DE3843065A1 - Verfahren und vorrichtung zur kaelteerzeugung durch einen magnetokalorischen kreisprozess - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur kaelteerzeugung durch einen magnetokalorischen kreisprozess

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kälteerzeugung durch einen magnetokalorischen Kreisprozeß, bei welchem ein im Kreislauf geführtes Fluid, das im Wärmeaustausch steht mit einer Wärmequelle und einer Wärmesenke, in Wärmekontakt mit mehreren stufenweise angeordneten magnetischen Materialien gebracht wird, die sich jeweils in der Nähe ihrer Curietemperatur befinden, sowie die Anwendung des Verfahrens und der Vorrichtung zur Verflüssigung tiefsiedender Gase.
Die Kälteerzeugung mittels magnetokalorischem Kreisprozeß nutzt den bekannten physikalischen Effekt, daß sich ein magnetisierbares Material durch Einbringen in ein ausreichend hohes Magnetfeld um einen bestimmten Betrag erwärmt und nach Entfernung des Magnetfelds um den gleichen Betrag wieder abkühlt. Dieser Effekt kann zum Wärmetransport von einer Wärmequelle zu einer Wärmesenke herangezogen werden, indem ein Fluid in einem Kreislauf, bei dem das magnetische Material abwechselnd magnetisiert und entmagnetisiert wird, in wärmeübertragendem Kontakt mit dem magnetischen Material gebracht wird. Die Wärmequelle befindet sich dabei auf der kalten Prozeßseite, während die Wärmesenke auf der warmen Seite liegt.
Besonders groß sind die durch ein bestimmtes Magnetfeld hervorgerufenen Temperaturänderungen von magnetischen Materialien in der Nähe ihrer Curietemperaturen. Unter der Curietemperatur eines magnetisierbaren Materials versteht man die Temperatur oberhalb der ein ferromagnetisches Material in den paramagnetischen Zustand wechselt.
Ein magnetokalorischer Kreisprozeß arbeitet daher besonders effizient, wenn die zu überbrückenden Temperaturen sich in der Nähe der Curietemperatur des verwendeten magnetischen Materials befinden.
Ein Verfahren zur Kälteerzeugung mittels magnetokalorischem Kreisprozeß ist aus der US-PS 43 32 135 bekannt. Dort werden in Schichten angeordnete poröse magnetische Materialien in zyklischem Wechsel magnetisiert und entmagnetisiert, wobei sie zu bestimmten Zyklusabschnitten in Wärmekontakt mit einem Fluid gebracht werden, das Wärme von einer Wärmequelle zu einer Wärmesenke transportiert. Dabei werden die nach abnehmender Curietemperatur gestaffelt angeordneten magnetischen Materialien während eines Zyklusabschnitts durch hindurchströmendes Fluid erwärmt, wodurch gleichzeitig das Fluid stufenweise abgekühlt wird und daraufhin Wärme von der Wärmequelle aufnehmen kann. In einem weiteren Zyklusabschnitt wird das nun von der kalten Seite herkommende Fluid in Wärmekontakt mit den Schichten porösen magnetischen Materials stufenweise erwärmt und gibt seine Wärme an die Wärmesenke ab. Dadurch erfolgt eine Abkühlung auf die Ausgangstemperatur und der Zyklus kann von neuem beginnen.
Das bekannte Verfahren hat durch die Verwendung mehrerer, nach ihrer Curietemperatur gestaffelt angeordneter, magnetischer Materialien bereits einen Fortschritt gegenüber der Verwendung eines einzigen magnetischen Materials gebracht, da mit einem Zyklus ein größeres Temperaturintervall, hier 300K bis 20K, überbrückbar ist. In Zusammenhang mit der technischen Anwendung obengenannten Verfahrens treten jedoch folgende Probleme auf:
  • 1. Die Wärmeleitung innerhalb und zwischen den Schichten magnetischen Materials führt zu Verlusten.
  • 2. Die spezifische Wärme des Fluids ändert sich relativ wenig mit der Temperatur, während die spezifische Wärme von Festkörpern speziell für Temperaturen unter 100K mit steigender Temperatur stark zunimmt, wodurch eine optimale Anpassung der zwischen Fluid und magnetischem Material auszutauschenden Wärme erschwert wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren des eingangs geschilderten Standes der Technik so abzuwandeln, daß eine deutliche Verbesserung der Wärmeübertragung im magnetokalorischen Kreisprozeß möglich ist.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß, indem
  • a) das von der Wärmesenke herkommende unter Druck stehende Fluid in stufenweisem Kontakt mit den nach abnehmender Curietemperatur geordneten magnetischen Materialien abgekühlt wird, wobei nach jeder Stufe ein Teilstrom der darin abgekühlten Fluidmenge abgezweigt wird, und
  • b) die abgezweigten Teilströme in umgekehrter Reihenfolge mit von der Wärmequelle herkommendem Fluid stufenweise zusammengeführt und in Gegenrichtung in Kontakt mit den magnetischen Materialien erwärmt werden.
Das erfindungsgemäße Vorgehen hat zur Folge, daß die magnetischen Materialen der höheren, wärmeren Stufen mit größeren Fluidmengen in thermischem Kontakt treten als die magnetischen Materialien der unteren Stufen. Die Möglichkeit die Fluidströme, mit denen die magnetischen Materialien in stufenweisen Kontakt treten, an die speziellen Eigenschaften des magnetischen Materials anpassen zu können, erlaubt eine Optimierung der Wärmeübertragung und damit eine Wirkungsgradverbesserung. Als Fluide kommen jegliche Art von Gasen und Flüssigkeiten in Betracht, die eine Wärmeübertragung im gewünschten Temperaturintervall ermöglichen.
Die Erfindung ausgestaltend wird als Fluid ein Gas verwendet, welches unter überkritischem Druck steht.
Die Verwendung eines unter überkritischem Druck stehenden Gases als Wärmetauschfluid hat den Vorteil, daß ein guter Transport relativ großer Wärmemengen möglich ist und gleichzeitig unerwünschte etwaige Bildung von Flüssigphase vermieden wird. Die Bildung von Flüssigphase des wärmetauschenden gasförmigen Fluids würde eine empfindliche Störung des Prozeßgleichgewichts bewirken.
Aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften eignen sich zur Erzeugung tiefster Temperaturen besonders die Gase Helium, Wasserstoff und Neon.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Kälteerzeugung kann zweckmäßig zu einem Verfahren für die Verflüssigung eines tiefsiedenden Gases erweitert werden. Dazu wird, die Erfindung weiterbildend, das zu verflüssigende Gas als Fluid verwendet, wobei es in stufenweisem Kontakt mit den magnetischen Materialien abgekühlt und anschließend kälteleistend entspannt und dabei mindestens teilweise verflüssigt wird.
Das sich nach der kälteleistenden Entspannung bildende gasförmige Fluid kann als Kältemedium in anderen Teilen des Prozesses dienen und nach seiner dortigen Anwärmung zusammen mit dem Einsatzgas rückverflüssigt werden.
Dieses Verflüssigungsverfahren empfiehlt sich besonders für die Gase Helium, Wasserstoff und Neon, da deren Drücke am kritischen Punkt nicht allzu hoch sind und deshalb keine besonderen Vorkehrungen zur Abdichtung der Prozeßanlage notwendig sind.
Als besonders günstiger Arbeitsbereich hat sich das Temperaturintervall zwischen 77K und 20K erwiesen.
Von Vorteil ist hierbei die Verwendung von flüssigem Stickstoff als Wärmesenke, da dieser in der Regel problemlos verfügbar ist. Seine Herstellung kann durch konventionelle N2-Verflüssigung oder ebenfalls mittels eines eigenen separaten magnetokalorischen Kreisprozesses erfolgen, welcher auf die speziellen Arbeitsbedingungen der Stickstoff-Verflüssigung ausgelegt ist. Der durch den indirekten Wärmetausch mit "warmem" Helium- oder Wasserstoffgas verdampfende Stickstoff wird in seinen separaten Verflüssigungsprozeß zurückgeleitet, der analog der erfindungsgemäßen Helium/Wasserstoff-Verflüssigung arbeitet.
In Ausgestaltung der Erfindung wird damit vorgeschlagen, separate magnetokalorische Kreisprozesse derart hintereinanderzuschalten, daß die Wärmesenke des einen Prozesses durch verflüssigtes Fluid der nächsthöheren Stufe gespeist wird.
Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfaßt eine Wärmesenke und eine Wärmequelle, einen mit diesen in Wärmeaustausch stehenden Fluidkreislauf, einen oder mehrere Magneten zur Magnetfelderzeugung sowie separat angeordnetes magnetisches Material, das in Wärmekontakt mit dem Fluid steht.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß die magnetischen Materialien so angeordnet sind, daß die Temperatur, die ein magnetisches Material nach seiner Magnetisierung besitzt in der Nähe der Curietemperatur des magnetischen Materials der darüberliegenden Stufe liegt, und die Temperatur, die das magnetische Material nach seiner Entmagnetisierung besitzt, in der Nähe der Curietemperatur des magnetischen Materials der darunterliegenden Stufe liegt.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Materialien wird zweierlei bewirkt. Einerseits gewährt das zahnradartige Ineinandergreifen der Arbeitstemperaturen der Materialien, daß das in Wärmekontakt tretende Fluid kontinuierlich abgekühlt werden kann. Andererseits werden die abgezweigten Teilströme immer mit anzuwärmendem Fluid der gleichen Temperatur vermischt, was ebenfalls einen kontinuierlichen Prozeß der Temperaturerhöhung des Fluids über die gesamte Anordnung der Materialien gewährleistet.
Es ist zweckmäßig vorzusehen, das magnetische Material räumlich getrennt, mit Abstand voneinander anzuordnen.
Diese Vorrichtungsausgestaltung ermöglicht bequem den Abzug bzw. die Zumischung der Teilströme. Sie hat noch einen weiteren Vorteil, da die magnetischen Materialien untereinander nicht mehr in unmittelbaren Kontakt kommen, sondern nur noch Wärmekontakt über das Fluid besteht. Damit werden Störeinflüsse durch Wärmeleitung entlang der Anordnung unterbunden.
Weiterhin ist vorgesehen, jedem magnetischen Material eine eigene Magnetfelderzeugung zuzuordnen.
Diese Ausgestaltung ermöglicht eine optimale Anpassung des Magnetfeldes an die Arbeitstemperatur des jeweiligen magnetischen Materials.
Das magnetische Material wird bevorzugt so angeordnet, daß mit abnehmender Curietemperatur das vom Fluid durchströmte Volumen reduziert wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren sei im folgenden anhand der schematischen Fig. 1a und 1b sowie Fig. 2 beschrieben.
Fig. 1a zeigt das Entropie/Temperatur-Diagramm eines sogenannten Brayton-Zyklus unter Verwendung einer Monoschicht magnetischen Materials. Beim Brayton-Zyklus werden folgende Abschnitte durchlaufen:
I-II: Das magnetische Material wird durch Anlegen eines äußeren Magnetfeldes adiabatisch magnetisiert, was sich in einer Temperaturerhöhung äußert.
II-III: Das sich weiterhin im Hochfeld-Bereich H max befindende Material wird mit, von der kalten Seite (Wärmequelle) kommendem, Fluid gekühlt, das sich dabei gleichzeitig erwärmt.
III-IV: Eine weitere Abkühlung durch adiabatische Entmagnetisierung schließt sich an.
IV-I: Das sich im Niedrigfeld Bereich H min befindende magnetische Material wird mit Fluid, von der warmen Seite (Wärmesenke) kommend, erwärmt, wodurch sich das Fluid abkühlt.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden mehrere Schichten magnetischen Materials so angeordnet, daß ihre Arbeitstemperaturen einen kontinuierlichen Wärmeübergang an das Fluid ermöglichen. Eine derartige Anordnung zeigt Fig. 1b.
In Fig. 1b sind mehrere Schichten magnetischen Materials, welche jeweils einen Brayton-Zyklus durchlaufen, mit abnehmender Curietemperatur gestaffelt angeordnet. Eine Ausnahme davon können die oberste und unterste Schicht (hier nicht dargestellt) bilden, da sie sich ohne besondere Vorkehrungen ständig mit wärmetauschendem Fluid in Kontakt befinden, was zu einem isothermen Wärmeaustausch führt. Mit dieser Anordnung läßt sich der nachfolgend beschriebene Wärmetauschzyklus durchlaufen. Das von der Wärmesenke herkommende Fluid 5 wird in stufenweisem Kontakt 5′, 5′′ etc. mit den sich im Niedrigfeld-Bereich befindenden Materialien, die sich im Gegenstrom zum Fluid bewegen, abgekühlt. Nach Durchgang jeder Schicht wird ein Teilstrom des Fluidstromes abgezweigt 6, 6′, 6′′ etc. Das aus der letzten Stufe austretende Fluid gibt im Wärmeaustausch mit der Wärmequelle seinen Kälteinhalt ab und wird in Gegenrichtung in stufenweisem Kontakt 7, 7′, 7′′ etc. mit im Hochfeld-Bereich befindlichen magnetischen Materialien wieder erwärmt. Dabei werden die vorher abgezweigten Teilströme nach jeder Stufe sukzessive mit dem anzuwärmenden Fluidstrom zusammengeführt. So bildet beispielsweise Teilstrom 6′ zusammen mit Fluidstrom 7′′ den Fluidstrom 7′.
Fig. 2 zeigt den schematischen Aufbau des erfindungsgemäßen Verfahrens zur gleichzeitigen Verflüssigung des wärmetauschenden Fluids. Das zu verflüssigende gasförmige Fluid, beispielsweise Helium, Neon oder, bei zusätzlichem Einbau von Ortho-Para-Wandlern, Wasserstoff 1 wird in zwei Stufen C 1 und C 2 auf überkritischen Druck komprimiert, wobei vor der ersten bzw. zweiten Kompression aus dem magnetokalorischen Anlagenteil MC kommende Fluidströme 2 und 3 zugespeist werden. Der komprimierte gasförmige Fluidstrom 4 wird danach in indirektem Wärmetausch E 1 und E 2 mit Strömen, die den magnetokalorischen Anlagenteil verlassen, abgekühlt. Der Fluidstrom wird nun in Wärmekontakt mit den magnetischen Materialien in stufenweisem Kontakt 5, 5′, 5′′ etc. bis in die Nähe seines Siedepunktes (bei ca. 1 bar) abgekühlt. Dabei werden die Teilströme 6, 6′, 6′′ etc. nach jeder Stufe abgezweigt. Das in letzter Wärmekontaktstufe anfallende Fluid 8 wird in einem Drosselventil V entspannt und teilweise verflüssigt. Der flüssige Anteil 9 wird in einem geeigneten Behälter T gespeichert. Der gasförmige Anteil 10 wird rückgeführt und dient dabei zum Ausgleich von Wärmeverlusten im magnetokalorischen Anlagenteil MC und in indirektem Wärmetausch in E 2 und E 1 der Vorkühlung des abzukühlenden Fluidstromes 4, bevor er dem zu verflüssigenden Fluid wieder zugemischt wird. Die abgezweigten Teilströme 6, 6′, 6′′ etc. werden dem anzuwärmenden Fluid sukzessive unter Bildung des Fluidstromes 7′′, 7′, 7 wieder zugemischt und nach indirektem Wärmetausch in E 2 und E 1 dem zu komprimierenden Fluidstrom zugeleitet. Zur Vorkühlung E 2 und als Wärmesenke des magnetokalorischen Anlagenteils MC findet eine Flüssigkeit 12 Verwendung, die nahe dem oberen Temperaturniveau des magnetokalorischen Anlagenteils siedet und von diesem Wärme aufnehmen kann. Bei der Verflüssigung von Helium oder Wasserstoff entsprechend der Erfindung eignet sich beispielsweise flüssiger Stickstoff. Der sich bildende Dampf 13 dient im Wärmetauscher E 1 der weiteren Vorkühlung, wobei er auf Umgebungstemperatur angewärmt wird. Dieser warme Strom 14 kann in einer eigenen Verflüssigungsanlage nach konventionellem oder magnetokalorischem Prinzip rückverflüssigt werden.

Claims (11)

1. Verfahren zur Kälteerzeugung durch einen magnetokalorischen Kreisprozeß, bei welchem ein im Kreislauf geführtes Fluid, das in Wärmeaustausch steht mit einer Wärmequelle und einer Wärmesenke, in Kontakt mit mehreren stufenweise angeordneten magnetischen Materialien gebracht wird, die sich jeweils in der Nähe ihrer Curietemperatur befinden, dadurch gekennzeichnet, daß
  • a) das von der Wärmesenke herkommende unter Druck stehende Fluid in stufenweisem Kontakt mit den nach abnehmender Curietemperatur geordneten magnetischen Materialien abgekühlt wird, wobei nach jeder Stufe ein Teilstrom der darin abgekühlten Fluidmenge abgezweigt wird, und
  • b) die abgezweigten Teilströme in umgekehrter Reihenfolge mit von der Wärmequelle herkommendem Fluid stufenweise zusammengeführt und in Gegenrichtung in Kontakt mit den magnetischen Materialien erwärmt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Fluid ein Gas verwendet wird, welches unter überkritischem Druck steht.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Fluid gasförmiges Helium verwendet wird.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Fluid gasförmiger Wasserstoff verwendet wird.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Fluid gasförmiges Neon verwendet wird.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5 zur gleichzeitigen Verflüssigung eines tiefsiedenden Gases, dadurch gekennzeichnet, daß das zu verflüssigende Gas als Fluid verwendet wird, wobei es in stufenweisem Kontakt mit den magnetischen Materialien abgekühlt und anschließend kälteleistend entspannt und dabei mindestens teilweise verflüssigt wird.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß flüssiger Stickstoff als Wärmesenke verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß separate magnetokalorische Kreisprozesse derart hintereinander geschaltet werden, daß die Wärmesenke eines bei tiefen Temperaturen arbeitenden Kreisprozesses durch verflüssigtes Fluid eines bei höheren Temperaturen arbeitenden Kreisprozesses gespeist wird.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 umfassend eine Wärmesenke und eine Wärmequelle, einen mit diesen in Wärmeaustausch stehendem Fluidkreislauf, einen oder mehreren Magneten zur Magnetfelderzeugung, sowie mehrere magnetische Materialien, die in Wärmekontakt mit dem Fluid stehen, sowie mechanische Vorrichtungen, um die magnetischen Materialien in und aus den Magnetfeldbereich zu bewegen, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Materialien so angeordnet sind, daß die Temperatur die ein magnetisches Material nach seiner Magnetisierung besitzt, in der Nähe der Curietemperatur des magnetischen Materials der darüberliegenden Stufe liegt und die Temperatur, die das magnetische Material nach seiner Entmagnetisierung besitzt in der Nähe der Curietemperatur des magnetischen Materials der darunterliegenden Stufe liegt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Materialien räumlich getrennt, mit Abstand voneinander angeordnet sind.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das in Wärmekontakt mit dem Fluid tretende Volumen magnetischen Materials mit dessen sinkender Curietemperatur abnimmt.
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