磁制冷,未来家电制冷发展的新方案

为了阻止全球变暖,中国已经承诺,2030年碳排放达峰,2060年净碳排放归零,也就是所谓的“碳中和”(www.chishao.net)。作为世界工厂、全球碳排放量最大国家,“碳中和”的承诺,意味着我国即将迎来一场巨大的能源革命。

现如今,人类生活与制冷设备密切相关,从家用空调、冰箱到气体液化、工业制冷等设备无一不需要制冷技术。传统的制冷技术是以压缩气体式制冷为主,其工作气体主要有氨、二氧化碳和氟利昂等轻烃卤代物,这些都是造成大气环境污染的物质,从而引发温室效应。

但随着人们对环保的日益关注,传统制冷技术面临困境,而磁制冷技术是基于磁性材料的磁热效应、通过磁化和退磁过程的反复循环达到制冷目的的制冷技术,它无需破坏臭氧层和引起温室效应,是一种绿色环保的制冷技术。

据权威报道,2019年,国内制冷设备市场容量已经达到了1995亿元,同比2018年增长6.46%。预计到2025年,我国制冷设备行业市场规模将超过3000亿元。这些数字说明制冷设备具有广泛的市场,这对磁制冷设备的研制和生产创造了机遇和挑战。

01磁制冷技术的优势

磁制冷就是利用磁热效应,又称磁卡效应的制冷。磁热效应是指融制冷工质在等温磁化时向外界放出热量,而绝热去磁时温度降低,从外界吸收热量。磁制冷技术中的制冷工质是固态的磁性材料。

磁制冷原理示意图

与传统气体压缩-膨胀制冷技术相比,磁制冷所采用的制冷工质为磁性物质,对臭氧层无破坏作用,无温室效应产生,磁制冷只需要电磁体或超导体甚至永久磁体提供所需的磁场,无需压缩机,没有运动部件的连接和磨损等问题。

1、无环境污染

由于工质本身为固体材料以及可用水来作为传热介质,消除了因使用氟利昂、氨及碳氢化合物等制冷剂所带来的破坏臭氧层、有毒、易泄漏、易燃、易爆等损害环境的缺陷;

2、高效节能

磁制冷的效率可达到卡诺循环的30%~60%,而气体压缩制冷一般仅为5%~10%,节能优势显著;

3、易于小型化

由于磁工质是固体,其熵密度远远大于气体的熵密度,因而易于做到小型化;

4、稳定可靠

由于无需压缩机,运动部件少且转速缓慢,大幅降低振动与噪声,可靠性高,寿命长,便于维修。

5、其应用范围广

从μK、m K 直到室温以上均适用;在低温(制取液氮、液氦、液氢)领域和高温(特别是近室温)领域都有广泛应用前景;

因此,磁制冷设备机械振动及躁声小,可靠性好,寿命长;热效率高,磁制冷可以达到卡诺循环的30%~60%,而依靠气体压缩-膨胀的制冷循环一般只能达到卡诺循环的5%~10%。

02磁制冷材料

由于磁制冷技术具有绿色环保、高效节能、稳定可靠的特点,近些年来已经引起世界范围的广泛关注。美国、中国、荷兰、日本相继发现的几类室温乃至高温区巨磁热材料大大推动了人们对绿色环保磁制冷技术的期待,例如:Gd-Si-Ge、LaCaMnO 3、Ni-Mn-Ga、La(Fe,Si) 13基化合物、MnAs基化合物等。

这些新型巨磁热效应材料的共同特点是磁熵变均高于传统室温磁制冷材料Gd,相变性质为一级,并且多数呈现强烈的磁晶耦合特点,磁相变伴随显著的晶体结构相变的发生。

目前被广泛接受、最有可能实现高温乃至室温区磁制冷应用的是La(Fe,Si) 13基化合物,该合金具有原材料价格低廉,相变温度、相变性质、滞后损耗可随组分调节等特点,室温附近磁熵变高于Gd的一倍。

03磁制冷企业

2001年美国宇航公司(Astronautics Cooperation of America)联合Ames实验室开发成功了采用永磁体提供磁场的回转式磁制冷机,成为第一台室温磁制冷的制冷机。当前,低温区(20 K 以下)磁制冷的研究已比较成熟并实用化。高温区磁制冷还处于试验研究开发阶段,目前 80 K 至室温的磁制冷技术是研究的热点。

研究出低成本且具有巨磁卡效应的材料以及利用NdFeB 等永磁体产生外场(不用结构复杂而昂贵的超导磁体)是室温磁制冷关键。

目前,众多龙头企业已在激烈竞争研发改进磁制冷技术。磁制冷的全球电磁制冷市场当中主要的竞争者包括:Ubiblue(法国)、海尔智能家居有限公司(中国)、Camfridge Ltd(英国)、美国宇航公司(美国)、VACUUMSCHMELZE GmbH&Co.KG(德国)、BASF SE(德国)、ERAMET(法国)、三星电子有限公司(韩国)、东芝公司(日本)、惠而浦公司(美国)、MagnoTherm Solutions(德国)、Millipore Sigma(美国)、通用工程与研究(美国)、KIRSCH(德国)、CCS SA(瑞士)、TCS Micropumps Ltd(英国)、Kiutra(德国)和Cemafroid(法国)。

磁制冷技术作为一种新型环保节能制冷技术,必然有着广阔的发展前景,相信未来会有越来越多的公司进入这一市场。

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磁制冷面临的主要困难

1、每次磁制冷循环所产生的温差还不够大,只有1~3 K,磁性材料磁熵太小;

2、热交换速度不够快,使制冷周期延长,整个循环效率下降;

3、室温条件下,不利用超导技术,仍利用电磁铁或稀土永磁材料产生磁场,则两磁极面总存在空气隙,进入磁场的磁制冷材料有限,这要求有绝热效果好的隔热层。

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展望

磁制冷技术具有节能环保的特点,非常具有开发潜力,因此应用前景广阔,可用于家用、商业、工业生产、汽车空调、超级市场、医疗卫生事业及其他用途的制冷。

磁制冷技术要真正得以广泛应用,还需要在高性能磁性材料的开发、磁体和磁场结构的设计、蓄冷及换热技术的改进、磁制冷装置的设计等方面取得新的突破。

在极低温和液化氦等小型装置中,其高效、无污染、无噪声等众多特点使其在未来的太空开发和民用需要方面让人充满期待;在要求制冷源设备重量轻、振动和噪音小、操作方便、可靠性高、工作周期长、工作温度和冷量范围广的国防领域也有很好前景。

信息来源:电器微刊,制冷网

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