Тепловые насосы с использованием с использованием магнитокалорического эффекта.

Рис. 3.21. Эффект Дебая

Магнетокалорические тепловые насосы-устройства, использующие свойства парамагнетиков выделять тепло под действием напряженности магнитного поля (процесс намагничивания) и поглощать тепло при прекращении действия напряженности магнитного поля (процесс размагничивания).

Данный эффект известен, как магнитное охлаждение Дебая (эффект Дебая) рис. 3.21. Магнетокалорический тепловой насос используется в одном из двух практически применяемых методов получения температур ниже 0,3 К (другим методом является растворение жидкого гелия 3He в жидком 4He).

Рис. 3.22. Эффект Дебая

Образец из парамагнитной соли подвешивается на нити в трубке, заполненной газообразным гелием под небольшим давлением. Газообразный гелий обеспечивает контакт с ванной жидкого гелия, охлаждаемой испарением жидкости под пониженным давлением. Во время работы в ванне поддерживается, более низкое давление, обычно соответствующее температуре 1K. Рис. 3.22.

За счет теплопроводности газа парамагнитная соль охлаждается до температуры гелиевой ванны. Затем включается магнитное поле. В процессе намагничивания соль нагревается. Ориентирование магнитных ионов вдоль магнитного поля уменьшает энтропию. Тепло от соли отводится в гелиевую ванну, и температура соли снова становиться равной 1K.

Далее газ, который окружает образец и находится с ним в тепловом контакте, откачивается и после этого производится выключение магнитного поля. В процессе адиабатического размагничивания энтропия и энергия магнитных ионов частично восстанавливается за счет энергии решётки, и температура соли заметно понижается.

Магнитокалорическим эффектом (МКЭ) называют изменение температуры магнетика в результате выделения или поглощения тепла при воздействии магнитного поля на вещество в адиабатических условиях. Для реализации диабатических условий необходима адиабатическая оболочка, изолирующая магнетик от тепловых потоков со стороны окружающей среды. Адиабатический процесс возможен также при быстром включении и выключении магнитного поля, когда теплопередачей можно пренебречь. По существующей терминологии к МКЭ не относят тепловые эффекты, обусловленные необратимым выделением тепла при намагничивании и перемагничивании ферромагнетиков за счет магнитного гистерезиса, магнитной релаксации и токов Фуко. Необратимое выделение тепла в ферромагнитных и ферримагнитных материалах в переменных магнитных полях широко известно и наблюдается при их техническом использовании в качестве сердечников дросселей и трансформаторов. Значительно менее известен МКЭ. Хотя он был открыт более ста лет тому назад, однако в настоящее время к нему проявляется значительный интерес. Его исследование позволяет получить важную информацию о характеристиках магнитного упорядочения, обменных и магнитокристаллических взаимодействиях, о трансформации магнитных структур при действии магнитного поля. Большие значения МКЭ в некоторых редкоземельных магнетиках создают реальные возможности для разработки магнитных холодильных устройств, эффективно работающих в заданных температурных интервалах.

В настоящее время рассчитаны теплонасосные и холодильные циклы и разрабатываются МХМ для различных температурных областей, каждая из которых имеет свою специфику. Здесь можно условно выделить область сверхнизких температур, интервалы температур 4,2 - 20 К, 20 - 77 К, 77 - 300 К и область комнатных температур. Рассчитаны тепловые циклы, основанные на эластокалорическом эффекте. В последние годы проявляется интерес к созданию МХМ для бытовых и производственных целей в области комнатных температур. Применяемые в настоящее время холодильные установки, работающие на газе фреоне, не отвечают экологическим требованиям, поскольку фреон разрушает озоновый слой в атмосфере. Прогресс в разработке МХМ, работающих в области комнатных и более низких температур, сдерживается необходимостью использования в МХМ достаточно сильных магнитных полей. Несмотря на имеющиеся трудности, в перспективе рынки сбыта МХМ могут стать довольно велики, благодаря их использованию в холодильниках и рефрижераторах, работающих без фреона, кондиционерах, ЯМР - томографах, для охлаждения водорода и природных газов, для охлаждения ИК- датчиков, для сохранения биологических объектов и т.д.

Контрольные вопросы

1. Какие виды теплообмена используют в аппаратах теплового насоса?

2. Какова роль испарителя, конденсатора в тепловом насосе?

3. Теплообменные аппараты, каких конструкций применяются в качестве испарителя и конденсатора?

4. Какое влияние оказывают масло, воздух, вода, механические загрязнения на работу теплообменных аппаратов?