理论基础

2.2.1磁制冷材料的磁化原理

2.2.2铁磁质的磁化过程

2.2.3磁介质磁化的热力学关系

2.3本章小结

第三章AMR工质轮强化传热研究

3.1旋转式主动式回热器工质轮描述

3.2工质轮内部导热分析

3.3采用热管后工质轮内部的传热过程

3.3.1工质轮安装热管后的分析单元描述

3.3.2装置的理论循环

3.4采用铜丝后工质轮内部的传热

3.4.1加入铜丝后的理论分析

3.5本章小结

第四章AMR工质轮基于多孔介质的传热分析

4.1多孔介质理论

4.1.1多孔材料的定义和基本理论

4.1.2 fluent模拟中的多孔介质理论

4.2二级磁场内的AMR工质轮基于多孔介质的数值模拟

4.2.1填充型多孔介质数学模型

4.2.2建立模型

4.3模拟结果与分析

4.3.1水箱不加热时，转速为7.5r／min时不同流量下的结果分析

4.3.2水箱加热时，转速为7.5r／min时不同流量下的结果分析

4.3.3水箱加热时，转速为6r／min时不同流量下的结果分析

4.3.4转速不变，流量改变情况下，外壁面模拟测点的比较

4.3.5流量不变，转速改变情况下的比较

4.4本章小结

第五章旋转式室温磁制冷样机实验研究与分析

5.1实验方案

5.1.1实验目的

5.1.2实验样机装置说明

5.1.3实验方法

5.1.4实验仪器

5.2实验结果及数据处理

5.2.1水箱不加热，转速7.5r／min，自来水流量335ml／min实验结果和分析

5.2.2水箱加热，转速6r／min，自来水流量560ml时的实验结果和分析

5.2.3水箱加热，转速7.5r／min，自来水流量560ml时的实验结果和分析

5.2.4水箱加热，自来水流量560ml／min，不同流量在6r／min和7r／min时的变转速分析

5.2.5瞬时状态温度测点的分析

5.3数值模拟与实验结果的对比分析

5.3.1转速不变，流量改变时，实验测点和模拟测点对比

5.3.2流量不变，转速改变时，实验测点和模拟测点对比

5.4装置制冷量和制冷系数ε估算

5.5本章小结

结论和展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢