自然对流磁制冷工作原理及影响因素试验研究

曾国刚 陈云贵 王宝木 唐永柏 巫江虹

(1四川大学材料科学与工程学院 成都 610064)

(2华南理工大学机械与汽车工程学院 广州 510640)

自然对流磁制冷工作原理及影响因素试验研究

曾国刚1陈云贵1王宝木1唐永柏1巫江虹2

(1四川大学材料科学与工程学院 成都 610064)

(2华南理工大学机械与汽车工程学院 广州 510640)

试验研究了自然对流磁制冷样机工作原理的可行性以及换热过程的影响因素。试验在环境温度和压力下进行，试验件是背面粘有锰铜加热丝的铝板。通过调节加热丝上的电压，调节热流量，来模拟磁制冷样机中工质的磁化过程。制冷工质相当于多个竖直矩形窄通道构成的圆环。试验件间隙分别为1.5、2.5、5和10 mm，宽为40 mm，高为50 mm。试验结果表明:板间距的大小对换热性能有很大影响，较小的板间距能很好的提高换热性能;板高与板间距之比对换热性能也有较大影响，较大的板高-板间距比可以得到较大的传热系数;自然对流磁制冷样机的工作原理是可行的。

磁制冷 自然对流 换热 板间距

1 引言

由于流体各部分温度不同而造成密度不同引起流体的流动称为自然对流［1］。流体自然流动与壁面间的换热称为自然对流换热。自然对流换热按流体流动是否受到干扰可分为两大类:大空间自然对流换热和有限空间(小空间)自然对流换热。

磁制冷是一种高效、环保的制冷技术［2-3］。磁制冷技术以磁热效应为基础，通过工质的磁化、退磁以及换热流体和工质的热交换实现制冷［4］。磁制冷样机中换热流体和工质的换热大多采用强制对流的方式，即换热流体在外力的作用下流过工质区与工质进行换热［5-7］。强制对流换热系数相对较大，但是流体流过工质需要驱动力，这在一定程度上会降低系统的制冷效率。本课题组在试验的基础上，设计了自然对流磁制冷样机。在该自然对流磁制冷样机工质(图1)中，换热流体(水)与工质之间的换热属于有限空间自然对流换热。许多学者对磁制冷样机中工质与换热流体之间的换热过程进行了实验［8-9］和数值模拟［10-11］，但是很少有学者研究自然对流磁制冷样机中换热流体与工质间的换热特性。Elenbaas［12］最早对竖直等截面内的自然对流进行了实验研究和理论分析，他的研究结果被后来的很多研究者参考。本文通过电加热的方式模拟自然对流磁制冷样机中工质的磁化过程，验证了自然对流磁制冷样机工作原理的可行性。

图1 工质平面图Fig.1 Ichnography of magnetic refrigerant

2 试验装置与过程

试验装置如图2所示。试验件为板间距δ可调(1.5、2.5、5、10 mm)，宽 a 为40 mm，高 H 为50 mm，厚度可以忽略的两块铝板。用铝板来模拟磁工质的原因是:用磁场来使磁工质磁化、退磁的真实的磁制冷过程，一种磁体只能作一个加热等级，要改变加热功率，必须重新做磁体，麻烦且投资大。用绕有加热丝的铝板作试验件，改变加热功率非常方便。但是，由于用电加热的方式只能模拟工质的磁化过程，而且工质的退磁和磁化是“对称”的过程，所以本文只对工质的磁化过程进行研究。

测量板温的热电偶用Ф0.12 mm的铜-康铜丝制成，热接点埋在铝板的板中央(铝板上钻有Ф2 mm的凹坑，将热接点放于其中，并用铝丝将其压紧)。温差热电偶接点粘在板中央距壁面0.6—0.8 mm的地方，以测量该处流体与板面的温度差。图2上所示的热电偶，T1是埋在铝板中，测出的温度是板温(Tw)，T2粘帖在距板表面0.6—0.8 mm处，它是温差热电偶，测出的温度表示该处流体与板表面的温度差，T3热电偶放在两板中间，测出的温度为流体的温度。在这里需要另加说明，对δ=1.5 mm的有限空间来说，T2测点既在板面附近，也近似在两板的中间，此种情况，T2测出的温度，即为主流流体的温度。而对于较大的板间距(δ＞1.5 mm)，T2测出的温度，处于T1、T3之间，可能是在流体边界层附近，可称为膜温，用T m表示。在试验时，还测量了离板面较远处的温度(室温)，在试验过程中没有太大变化，用T∝表示(图中未表示出)。(T3是放在两板之间的中心处的热电偶，由于板间距δ要经常调节，所以固定不太好，在流体流动冲刷下，有点微动，所以测出的温度值稳定性也稍差，只作参考值，其数据未正式应用。)

3 实验数据整理及误差分析

图2所示的试验装置装配好以后，连接好电源及二次测温仪器。前述工作准备好后，将试验件放在容积约为20 L的水槽中，检查各项准备工作的情况，无误，即可开始试验。

图2 试验装置示意图1，2.试验件;3，4.锰铜加热丝;5.开关;T1，T2，T3.热电偶。Fig.2 Diagram of experimental apparatus

试验时，先把记录仪调好，使处于工作状态。然后，通过调压器分档给试验件提供加热功率，记录仪即自动记录下不同加热功率对应的温度值。加热功率需要整理计算有关量:锰铜加热丝3电阻值46.1 Ω(含万用表接线)，加热丝4为46.5 Ω，近似取丝3阻值等于丝4阻值，为46 Ω。试验板的面积:A=40 mm×50 mm=2×10-3m2。

式中:Tw为板温，K;Tref为流体参考温度，K。

在试验过程中，电源用调压变压器供电，用数字电压表测量电压，测量误差约为2%。热电偶的二次表用多笔记录仪记录。热电偶(T1，T2，T3)用恒温水浴锅校准，测试结果可以精确到0.1 K，误差低于5%。

由于电压和温度测量的误差都在允许范围内，所以计算所得的热流密度(q)和传热系数(h)的误差也是可以接受的(低于5%)，即测试结果是可信的。

4 试验结果与分析

4.1 板间距对换热性能的影响

图3给出了板间距δ对传热系数的影响。从图中可以看出，随着加热速率的增大，传热系数总体来说也有相应的增大。当板间距较大时(δ=5，10 mm)，传热系数随加热速率变化不大，达到某一值后基本保持不变;当板间距较小时(δ=1.5，2.5 mm)，传热系数随加热速率变化很大，当达到某一临界值后继续增大加热速率，传热系数有减小的趋势。减小的原因可能是:板间距较小时，加热速率增大，流体流速迅速增大，阻力增加，导致传热系数降低。在某一确定的加热速率下，传热系数随着板间距的减小而增大。出现这种现象的原因是:加热时，两板附近的流体同时上升，速度和温度场相互促进，且随着板间距的减小，这种促进效果进一步增强。总的来说，板间距较小时的换热性能明显优于大的板间距。

图3 板间距(δ)对传热系数的影响Fig.3 Effects of gap depth on the heat transfer coefficient

4.2 H/δ对换热性能的影响

图4表示δ=1.5 mm时，H/δ对换热性能的影响。H/δ=33.5表示将试验板竖放(高H=50 mm，H/δ=26.7表示将试验板横放(高H=40 mm)。从图中可以看出，对于不同的H/δ值，加热速率对传热系数的影响效果大致相同，即传热系数随加热速率增大而增大，达到某一值后基本保持不变。在确定加热速率的条件下，H/δ对传热系数有很大的影响:H/δ值越大，传热系数也越大，即当板的换热面积确定后，较大的高度有助于提高换热性能。出现这种现象的原因是较大的板高有助于流体的流动在板间充分发展，从而使换热性能提高，传热系数增大。

图4 H/δ对传热系数的影响Fig.4 Effects of height-gap ratios on the heat transfer coefficient

4.3 自然对流磁制冷样机工作原理的可行性验证

4.3.1 自然对流磁制冷样机换热能力的验证

自然对流磁制冷样机的工作原理是:在磁化或退磁时，制冷工质的温度相应的升高或降低，与此同时，与之接触的换热流体由于温度差，发生自然对流现象，从而将磁化/退磁过程产生的热量/冷量带走，从而在工质两端形成一定的温度差，达到制冷的目地。在整个过程中，影响样机工作的主要因素是制冷工质和换热流体之间自然对流换热的强弱，即通过自然对流方式能否很好的将整个过程产生的热量/冷量带走。根据本实验室自然对流磁制冷样机的设计参数［13］:制冷工质(图 1)Gd 的使用量为 1 254 g，总换热面积A=0.197 m2;磁场强度为0.78 T;磁体转速为20 r/min。在该磁场强度下，制冷工质产生的绝热温变ΔT=1.3 K，理论制冷功率Qo=266.85 W，即平均热流密度为q=Qo/A≈1 355 W/m2。由牛顿公式，可知所需的理论传热系数h≈1 042 W/(m2·K)。由图3可以看出，实验所得的传热系数远大于理论换热系数。对于磁制冷样机而言，往往需要填充更多的制冷工质，增大样机的制冷量，这就需要工质的板间距很小。由3.1所得的结论可知，板间距越小传热系数越大，这就说明板间距较小时，自然对流传热系数的大小能够满足磁制冷装置中流体与工质的换热，即将自然对流换热运用到磁制冷领域是可行的。

4.3.2 自然对流磁制冷样机流体力学性能验证

由4.3.1可知，磁热效应产生的热量有效地传给蓄冷液是没有问题的。关键的问题是:载热(冷)的流体要在限定的时间内离开工质区，否则制冷效果就要受到影响。

自然对流由于温差造成单位体积流体上升(下降)的浮生力:F= ρ·g·β·ΔT，式中:ρ为体积质量，kg/m3;g为重力加速度(9.81 m/s2);β为体膨胀系数(2.8×10-4/K)。流体在上升过程中，浮生力所做的功转化为流体的动能，则有:F·L=mv2/2，其中L为工质盘的高度，m。由样机的设计参数可知，磁体转速为20 r/min，磁体占圆周角45°。45°所需的转动的时间t为:45×3/360=0.375 s。若 t.v＞L，则流体在限定的时间内能离开工质区;反之，则不能。通过计算可知，在磁化阶段t.v＞＞L，这说明流体在限定的时间内能充分离开工质区;由于退磁时间是磁化时间的3倍(1.125 s)，所以退磁阶段流体也有充分的时间离开工质区。因此，对于20 r/min的运行频率，自然对流磁制冷样机能形成有效的自然对流传热。

5 结论

本文通过电加热的方式模拟自然对流磁制冷样机中工质的磁化过程，研究了样机中换热过程的影响因素以及样机工作原理的可行性。试验结果表明:

(1)板间距的大小对换热效果有很大的影响，较小的板间距可以获得很好的换热性能。

(2)当换热面积确定后，较大的板高有助于提高换热性能。

(3)自然对流换热系数能很好的满足样机中换热流体与工质间的换热，即将自然对流换热运用到磁制冷领域是可行的。

(4)自然对流磁制冷样机中，载热(冷)的流体在限定的时间内能离开工质区，能形成有效的自然对流传热。

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12 Elenbaas W.Heat dissipation of parallel plates by free convection［J］.Physica，1942，9(1):1228.

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Experimental research on operation theory and impact factors of natural convective magnetic refrigeration

Zeng Guogang1Chen yungui1Wang Baomu1Tang Yongbai1Wu Jianghong2

(1College of Material Science and Engineering，Si Chuan University，Chengdu 610064，China)
(2School of Mechanical＆Automobile，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China)

Feasibility of the operation theory and impact factors of the heat transfer process for a natural convection typed magnetic refrigeration prototype were studied experimentally.The experiments were carried out at ambient temperature and pressure.The test part consisted of two aluminum plates with manganin heating wires stuck at back sides.The magnetic refrigerant magnetization of the magnetic refrigeration prototype was simulated through adjusting the heating voltages of heating wires，corresponding to adjust the heat flux.The magnetic refrigerant corresponds to an annulus that consists of many numbers of vertical narrow rectangular channels.The dimensions of the four channels investigated were 50 mm in height，40 mm in width and 1.5 mm，2.5 mm，5 mm and 10 mm in the gap depth respectively.The experiment results show that the gap depth and the height-gap ratio have significant effect on heat transfer performance，also indicate that the operation theory of the natural convective magnetic refrigeration prototype is feasible.

magnetic refrigeration;natural convection;heat transfer;gap depth

TB611，TB663

A

1000-6516(2013)01-0038-04

2012-11-26;

2013-02-05

国家自然科学基金(51176050)资助项目。

曾国刚，男，25岁，硕士研究生。