Document 2602411

ХОЛОДИЛЬНАЯ УСТАНОВКА НА ОСНОВЕ МАГНИТНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ
Кобезский В.А., Пахомов А.И., Онокулева М.В.
Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет,
Россия, Нижний Новгород, ул.Ильинская, 65.
CUTTING-EDGE COOLING DEVICE, BASED ON MAGNETIC REFRIGERATION.
Kobezsky V.A., Pakhomov A.I. Onokuleva M.V.
Nizhny Novgorod State University of Architecture and Civil Engineering (NNGASU), Russian
Federation, Nizhny Novgorod, Ilynskaya st. 65.
Практика эксплуатации классических парокомпрессионных холодильных установок
выявила ряд серьезных недостатков: они используют газ фреон в качестве хладагента,
который при попадании в атмосферу способствует разрушению озонового слоя и
глобальному потеплению. Подобные устройства отличаются повышенным уровнем шума.
Альтернативой им могут стать холодильные установки, работающие по принципу
адиабатического размагничивания, использующие твердый магнитный материал вместо
жидкого или газообразного хладагента, что позволяет избежать использования экологически
опасных веществ, а также снизить уровень шума благодаря небольшому количеству
подвижных деталей. Использование твердого рабочего тела обусловлено наличием
магнитокалорического эффекта, наиболее выраженного у парамагнитных материалов,
позволяющего изменять температуру и энтропию этого материала в условиях воздействия
внешнего магнитного поля, что аналогично циклам работы парокомпрессионного,
но
предоставляя возможность охлаждения материалов ниже 1° Кельвина, что близко к
абсолютному температурному нулю.
Парамагнетизм.
Термин парамагнетизм ввел в использование Майкл Фарадей в 1845 году и разделил
все вещества, за исключением ферромагнитных, на диамагнитные и парамагнитные.
Парамагнетики обладают свойством намагничиваться во внешнем магнитном поле по
направлению этого внешнего поля из-за наличия собственных постоянных магнитных
моментов, которые в присутствии внешнего поля ориентируются по нему и создают
собственное поле – результирующее, по силе превышающее внешнее.
Магнитный момент и спин.
При помещении рамки с током I в однородное магнитное поле с индукцией B,
магнитное поле ориентирует рамку вокруг своей оси c моментом M, равным = ||,
где S – площадь рамки, α – угол между нормалью n к плоскости рамки и вектором B.
Произведение I на S, являющееся магнитным вектором, будет стараться развернуть рамку в
магнитном поле так, чтобы вектор индукции магнитного поля B был направлен вдоль
магнитного вектора рамки.
У большей части элементов магнитный момент проявляется с присутствием атомов с
незаполненной
внутренней
электронной
оболочкой.
Из-за
этого
они
становятся
обладателями суммарного момента количества движения ̅ и магнитного момента . К
таким элементам относятся «переходные элементы» таблицы Менделеева: (хром, марганец,
железо, никель, кобальт, палладий и платина), а также редкоземельные элементы.
В обычных условиях отсутствует упорядоченность в направлении магнитных
моментов атомов из-за влияния теплового движения, однако, при помещении во внешнее
однородное магнитное поле количество упорядоченных в направлении вектора индукции
поля магнитных моментов увеличивается и происходит намагничивание материала.
Намагниченность можно записать как = ср , где N – среднее число атомов в
единице объема, а ср - средний магнитный момент.
Согласно классической теории парамагнетизма, для слабых магнитных полей
намагниченность M параллельна индукции магнитного поля B и приближенно равна
=
.
Формула выше справедлива только при условии, что отношение / много меньше
единицы, тогда намагниченность или магнитный момент единицы объема будет
пропорциональна магнитному полю. В этом и заключается суть явления парамагнетизма.
С точки же зрения квантовой механики, момент количества движения системы не
может иметь произвольного направления, а его компоненты вдоль данной оси могут
принимать только определенные дискретные эквидистантные значения. Это характерная
особенность квантовой механики.
Ещё одной особенностью квантовой механики является то, что момент количества
движения относительно любой оси равен целой или полуцелой доле ћ, и каждая атомная
система имеет собственный импульс квантовой природы, не связанный с перемещением
частицы как целого - спин J, характеризующий положение частицы в пространстве. [1]
Спиновый момент количества движения атомного ядра определяется как векторная
сумма спинов элементарных частиц, образующих квантовую систему, и орбитальных
моментов этих частиц, обусловленных их движением внутри системы. [2]
Так же, как и в классической теории, намагниченность M пропорциональна полю B.
=
. Разница заключается лишь в отсутствии множителя 1/3.
Адиабатическое размагничивание и магнитокалорический эффект.
Данный метод используется для получения сверхнизких температур ниже 0,7K, что
близко к абсолютному нулю, когда хаотичное тепловое движение частиц прекращается и они
образуют упорядоченную структуру.
При включении или выключении внешнего магнитного поля магнетик может
поглощать или выделять тепло в связи с обратимым изменением магнитной части энтропии
∆ ,
входящей
в
состав
полной
энтропии.
Такое
изменение
носит
название
Магнитокалорического эффекта (МКЭ). В адиабатическом процессе изменение магнитного
поля приводит к изменению температуры ∆ = − ! , причем при намагничивании
полная энтропия S, равная сумме магнитной , структурной "# и электронной $ , не
изменяется. Чтобы данное условие выполнялось, необходимо увеличение электронной и
структурной энтропий, которое и приводит к увеличению температуры ∆ .
Принцип работы магнитного холодильника.
Бытовые холодильники, которые используют на кухне, охлаждают без остановки.
Если положить что-нибудь теплое в такой холодильник, он немедленно начнет это
охлаждать и все поглощенное тепло отводится в комнату, потому что, согласно первому
началу термодинамики, тепло должно быть утилизировано и общий объем выбрасываемого
тепла не так велик.
Холодильник же, основанный на технологии адиабатического размагничивания не
работает безостановочно. Он хранит поглощенное тепло, нагреваясь, охлаждая теплые
объекты и забирая
тепло, попадающее внутрь. Часть
магнитного холодильника,
сохраняющая тепло, называется соляной таблеткой - это парамагнетик, в состав которого
входят сплавы редкоземельных элементов. До сих пор применяется Гадолиний Gd в качестве
рабочего тела, но одним из кандидатов для его замены являются сплавы Гейслера на основе
Никеля, Марганца и Галлия, превосходящие Гадолиний по величине МКЭ.
Низкотемпературные магнитные холодильники не могут выбрасывать тепло в
окружающий воздух, им нужен более холодный теплоотвод – ванна с жидким гелием с
температурой 1.3К.
В парамагнетике каждая молекула представляет собой электромагнит, где электроны
играют роль электрического тока. В непарамагнитных веществах поля всех электронов
компенсируют друг друга, тем самым обуславливая отсутствие тока. В парамагнетиках же
поля не до конца компенсируются, поэтому молекула вещества производит небольшое поле.
В магнитном холодильнике соляная таблетка играет роль группы микроскопических
магнитов, собранных вместе, каждый из которых имеет свой магнитный момент, имеющий
направление и показывающий силу каждого из магнитных полей. При наличии сильного
магнитного поля магнитные моменты выстраиваются в линию.
Соляная таблетка может поглощать тепло благодаря особенностям молекулярных
магнитных моментов. На микроскопическом уровне энергия тепла состоит из случайных
молекулярных флуктуаций и при воздействии слабого магнитного поля, энергии флуктуаций
достаточно для того, чтобы выбить молекулярный магнитный момент из согласования с
воздействующим магнитным полем. Таким образом, энергия тепла превращается в
магнитную энергию молекул. Со временем при поглощении тепла все большее число
молекул рассогласовываются с полем и, в конце концов, соляная таблетка теряет
возможность поглощать тепло, так как все спины рассогласованы.
После этого тепло должно быть отведено. Чтобы отвести тепло, необходимо усилить
внешнее магнитное поле, что увеличит количество энергии, которым должны обладать
молекулярные магнитные моменты, чтобы оставаться в рассогласовании с полем и когда
поле становится достаточно сильно, молекулярные магнитные моменты отдают энергию и
возвращаются в согласование с магнитным полем. Как только энергия отведена магнитными
моментами, она превращается обратно в тепловую энергию. Из-за этого процесса
температура соляной таблетки повышается. При повышении температуры происходит
контакт с охладителем – жидким гелием и понижение температуры парамагнетика.
После отвода необходимого количества тепла, внешнее магнитное поле ослабляется и
количество энергии необходимой для рассогласования магнитных моментов становится
достаточно мало, чтобы тепловые флуктуации обладали достаточной энергией и
молекулярные моменты вновь начали поглощать тепло и соляная таблетка охладилась,
начиная новый цикл.
Преимущества и перспективы магнитных холодильников.
Магнитное охлаждение на 20-30 процентов энергетически эффективнее, чем
парокомпрессионное охлаждение. Магнитные хладагенты твердые, поэтому опасные,
озоноразрушающие и создающие парниковый эффект химикаты полностью устранены, что
делает магнитное охлаждение экологически чистой технологией.
Магнитное охлаждение предполагает различные варианты исполнения холодильной
машины: на постоянных магнитах и на сверхпроводящих магнитах, первые применимы в
холодильниках с ограниченным диапазоном температур и небольшой мощностью, вторые для охлаждения помещений, складов продуктов и работы установок большой мощности с
широким диапазоном температур.[5.]
Гибкость конструкции предусматривает создание различных типов холодильников, в
частности
многоступенчатой
холодильной
установки,
обладающей
более
широким
диапазоном температур, меньшим весом и возможностью непрерывного охлаждения.
К недостаткам технологии следует отнести дороговизну материалов для создания
магнитного поля, необходимость экранирования магнитов для препятствования влияния
магнитных полей на оборудование, падение КПД во время отвода тепла охладителю, а также
испарение охладителя (жидкого гелия) с течением времени.
Возможной
сферой
применения
является
использование
на
орбите
в
низкотемпературных рентгеновских и инфракрасных спектрометрах, работающих в данном
диапазоне сверхнизких температур.
Для работы на Земле, первый прототип винного холодильника с использованием
технологии магнитного охлаждения в концепте прототипа для домашнего использования
предоставил консорциум компаний BAFS, Haier и Astronautics Corporation of America на
CES2015.[6.]
Дальнейшее развитие магнитного охлаждения связано с нахождением соединений
материалов с более высокой величиной магнитокалорического эффекта, подбором наиболее
подходящей технологии экранирования магнитов, уменьшением веса конструкции и
разработкой
механического
охладителя
взамен
жидкого
гелия
и
одновременным
удешевлением комплектующих.
Активные исследования в сфере криогеники и магнитного охлаждения ведутся
преимущественно в западных лабораториях, таких как лаборатория Эймса (Министерство
энергетики США), национальном аэрокосмическом агентстве США – НАСА, энергетических
компаниях Японии, а также частных корпорациях, заинтересованных в развитии технологий
охлаждения. В России исследования в области парамагнетизма и магнитного охлаждения
ведутся на кафедре магнетизма физического факультета МГУ, однако создание собственной
установки требует значительных финансовых вливаний и остается перспективным
направлением для развития, требующим внимания коммерчески заинтересованных сторон.
Литература
1)Фейнмановские лекции по физике (The Feynman Lectures on Physics). М.: Мир, 1965—1967.
2) Сарычева Л.И. Физика фундаментальных взаимодействий М.: КДУ, 2008
3) www.cryo.gsfc.nasa.gov NASA Official: Eric A. Silk 09/11/2014
4) www.ameslab.gov Magnetic refrigeration conference to draw international audience May 7, 2009
5) www.global.jaxa.jp
6) www.cesweb.org