Магнитный холодильник
При эксплуатации используемых в настоящее время компрессионных холодильников возможны утечки рабочих газов - хладагентов, вызывающих такие серьезные экологические проблемы как разрушение озонового слоя и глобальное потепление.
Среди разнообразных альтернативных технологий, которые могли бы использоваться в холодильных устройствах, все большее внимание исследователей во всем мире привлекает технология магнитного охлаждения. Интенсивные работы, посвященные магнитному охлаждению, ведутся во многих лабораториях и университетах Европы, США, Канады, Китая.
Магнитный холодильник экологически безопасен и позволяет значительно снизить потребление электроэнергии. Последнее обстоятельство чрезвычайно важно с учетом поистине огромного количества холодильных установок, используемых человеком в самых различных областях его деятельности.
Технология магнитного охлаждения основана на способности любого магнитного материала изменять свою температуру и энтропию под воздействием магнитного поля, как это происходит при сжатии или расширении газа или пара в традиционных холодильниках.
Такое изменение температуры или энтропии магнитного материала при изменении напряженности магнитного поля, в котором он находится, называется магнитокалорическим эффектом - МКЭ.
Изменение температуры магнитного материала происходит в результате перераспределения внутренней энергии магнитного вещества между системой магнитных моментов его атомов и кристаллической решеткой.
Максимальной величины МКЭ достигает в магнитоупорядоченных материалах, таких как ферромагнетики, антиферромагнетики и т.п., при температурах магнитных фазовых переходов - температурах магнитного упорядочения - Кюри, Нееля и т.д..
Главное преимущество аппаратов для магнитного охлаждения связано с высокой плотностью материала – твердого тела - по сравнению с плотностью пара или газа. Изменение энтропии на единицу объёма в твёрдых магнитных материалах в 7 раз выше, чем в газе.
При эксплуатации используемых в настоящее время компрессионных холодильников возможны утечки рабочих газов - хладагентов, вызывающих такие серьезные экологические проблемы как разрушение озонового слоя и глобальное потепление.
Среди разнообразных альтернативных технологий, которые могли бы использоваться в холодильных устройствах, все большее внимание исследователей во всем мире привлекает технология магнитного охлаждения. Интенсивные работы, посвященные магнитному охлаждению, ведутся во многих лабораториях и университетах Европы, США, Канады, Китая.
Магнитный холодильник экологически безопасен и позволяет значительно снизить потребление электроэнергии. Последнее обстоятельство чрезвычайно важно с учетом поистине огромного количества холодильных установок, используемых человеком в самых различных областях его деятельности.
Технология магнитного охлаждения основана на способности любого магнитного материала изменять свою температуру и энтропию под воздействием магнитного поля, как это происходит при сжатии или расширении газа или пара в традиционных холодильниках.
Такое изменение температуры или энтропии магнитного материала при изменении напряженности магнитного поля, в котором он находится, называется магнитокалорическим эффектом - МКЭ.
Изменение температуры магнитного материала происходит в результате перераспределения внутренней энергии магнитного вещества между системой магнитных моментов его атомов и кристаллической решеткой.
Максимальной величины МКЭ достигает в магнитоупорядоченных материалах, таких как ферромагнетики, антиферромагнетики и т.п., при температурах магнитных фазовых переходов - температурах магнитного упорядочения - Кюри, Нееля и т.д..
Главное преимущество аппаратов для магнитного охлаждения связано с высокой плотностью материала – твердого тела - по сравнению с плотностью пара или газа. Изменение энтропии на единицу объёма в твёрдых магнитных материалах в 7 раз выше, чем в газе.
Конструкция холодильника. В созданном прототипе магнитного холодильника используется вращающаяся колёсная конструкция. Она состоит из колеса, содержащего сегменты с порошком гадолиния, а также мощного постоянного магнита.Конструкция спроектирована таким образом, что колесо прокручивается через рабочий зазор магнита, в котором сконцентрировано магнитное поле. При вхождении сегмента с гадолинием в магнитное поле в гадолинии возникает магнетокалорический эффект - он нагревается. Это тепло отводится теплообменником, охлаждаемым водой. Когда гадолиний выходит из зоны магнитного поля, возникает магнетокалорический эффект противоположного знака и материал дополнительно охлаждается, охлаждая теплообменник с циркулирующим в нем вторым потоком воды. Этот поток собственно и используется для охлаждения холодильной камеры магнитного холодильника.
Такое устройство является компактным и работает фактически бесшумно и без вибраций, что выгодно отличает его от использующихся сегодня холодильников с парогазовым циклом.
Постоянный магнит и рабочее тело в виде гадолиния не требуют подвода энергии.
Энергия необходима для вращения колеса и обеспечения работы водяных насосов.
Преимущества, недостатки и области применения.
Все магнитные холодильники можно разделить на два класса по типу используемых магнитов: системы, использующие сверхпроводящие магниты и системы на постоянных магнитах.
Первые из них обладают широким диапазоном рабочих температур и относительно высокой выходной мощностью.
Они могут использоваться, например, в системах кондиционирования больших помещений и в оборудовании хранилищ пищевых продуктов.
Охлаждающие системы на постоянных магнитах имеют относительно ограниченный температурный диапазон не более, чем на 30 ° C за один цикл и, в принципе, могут применяться в устройствах со средней мощностью до 100 Ватт - таких как автомобильный холодильник и портативный рефрижератор для пикника.
Но и те, и другие обладают целым рядом преимуществ над традиционными парогазовыми холодильными системами:
Низкая экологическая опасность.
Рабочее тело – твердое и может быть легко изолировано от окружающей среды.
Применяемые в качестве рабочих тел металлы лантаниды малотоксичны, и могут быть использованы повторно после утилизации устройства.
Теплоотводящая среда должна обладать всего лишь низкой вязкостью и достаточной теплопроводностью, что хорошо соответствует свойствам воды, гелия или воздуха.
Последние хорошо совместимы с окружающей средой.
Высокая эффективность.
Магнитокалорическое нагревание и охлаждение – практически обратимые термодинамические процессы, в отличие от процесса сжатия пара в рабочем цикле парогазового холодильника.
Теоретические расчеты и экспериментальные исследования показывают, что магнитные охлаждающие установки характеризуются более высокими к.п.д. и экономичностью.
В частности, в области комнатных температур магнитные холодильники потенциально на 20-30 % эффективнее, чем работающие по парогазовому циклу.
Технология магнитного охлаждения в перспективе может быть очень эффективной, что позволит значительно сократить стоимость таких установок.
Долгий срок эксплуатации.
Технология предполагает использование малого числа движущихся деталей и низких рабочих частот в охлаждающих устройствах, что значительно сокращает их износ.
Гибкость технологии.
Возможно использование различных конструкций магнитных холодильников в зависимости от назначения.
Быстрый прогресс в развитии сверхпроводимости и улучшении магнитных свойств постоянных магнитов.
В настоящее время целый ряд известных коммерческих компаний успешно занимаются улучшением свойств магнитов NdFeB - наиболее эффективные постоянные магниты и работают над их конструкциями.
Наряду с известным прогрессом в области сверхпроводимости это позволяет надеяться на улучшение качества магнитных холодильников и одновременное их удешевление.
Недостатки магнитного охлаждения
Необходимость экранировки магнитного источника.
Относительно высокая в настоящее время цена источников магнитного поля.
Ограниченный интервал изменения температуры в одном цикле охлаждения в системах на постоянных магнитах - не более 30 ° С.
Такое устройство является компактным и работает фактически бесшумно и без вибраций, что выгодно отличает его от использующихся сегодня холодильников с парогазовым циклом.
Постоянный магнит и рабочее тело в виде гадолиния не требуют подвода энергии.
Энергия необходима для вращения колеса и обеспечения работы водяных насосов.
Преимущества, недостатки и области применения.
Все магнитные холодильники можно разделить на два класса по типу используемых магнитов: системы, использующие сверхпроводящие магниты и системы на постоянных магнитах.
Первые из них обладают широким диапазоном рабочих температур и относительно высокой выходной мощностью.
Они могут использоваться, например, в системах кондиционирования больших помещений и в оборудовании хранилищ пищевых продуктов.
Охлаждающие системы на постоянных магнитах имеют относительно ограниченный температурный диапазон не более, чем на 30 ° C за один цикл и, в принципе, могут применяться в устройствах со средней мощностью до 100 Ватт - таких как автомобильный холодильник и портативный рефрижератор для пикника.
Но и те, и другие обладают целым рядом преимуществ над традиционными парогазовыми холодильными системами:
Низкая экологическая опасность.
Рабочее тело – твердое и может быть легко изолировано от окружающей среды.
Применяемые в качестве рабочих тел металлы лантаниды малотоксичны, и могут быть использованы повторно после утилизации устройства.
Теплоотводящая среда должна обладать всего лишь низкой вязкостью и достаточной теплопроводностью, что хорошо соответствует свойствам воды, гелия или воздуха.
Последние хорошо совместимы с окружающей средой.
Высокая эффективность.
Магнитокалорическое нагревание и охлаждение – практически обратимые термодинамические процессы, в отличие от процесса сжатия пара в рабочем цикле парогазового холодильника.
Теоретические расчеты и экспериментальные исследования показывают, что магнитные охлаждающие установки характеризуются более высокими к.п.д. и экономичностью.
В частности, в области комнатных температур магнитные холодильники потенциально на 20-30 % эффективнее, чем работающие по парогазовому циклу.
Технология магнитного охлаждения в перспективе может быть очень эффективной, что позволит значительно сократить стоимость таких установок.
Долгий срок эксплуатации.
Технология предполагает использование малого числа движущихся деталей и низких рабочих частот в охлаждающих устройствах, что значительно сокращает их износ.
Гибкость технологии.
Возможно использование различных конструкций магнитных холодильников в зависимости от назначения.
Быстрый прогресс в развитии сверхпроводимости и улучшении магнитных свойств постоянных магнитов.
В настоящее время целый ряд известных коммерческих компаний успешно занимаются улучшением свойств магнитов NdFeB - наиболее эффективные постоянные магниты и работают над их конструкциями.
Наряду с известным прогрессом в области сверхпроводимости это позволяет надеяться на улучшение качества магнитных холодильников и одновременное их удешевление.
Недостатки магнитного охлаждения
Необходимость экранировки магнитного источника.
Относительно высокая в настоящее время цена источников магнитного поля.
Ограниченный интервал изменения температуры в одном цикле охлаждения в системах на постоянных магнитах - не более 30 ° С.
Термо-электрические холодильники
Эффект термоэлектрического охлаждения, открытый французским физиком Ж. Пельтье в тридцатых годах XIX века, заключается в том, что при пропускании постоянного тока через термоэлемент, состоящий из двух проводников или полупроводников, в месте их соединения выделяется или поглощается (в зависимости от направления тока) некоторое количество теплоты. Долгое время эффект термоэлектрического охлаждения не находил практического применения из-за отсутствия достаточно эффективных материалов для термоэлементов, и только после ряда открытий в области полупроводниковой техники появилась возможность эффективно использовать это явление на практике.
В настоящее время эффект Пельтье используется в основном в переносных холодильниках, рассчитанных на работу от бортовой электросети автомобилей. Высокое энергопотребление термоэлектрических холодильников делает невыгодным производство средних и крупных бытовых холодильников, работающих на эффекте Пельтье.
Однако, термоэлектрические холодильники обладают рядом специфических достоинств, благодаря которым в некоторых областях человеческой деятельности у этих холодильников нет конкурентов. Среди этих достоинств стоит выделить чрезвычайно скромные габариты термоэлементов, их высокую надежность, обусловленную простотой конструкции, способность эффективно работать в условиях значительных ускорений/перегрузок. В отличии от компрессионных и абсорбционных холодильных агрегатов, термоэлементы без усложнения конструкции сохраняют работоспособность при переворачивании,при езде по бездорожью, можно класть на бок.
Есть одна «изюминка» в термоэлектрической конструкции. Как уже упоминалось, термоэлектрический эффект способен вызывать не только охлаждение, но и нагревание. Это зависит от направления тока. Поменяли контакты с помощью переключателя — и термохолодильник превращается в подогреватель помещенных в него охлажденных блюд (или, например, бутылочек с детским питанием). Очень удобно в дороге или на пикнике.
Эффект термоэлектрического охлаждения, открытый французским физиком Ж. Пельтье в тридцатых годах XIX века, заключается в том, что при пропускании постоянного тока через термоэлемент, состоящий из двух проводников или полупроводников, в месте их соединения выделяется или поглощается (в зависимости от направления тока) некоторое количество теплоты. Долгое время эффект термоэлектрического охлаждения не находил практического применения из-за отсутствия достаточно эффективных материалов для термоэлементов, и только после ряда открытий в области полупроводниковой техники появилась возможность эффективно использовать это явление на практике.
В настоящее время эффект Пельтье используется в основном в переносных холодильниках, рассчитанных на работу от бортовой электросети автомобилей. Высокое энергопотребление термоэлектрических холодильников делает невыгодным производство средних и крупных бытовых холодильников, работающих на эффекте Пельтье.
Однако, термоэлектрические холодильники обладают рядом специфических достоинств, благодаря которым в некоторых областях человеческой деятельности у этих холодильников нет конкурентов. Среди этих достоинств стоит выделить чрезвычайно скромные габариты термоэлементов, их высокую надежность, обусловленную простотой конструкции, способность эффективно работать в условиях значительных ускорений/перегрузок. В отличии от компрессионных и абсорбционных холодильных агрегатов, термоэлементы без усложнения конструкции сохраняют работоспособность при переворачивании,при езде по бездорожью, можно класть на бок.
Есть одна «изюминка» в термоэлектрической конструкции. Как уже упоминалось, термоэлектрический эффект способен вызывать не только охлаждение, но и нагревание. Это зависит от направления тока. Поменяли контакты с помощью переключателя — и термохолодильник превращается в подогреватель помещенных в него охлажденных блюд (или, например, бутылочек с детским питанием). Очень удобно в дороге или на пикнике.
Цилиндрические холодильники
Еще на заре разработок бытовых холодильников всерьез обсуждалась цилиндрическая форма корпуса. Многих это только забавляло, но на самом деле идея полна глубокого практического смысла.
Начнем с того, что холодильник тем энергоэкономичнее, чем меньше отношение его поверхности к полезному объему. То есть чем меньше поверхность при том же объеме, тем меньше вырабатываемого холода теряется из-за излучения с поверхности и тем меньше энергии требуется для его работы при прочих равных условиях.
Например, если взять за единицу объем куба, а поверхность этого куба принять равной 100%, то параллелепипед такого же объема, но с соотношением сторон 0,7х0,7х2,1 (весьма распространенные пропорции холодильника) будет иметь условную поверхность 114%. И значит, такой параллелепипед будет терять на 14% больше холода, чем куб.
А цилиндр с соотношением диаметра и высоты 0,9 и 1,58 (тоже приемлемая пропорция для холодильника) имеет условную поверхность 96% и будет терять холода на 4% меньше, чем куб, и на 18% меньше, чем параллелепипед. Казалось бы, не так много, но при круглосуточной и круглогодичной работе набегает весьма существенная экономия.
Кроме того, холодильники в виде куба, цилиндра, шара будут легче, и на их изготовление пойдет меньше материала, чем на такие же по полезному объему холодильники в форме параллелепипеда.
Причем шар будет иметь поверхность наименьшую из возможных и равную 81% от поверхности куба...
Так что самая рациональная с точки зрения теплофизики конструкция холодильника — шаровидная! Но никто пока не смог придумать, как наилучшим образом использовать внутренний шаровидный объем такого холодильника, и где у такого холодильника будет дверь...
Следующая весьма экономичная конструкция — это цилиндр, эллиптический или круглый в сечении. Согласитесь, она вполне приемлема для бытовых условий, но долгое время появление цилиндрического холодильника сдерживал консервативный дизайн наших кухонь, где все подчинено прямым линиям. Поэтому тиражировались и продолжают тиражироваться модели самой проигрышной с энергетической точки зрения формы равновеликого по двум направлениям прямоугольного параллелепипеда.
Цилиндрические холодильники не только экономичнее с точки зрения расхода электроэнергии, но и легче, дешевле (материала на них идет меньше). Изготовление цилиндрического корпуса технологичнее и дешевле прямоугольного.
Цилиндрический холодильник имеет вращающиеся выдвижные стеклянные полки типа «Ленивая Сьюзен». Это название известно каждому американцу-завсегдатаю салунов и баров. Там этим именем называют вращающееся устройство, заменяющее нерасторопную раздатчицу тарелок с едой.
Вращающиеся полки цилиндрического холодильника облегчают доступ к нужным продуктам, а закаленное стекло, из которого они сделаны, обеспечивает удобный обзор всего содержимого холодильника.
И еще — теперь вместо проблемы: как разместить в углу или у стены непривычный цилиндрический холодильник? - возникло оригинальное дизайнерское решение: цилиндрический холодильник располагается посередине просторной кухни или в любом месте квартиры-студии, объединенной с кухней. В самом деле, почему он обязательно должен быть куда-то приткнут? Цилиндрические модели красивы, они возвышаются в пространстве как вполне самостоятельный элемент дизайна, наподобие колонны, и могут стать гвоздем интерьера.
Еще на заре разработок бытовых холодильников всерьез обсуждалась цилиндрическая форма корпуса. Многих это только забавляло, но на самом деле идея полна глубокого практического смысла.
Начнем с того, что холодильник тем энергоэкономичнее, чем меньше отношение его поверхности к полезному объему. То есть чем меньше поверхность при том же объеме, тем меньше вырабатываемого холода теряется из-за излучения с поверхности и тем меньше энергии требуется для его работы при прочих равных условиях.
Например, если взять за единицу объем куба, а поверхность этого куба принять равной 100%, то параллелепипед такого же объема, но с соотношением сторон 0,7х0,7х2,1 (весьма распространенные пропорции холодильника) будет иметь условную поверхность 114%. И значит, такой параллелепипед будет терять на 14% больше холода, чем куб.
А цилиндр с соотношением диаметра и высоты 0,9 и 1,58 (тоже приемлемая пропорция для холодильника) имеет условную поверхность 96% и будет терять холода на 4% меньше, чем куб, и на 18% меньше, чем параллелепипед. Казалось бы, не так много, но при круглосуточной и круглогодичной работе набегает весьма существенная экономия.
Кроме того, холодильники в виде куба, цилиндра, шара будут легче, и на их изготовление пойдет меньше материала, чем на такие же по полезному объему холодильники в форме параллелепипеда.
Причем шар будет иметь поверхность наименьшую из возможных и равную 81% от поверхности куба...
Так что самая рациональная с точки зрения теплофизики конструкция холодильника — шаровидная! Но никто пока не смог придумать, как наилучшим образом использовать внутренний шаровидный объем такого холодильника, и где у такого холодильника будет дверь...
Следующая весьма экономичная конструкция — это цилиндр, эллиптический или круглый в сечении. Согласитесь, она вполне приемлема для бытовых условий, но долгое время появление цилиндрического холодильника сдерживал консервативный дизайн наших кухонь, где все подчинено прямым линиям. Поэтому тиражировались и продолжают тиражироваться модели самой проигрышной с энергетической точки зрения формы равновеликого по двум направлениям прямоугольного параллелепипеда.
Цилиндрические холодильники не только экономичнее с точки зрения расхода электроэнергии, но и легче, дешевле (материала на них идет меньше). Изготовление цилиндрического корпуса технологичнее и дешевле прямоугольного.
Цилиндрический холодильник имеет вращающиеся выдвижные стеклянные полки типа «Ленивая Сьюзен». Это название известно каждому американцу-завсегдатаю салунов и баров. Там этим именем называют вращающееся устройство, заменяющее нерасторопную раздатчицу тарелок с едой.
Вращающиеся полки цилиндрического холодильника облегчают доступ к нужным продуктам, а закаленное стекло, из которого они сделаны, обеспечивает удобный обзор всего содержимого холодильника.
И еще — теперь вместо проблемы: как разместить в углу или у стены непривычный цилиндрический холодильник? - возникло оригинальное дизайнерское решение: цилиндрический холодильник располагается посередине просторной кухни или в любом месте квартиры-студии, объединенной с кухней. В самом деле, почему он обязательно должен быть куда-то приткнут? Цилиндрические модели красивы, они возвышаются в пространстве как вполне самостоятельный элемент дизайна, наподобие колонны, и могут стать гвоздем интерьера.
Био холодильник
Можно заполнить холодильник на 90% и при этом все продукты будут легко доступны, запахи не будут смешиваться, а продукты при этом не сохнут, так как конвекция отсутствует. Форма холодильника может меняться в зависимости от его наполнения. Чем больше продуктов в нем находится, тем больше места он занимает. Гель вытесняется, и полезный объем может увеличиться до 300%. Теперь холодильник занимает в несколько раз меньше места, по сравнению с его предшественниками. Даже само название - «холодильник» - уже не подходит, скорее это холодильная ванна, которую можно располагать как вертикально, так и горизонтально.
При расположении его на кухне не потребуется предусматривать пространство для открывания дверцы, камеру не надо мыть, и самое главное - он потребляет меньше электроэнергии. Встроенные био роботы могут идентифицировать продукт и выбирать оптимальную скорость охлаждения, температуру хранения. Процесс охлаждения сопровождается свечением геля — люминесценцией. Работа бытового прибора превращается в увлекательное зрелище.
Преимущества:
Процесс работы не требует затрат энергии на охлаждение продуктов;
Особенность конструкции, он в 4 раза меньше по сравнению с обычным холодильником, позволяет менять форму холодильника в зависимости от интенсивности его использования, становясь больше или меньше в зависимости от загрузки;
Отсутствие полок и дверей позволяет располагать его как вертикально так и горизонтально;
Гель не липкий, не имеет запаха;
Большая плотность хранения, объем используется максимально эффективно;
Продукты всегда на виду и легко доступны;
Полностью бесшумная работа, отсутствуют движущиеся детали.
Можно заполнить холодильник на 90% и при этом все продукты будут легко доступны, запахи не будут смешиваться, а продукты при этом не сохнут, так как конвекция отсутствует. Форма холодильника может меняться в зависимости от его наполнения. Чем больше продуктов в нем находится, тем больше места он занимает. Гель вытесняется, и полезный объем может увеличиться до 300%. Теперь холодильник занимает в несколько раз меньше места, по сравнению с его предшественниками. Даже само название - «холодильник» - уже не подходит, скорее это холодильная ванна, которую можно располагать как вертикально, так и горизонтально.
При расположении его на кухне не потребуется предусматривать пространство для открывания дверцы, камеру не надо мыть, и самое главное - он потребляет меньше электроэнергии. Встроенные био роботы могут идентифицировать продукт и выбирать оптимальную скорость охлаждения, температуру хранения. Процесс охлаждения сопровождается свечением геля — люминесценцией. Работа бытового прибора превращается в увлекательное зрелище.
Преимущества:
Процесс работы не требует затрат энергии на охлаждение продуктов;
Особенность конструкции, он в 4 раза меньше по сравнению с обычным холодильником, позволяет менять форму холодильника в зависимости от интенсивности его использования, становясь больше или меньше в зависимости от загрузки;
Отсутствие полок и дверей позволяет располагать его как вертикально так и горизонтально;
Гель не липкий, не имеет запаха;
Большая плотность хранения, объем используется максимально эффективно;
Продукты всегда на виду и легко доступны;
Полностью бесшумная работа, отсутствуют движущиеся детали.
Использованы материалы с сайтов: amtc.ru; general-electric-service.ru; bt-test.ru; newsroom.electrolux.com .
RSS Feed