Modeling of active magnetic regenerators and experimental investigation of passive regenerators with oscillating flow

摘要

Emnet for denne ph.d. afhandling er numerisk modellering af den aktive magnetiske regenerator (AMR) samt eksperimentelle tests af passive regeneratorer med periodisk varierende væskestrømning. Det primære formål med dette arbejde er at udforske og forbedre nye koncepter og teknologier indenfor magnetisk køling. Den numeriske diskretisering af en endimensionel (1D) AMR model er blevet forbedret, således, at ufysiske temperaturvariationer i den numeriske løsning elimineres. Yderligere tilføjelser til den transiente AMR model er blevet implementeret, således, at modellen nu kan håndtere trapez formede regeneratorer, varmetab gennem regeneratorvæggen samt regeneratorer med varierende materialer. Magnetokaloriske materialer (MCM) klassificeres typisk som 1. eller 2. ordens (efter ordenen af deres faseovergang). De magnetokaloriske egenskaber, isoterm entropiændring, ∆ , samt adiabatisk temperaturændring ∆ er markant forskellige for de to klasser af MCMer. Via et teoretisk studie vises det i afhandlingen, at disse egenskaber bør betragtes med lige stor vægt. Et dybdegående studie omhandlende hvordan man organiserer regeneratorer med hhv.1. og 2. ordens materialer baseret på eksperimentelle målinger af hhv. La(Fe,Mn,Si)H (1. ordens) og Gd (2. ordens) præsenteres i afhandlingen. Det vises, at regeneratorens ydeevne er en funktion af arbejdstemperaturen samt Curie (overgangs-) temperaturvariationen i materialerne. En konceptuel regenerator med en kombination af 1. og 2. ordens materialer foreslås som en potentiel fremtidig regenerator kandidat. Den aktive magnetiske regenerator evalueres ydermere på basis af en entropiminimeringsstrategi, hvor entropigeneration fra utilstrækkelig varmetransport, viskøs opvarmning samt aksial termisk ledning inkluderes. Betydningen af varmetab fra regeneratorens indkapsling samt såkaldt dødt volumen kvantificeres. Endelig udføres en multiparameter optimering med hensigten at finde de optimale operations- og geometriske parametre for en AMR. Et testapparat til evaluering af passive regeneratorer opbygges, testes og valideres. Dette eksperimentelle udstyr bruges til at sammenligne forskellige regeneratorgeometrier inklusive de nye innovative regeneratorer, som er delvist limet sammen med epoxy, samt forskellige varmetransportvæsker. Væske- og varmetransport egenskaberne evalueres på basis dels af målte størrelser (tryktab, regenerator effektivitet samt tilført varme) og afledte størrelser (friction factor samt Nusselt-tallet). Endelig perspektiveres forskningen præsenteret i denne afhandling og forslag anvises til fremtidigt arbejde.