CN112885549A - 一种磁制冷机回热器的磁相变材料的制备方法以及磁制冷循环系统 - Google Patents

一种磁制冷机回热器的磁相变材料的制备方法以及磁制冷循环系统 Download PDF

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Abstract

一种磁制冷机回热器的磁相变材料的制备方法以及磁制冷循环系统，涉及磁制冷机回热器结构技术领域。本发明的目的是要解决传统采用颗粒状填充的回热器结构流体流经该结构时压降较大、产生一定的热损失以及板材结构回热器比表面小、制冷效率低的问题。方法：利用金属锟轮的边缘蘸取熔融状态的合金液，同时在106K/s的冷却速率下进行冷却，形成纤维丝，放入充满氦气的密封石英管中，加热至1373K并保温5h，保温结束后水冷至室温，得到淬火后的纤维丝；将淬火后的纤维丝编织成单层网状结构的编织体，作为磁制冷机回热器的磁相变材料。本发明可获得一种磁制冷机回热器的磁相变材料的制备方法以及磁制冷循环系统。

Description

一种磁制冷机回热器的磁相变材料的制备方法以及磁制冷循 环系统
技术领域
本发明涉及磁制冷机回热器结构技术领域，具体涉及一种磁制冷机回热器的磁相变材料的制备方法以及磁制冷循环系统。
背景技术
蒸汽压缩制冷技术是目前世界主要的制冷方法。虽然这项技术有广泛的应用，但许多设备存在卡诺循环，其效率最高仅达25％。同时还存在与气体压缩制冷相关的臭氧层破坏及温室效应等环境问题。越来越多的研究人员正在探索更环保、更节能的制冷技术，并将其商业化。磁制冷技术是利用材料的磁热效应来进行制冷，磁热效应是指在绝热过程中制冷工质进入磁场中磁有序，磁熵减小，热量通过循环系统带到外部空间；制冷工质离开磁场中时，磁无序，磁熵增加，通过循环系统从环境中吸收热量。整个制冷过程中的核心是制冷工质和回热器结构。
传统回热器结构是颗粒状填充，流体通过流过颗粒状结构回热器吸收和放出热量。或是板材状结构回热器，流体通过平行板状结构的制冷工质，吸收和放出热量。但以上传统回热器结构，都存在一定不足，传统回热器结构采用颗粒状填充，虽然制冷工质比表面积大、制冷效果好，但流体流经该结构时压降较大，会产生一定的热损失。而板材结构比表面小制冷效率低，但其压降最小，热损失小。
发明内容
本发明的目的是要解决传统采用颗粒状填充的回热器结构流体流经该结构时压降较大、产生一定的热损失以及板材结构回热器比表面小、制冷效率低的问题，而提供一种磁制冷机回热器的磁相变材料的制备方法以及磁制冷循环系统，单层编织纤维结构磁制冷机蓄热器，其不但可以在达到有效制冷，降低热损失，以及减少粘结剂等问题，同时可以达到微米尺度的纤维磁制冷工质，可以实现微小尺度传热传质的基础上，还可以达到扩大制冷区间的效果，实现有效的高容量制冷。
一种磁制冷机回热器的磁相变材料的制备方法，按以下步骤完成：
一、将母合金铸锭进行吸铸，得到母合金预制棒；
二、将母合金预制棒放置于氮化硼坩埚内，母合金预制棒的下方使用氮化硼圆柱棒固定，调整好坩埚放置位置使金属锟轮边缘正对坩埚中心，感应加热线圈设置于氮化硼坩埚上部的外围；金属锟轮为中间厚边缘薄的楔形结构，开启金属锟轮转动，待金属锟轮运行平稳后开启感应加热线圈，设置纤维成型工艺参数，纤维成型工艺参数为：感应加热线圈的电流为19～28A，金属锟轮的线速度为25～35m/s，母合金的进料速度为1～8×10-5m/s；
三、利用转动的楔形结构金属锟轮的边缘在熔池中蘸取熔融状态的合金液，同时调整合金熔池高度保证金属锟轮始终蘸取熔融状态的合金液，合金熔体以10～80μm/s的进给速率向金属辊轮方向移动，在106K/s的冷却速率下进行冷却，形成直径只有10～80μm的纤维丝；
四、将纤维丝放入充满保护气体的密封石英管中，然后将石英管加热至1373K，并且在1373K下保温5h，保温结束后水冷至室温，使纤维进行淬火处理，得到淬火后的纤维丝；将淬火后的纤维丝编织成单层网状结构的编织体，作为磁制冷机回热器的磁相变材料。
进一步地，步骤一中所述的母合金铸锭的成分为La1.12Fe11.6Si1.4。
进一步地，所述的母合金预制棒的直径为Ф10mm，长度为12mm。
进一步地，所述的纤维丝的直径为30μm。
进一步地，所述的金属锟轮的直径为300mm，夹角为60°。
进一步地，步骤二中开启金属锟轮转动的转速为1700r/min。
进一步地，步骤二中所述的纤维成型工艺参数为：感应加热线圈的电流为22.3A，金属锟轮的线速度为30m/s，母合金的进料速度为3×10-5m/s。
进一步地，步骤四中所述的保护气体为氦气。
一种磁制冷循环系统，包括冷测的热交换器、电磁阀、磁相变材质的网格、磁铁、泵、磁相变回热器、单向阀和热侧的热交换器；
所述的冷测的热交换器进液口分别与热侧的热交换器的出液口和磁相变回热器的出液口连通；冷测的热交换器与磁相变回热器之间设置有泵；冷测的热交换器与磁相变回热器及热侧的热交换器之间设置有电磁阀；磁相变回热器的进液口与热侧的热交换器的进液口分别与冷测的热交换器出液口连通；所述磁相变回热器的内部设置有磁相变材质的网格，磁相变回热器的外壁上设置有磁铁，所述的磁相变材质的网格采用单层网状结构的编织体制得。
本发明的有益效果：
(1)本发明提出一种环保、绿色高效磁制冷机蓄热器结构，不但可以达到有效制冷，降低热损失，以及减少粘结剂等问题，同时可以达到微米尺度的纤维磁制冷工质，可以实现微小尺度传热传质，并且可以通过纤维自身微小结构、比表面积大的特点，提高制冷工质材料的磁热效应。本发明编织结构纤维体通过熔体抽拉的方式制备，可以大大降低纤维直径，同时可有效调节预设制冷工质纤维直径大小，同时本发明纤维编织结构蓄热器可以有效改善制冷效率以及扩大制冷区间；
(2)纤维编织体结构磁制冷机蓄热器相同频率下，不同质量流量下的比制冷能力图，制冷能力随质量流量的增大先增大后迅速降低。因此综合考虑制冷能力与能耗，选择较小的质量流量。出现先增大后减小的原因：随着质量流量增大，换热流体增多，所以换热量增大。但是同时，质量流量过大时，导致其流体温度、磁制冷材料工质温度之间差别减小，因此换热量减小。随着频率的增高，其最大比制冷能力增大，同时最高点右移，即如果单纯以质量流量为评价指标，则随着频率增大，最优质量流量增大。
(3)纤维编织体结构磁制冷机蓄热器相同频率下，不同蓄热器纵横比的比制冷能力图，对于单一居里温度磁制冷工质来讲，随着纵横比的增大，其比制冷能力缓慢降低。因为纵横比增大，蓄热器的长度增大，导致压力降增大，因此其制冷能力降低。
(4)纤维编织体结构磁制冷机蓄热器相同频率下，不同冷热端温差工况下的比制冷能力图，对于编织体结构而言，其比制冷能力随冷热端温差的提高而直线下降。不过编织体结构在单一居里温度磁制冷工质的情况下，处于较大的冷热端温差(15K)时仍具有一定的制冷能力，证明编织体结构一定程度上可以提高实际使用的冷热端温差，同时在环境温度波动的条件下，如果冷热端温差有较小的波动，不会导致制冷机失效。
本发明可获得一种磁制冷机回热器的磁相变材料的制备方法以及磁制冷循环系统。
附图说明
图1为磁制冷循环系统的结构示意图，1为冷侧的热交换器，2为电磁阀，3为磁相变材质的网格，4为磁铁，5为泵，6为磁相变回热器，7为热交换液，8为单向阀，9为热侧的热交换器；
图2为磁相变材质的网格的结构示意图；
图3为La1.12Fe11.6Si1.4合金纤维的SEM图；
图4为单层金属纤维编织体结构实物图；
图5为纤维编织体结构磁制冷机蓄热器磁场和流场分布图，A代表归一化质量流量，B代表外加磁场；
图6为纤维编织体结构磁制冷机蓄热器相同频率下，不同质量流量下的比制冷能力图，A代表比制冷能力；
图7为纤维编织体结构磁制冷机蓄热器相同频率下，不同蓄热器纵横比的比制冷能力图，A代表1Hz，B代表2Hz，C代表3Hz，D代表4Hz，E代表5Hz；
图8为纤维编织体结构磁制冷机蓄热器相同频率下，不同冷热端温差工况下的比制冷能力图，A代表1Hz，B代表2Hz，C代表3Hz；
图9为本发明La1.12Fe11.6Si1.4纤维丝的制备示意图，其中，金属锟轮为铜锟轮。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种以单层编织纤维体作为磁制冷机回热器的磁相变材料的制备方法，按以下步骤完成：
一、将母合金铸锭进行吸铸，得到母合金预制棒；
二、将母合金预制棒放置于氮化硼坩埚内，母合金预制棒的下方使用氮化硼圆柱棒固定，调整好坩埚放置位置使金属锟轮边缘正对坩埚中心，感应加热线圈设置于氮化硼坩埚上部的外围；金属锟轮为中间厚边缘薄的楔形结构，开启金属锟轮转动，待金属锟轮运行平稳后开启感应加热线圈，设置纤维成型工艺参数，纤维成型工艺参数为：感应加热线圈的电流为19～28A，金属锟轮的线速度为25～35m/s，母合金的进料速度为1～8×10-5m/s；
三、利用转动的楔形结构金属锟轮的边缘在熔池中蘸取熔融状态的合金液，同时调整合金熔池高度保证金属锟轮始终蘸取熔融状态的合金液，合金熔体以10～80μm/s的进给速率向金属辊轮方向移动，在106K/s的冷却速率下进行冷却，形成直径只有10～80μm的纤维丝；
四、将纤维丝放入充满保护气体的密封石英管中，然后将石英管加热至1373K，并且在1373K下保温5h，保温结束后水冷至室温，使纤维进行淬火处理，得到淬火后的纤维丝；将淬火后的纤维丝编织成单层网状结构的编织体，作为磁制冷机回热器的磁相变材料。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点是：步骤一中所述的母合金铸锭的成分为La1.12Fe11.6Si1.4。
其他步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同点是：所述的母合金预制棒的直径为Ф10mm，长度为12mm。
其他步骤与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：所述的纤维丝的直径为30μm。
其他步骤与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：所述的金属锟轮的直径为300mm，夹角为60°。
其他步骤与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点是：步骤二中开启金属锟轮转动的转速为1700r/min。
其他步骤与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同点是：步骤二中所述的纤维成型工艺参数为：感应加热线圈的电流为22.3A，金属锟轮的线速度为30m/s，母合金的进料速度为3×10-5m/s。
其他步骤与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同点是：步骤四中所述的保护气体为氦气。
其他步骤与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：本实施方式一种磁制冷循环系统，包括冷测的热交换器1、电磁阀2、磁相变材质的网格3、磁铁4、泵5、磁相变回热器6、单向阀8和热侧的热交换器9；
所述的冷测的热交换器1进液口分别与热侧的热交换器9的出液口和磁相变回热器6的出液口连通；冷测的热交换器1与磁相变回热器6之间设置有泵5；冷测的热交换器1与磁相变回热器6及热侧的热交换器9之间设置有电磁阀2；磁相变回热器6的进液口与热侧的热交换器9的进液口分别与冷测的热交换器1出液口连通；所述磁相变回热器6的内部设置有磁相变材质的网格3，磁相变回热器6的外壁上设置有磁铁4，所述的磁相变材质的网格3采用单层网状结构的编织体制得。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式九不同点是：所述的磁相变回热器6的长度为0.05m，横截面积为6.25e-04m2。
其他步骤与具体实施方式九相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例1：一种以单层编织纤维体作为磁制冷机回热器的磁相变材料的制备方法，按以下步骤完成：
一、在真空电弧炉中熔炼出La1.12Fe11.6Si1.4成分母合金铸锭，每种元素按原子百分比进行混合熔炼，再将母合金铸锭进行吸铸，得到直径为Ф10mm、长度为12mm的母合金预制棒；
二、将母合金预制棒放置于氮化硼空心圆柱体坩埚内，母合金预制棒的下方使用氮化硼圆柱棒固定，调整好坩埚放置位置使金属锟轮边缘正对坩埚中心，感应加热线圈设置于氮化硼坩埚上部的外围；金属锟轮为中间厚边缘薄的楔形结构，金属锟轮的直径为300mm，夹角为60°；开启金属锟轮转动并保持1700r/min的转速，，待金属锟轮运行平稳后开启感应加热线圈，母合金预制棒熔化在表面张力作用下形成向上凸起熔潭，用电脑控制面板设置纤维成型工艺参数，纤维成型工艺参数为：感应加热线圈的电流为22.3A，金属锟轮的线速度为30m/s，母合金的进料速度为3×10-5m/s；
三、利用转动的楔形结构金属锟轮的边缘在熔池中蘸取熔融状态的合金液，同时调整合金熔池高度保证金属锟轮始终蘸取熔融状态的合金液，合金熔体以10～80μm/s的进给速率向金属辊轮方向移动，在106K/s的冷却速率下进行冷却，形成直径只有30μm的纤维丝，具体制备流程如图9所示。
四、将纤维丝放入充满氦气的密封石英管中，然后将石英管加热至1373K，并且在1373K下保温5h，保温结束后水冷至室温，使纤维进行淬火处理，得到淬火后的纤维丝；将淬火后的纤维丝编织成单层网状结构的编织体，作为磁制冷机回热器的磁相变材料。选择该材料的物性包进行数值模拟的方法对编织体结构回热器的磁场，和流场分布情况进行模拟。纤维编织体回热器长度为0.05m，横截面积为6.25e-04m2；
如图3所示，可以看出纤维的直径可以达到30μm，并且表面非常均匀，可以作为编织纤维材料，图5是模拟纤维编织体结构长度为0.05m，横截面积为6.25e-04m2磁制冷机磁场和流场分布图，τ为周期，归一化质量流量是指质量流量除以最大质量流量，可以看出该结构可以进行制冷。
实施例2：利用数值模拟对实施例1中的纤维编织体结构磁制冷机回热器在相同频率下、不同质量流量下的比制冷能力进行验证，具体验证参数见表1：
表1
Figure BDA0002889806850000061
Figure BDA0002889806850000071
如图7所示，纤维编织结构磁制冷机回热器相同频率下，不同质量流量下的比制冷能力图，制冷能力随质量流量的增大先增大后迅速降低。因此综合考虑制冷能力与能耗，选择较小的质量流量。出现先增大后减小的原因：随着质量流量增大，换热流体增多，所以换热量增大。但是同时，质量流量过大时，导致其流体温度、磁制冷材料工质温度之间差别减小，因此换热量减小。随着频率的增高，其最大比制冷能力增大。同时最高点右移。即如果单纯以质量流量为评价指标，则随着频率增大，最优质量流量增大。
实施例3：利用数值模拟对实施例1中的纤维编织体结构磁制冷机回热器在相同频率下、不同回热器纵横比的比制冷能力图，具体验证参数见表2：
表2
Figure BDA0002889806850000072
Figure BDA0002889806850000081
如图8所示，纤维编织体结构磁制冷机回热器相同频率下，不同回热器纵横比的比制冷能力图，对于单一居里温度磁制冷工质来讲，随着纵横比的增大，其比制冷能力缓慢降低。因为纵横比增大，蓄热器的长度增大，导致压力降增大，因此其制冷能力降低。
实施例4：利用数值模拟对实施例1中的纤维编织体结构磁制冷机回热器在相同频率下、不同冷热端温差工况下的比制冷能力图，具体验证参数见表3：
表3
Figure BDA0002889806850000082
Figure BDA0002889806850000091
如图6所示，纤维编织结构磁制冷机回热器相同频率下，不同冷热端温差工况下的比制冷能力图，对于编织体结构而言，其比制冷能力随冷热端温差的提高而直线下降。不过编织体结构在单一居里温度磁制冷工质的情况下，处于较大的冷热端温差(15K)时仍具有一定的制冷能力，证明编织体结构一定程度上可以提高实际使用的冷热端温差，同时在环境温度波动的条件下，如果冷热端温差有较小的波动，不会导致制冷机失效。

Claims (10)

1.一种磁制冷机回热器的磁相变材料的制备方法，其特征在于该制备方法按以下步骤完成：
一、将母合金铸锭进行吸铸，得到母合金预制棒；
二、将母合金预制棒放置于氮化硼坩埚内，母合金预制棒的下方使用氮化硼圆柱棒固定，调整好坩埚放置位置使金属锟轮边缘正对坩埚中心，感应加热线圈设置于氮化硼坩埚上部的外围；金属锟轮为中间厚边缘薄的楔形结构，开启金属锟轮转动，待金属锟轮运行平稳后开启感应加热线圈，设置纤维成型工艺参数，纤维成型工艺参数为：感应加热线圈的电流为19～28A，金属锟轮的线速度为25～35m/s，母合金的进料速度为1～8×10-5m/s；
三、利用转动的楔形结构金属锟轮的边缘在熔池中蘸取熔融状态的合金液，同时调整合金熔池高度保证金属锟轮始终蘸取熔融状态的合金液，合金熔体以10～80μm/s的进给速率向金属辊轮方向移动，在106K/s的冷却速率下进行冷却，形成直径只有10～80μm的纤维丝；
四、将纤维丝放入充满保护气体的密封石英管中，然后将石英管加热至1373K，并且在1373K下保温5h，保温结束后水冷至室温，使纤维进行淬火处理，得到淬火后的纤维丝；将淬火后的纤维丝编织成单层网状结构的编织体，作为磁制冷机回热器的磁相变材料。
2.根据权利要求1所述的一种磁制冷机回热器的磁相变材料的制备方法，其特征在于步骤一中所述的母合金铸锭的成分为La1.12Fe11.6Si1.4。
3.根据权利要求1所述的一种磁制冷机回热器的磁相变材料的制备方法，其特征在于所述的母合金预制棒的直径为Ф10mm，长度为12mm。
4.根据权利要求1所述的一种磁制冷机回热器的磁相变材料的制备方法，其特征在于所述的纤维丝的直径为30μm。
5.根据权利要求1所述的一种磁制冷机回热器的磁相变材料的制备方法，其特征在于所述的金属锟轮的直径为300mm，夹角为60°。
6.根据权利要求1所述的一种磁制冷机回热器的磁相变材料的制备方法，其特征在于步骤二中开启金属锟轮转动的转速为1700r/min。
7.根据权利要求1所述的一种磁制冷机回热器的磁相变材料的制备方法，其特征在于步骤二中所述的纤维成型工艺参数为：感应加热线圈的电流为22.3A，金属锟轮的线速度为30m/s，母合金的进料速度为3×10-5m/s。
8.根据权利要求1所述的一种磁制冷机回热器的磁相变材料的制备方法，其特征在于步骤四中所述的保护气体为氦气。
9.一种磁制冷循环系统，其特征在于所述磁制冷循环系统包括冷测的热交换器(1)、电磁阀(2)、磁相变材质的网格(3)、磁铁(4)、泵(5)、磁相变回热器(6)、单向阀(8)和热侧的热交换器(9)；
所述的冷测的热交换器(1)进液口分别与热侧的热交换器(9)的出液口和磁相变回热器(6)的出液口连通；冷测的热交换器(1)与磁相变回热器(6)之间设置有泵(5)；冷测的热交换器(1)与磁相变回热器(6)及热侧的热交换器(9)之间设置有电磁阀(2)；磁相变回热器(6)的进液口与热侧的热交换器(9)的进液口分别与冷测的热交换器(1)出液口连通；所述磁相变回热器(6)的内部设置有磁相变材质的网格(3)，磁相变回热器(6)的外壁上设置有磁铁(4)，所述的磁相变材质的网格(3)采用权利要求1所述的单层网状结构的编织体制得。
10.根据权利要求9所述的一种磁制冷循环系统，其特征在于所述的磁相变回热器(6)的长度为0.05m，横截面积为6.25e-04m2。
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