工作频率及环境温度对往复式磁制冷效果的影响

王琪 刘斌 陈爱强 李鹏

(天津商业大学天津市制冷技术重点实验室 天津 300134)

工作频率及环境温度对往复式磁制冷效果的影响

王琪 刘斌 陈爱强 李鹏

(天津商业大学天津市制冷技术重点实验室 天津 300134)

为分析不同工作频率和室温环境对往复式室温磁制冷系统制冷温跨的影响，设计了一套以Gd颗粒(粒径:0.3～0.5 mm)为磁工质的往复式室温磁制冷系统，并结合活性蓄冷器的换热特点对往复式室温磁制冷系统的制冷温跨进行实验分析。测量了在1.5 T的永磁铁场强下，室温磁制冷机在不同工作频率(0.07、0.12、0.16、0.19、0.22 Hz)及在不同室温工况(14.5、15.9、16.7、18.1℃)蓄冷器冷、热端温度的变化情况。研究表明，当工作频率为0.22 Hz时，系统的最大制冷温跨为12.8℃，并发现当Gd的温度低于其居里温度20℃时，不同室温对有限时间内磁制冷系统的制冷量无影响。

室温磁制冷;活性蓄冷器;制冷性能实验;Gd

AbstractTo analyze the influence of different working frequencies and room temperatures on the cooling span of a reciprocating roomtemperature magnetic refrigeration system，a setup for such a system was designed with granular Gd(particle size:0.3-0.5 mm)as the magnetic working mass.The cooling temperature of the reciprocating room-temperature magnetic refrigeration system was then analyzed，combined with the heat transfer characteristics in the active cooler during the experiment.A 1.5 T permanent magnet field strength was maintained，and the changes in the cold-and hot-end temperatures of the cold accumulator were measured at different operating frequencies(0.07，0.12，0.16，0.19，0.22 Hz)and room temperatures(14.5，15.9，16.7，18.1 ℃).The results show that，when the operating frequency is 0.22 Hz， the maximum refrigeration temperature span of the system is 12.8 ℃.Further， when the Gd temperature is lower than the Curie temperature of 20℃，the room temperature has no effect on the cooling capacity of the magnetic refrigeration system over a finite time period.

Keywordsroom temperature magnetic refrigeration;active magnetic regenerator;refrigeration performance test;gadolinium

磁制冷技术是一种新型绿色的制冷技术[1-2]，克服了常规制冷系统带来的臭氧层破坏和温室效应问题。由于磁工质的热力过程具有高度的可逆性[3]，其热力学完善度可达60% ～70%[4]，磁制冷技术所展现出的巨大优势使其日益受到重视，吸引了国内外诸多学者进行从低温到室温[5]的深入研究。1976年，G.V.Brown[6]首次将磁制冷技术应用于室温领域，开启了室温磁制冷技术的研究。随后，S.S.Rosenblum等[7]利用铁永磁体设计了一台室温磁制冷实验装置，实验发现工质钆在1.2 T的磁场中稳定工作后可得到1 W的制冷量和3℃的温降。2005年，栗鹏等[8]以Gd粉末为磁工质、氮气为载冷剂进行了相关研究，并在1.5～1.7 T磁场强度下获得了10.7 K的最大冷热端温差。2008年，西安交通大学的刘敏等[9]对圆柱型活性蓄冷器制冷性能进行了实验研究，研究表明，往复式系统在3 K的温跨下可获得11.35 W的最大制冷量，并且蓄冷器的制冷量和COP随温跨与温区的增加而减小。2012年，丹麦科技大学的K.Engelbrecht等[10]设计了一种采用永磁体磁场，以Gd和La(FeCoSi)13[11]为磁工质的旋转式磁制冷机，温跨可达25.4 K。目前，室温磁制冷研究较少且处于起始阶段，部分基本规律尚不明确，更加缺少不同工况下室温磁制冷机制冷效果的定量实验分析。因此，笔者采用布雷顿制冷循环[12]设计并建立了一套以颗粒Gd为磁工质、纯净水为换热介质的往复式室温磁制冷系统，并对不同工况下活性蓄冷器的冷热端温度和磁工质的绝热温变进行实验测量和定量分析，旨为室温磁制冷的研究与应用提供一定的借鉴。

1 实验装置

1.1 磁制冷基本原理

磁制冷技术基于磁工质的磁热效应[13-14]:当磁性工质所处磁场强度增加时，磁性材料内部磁矩由混乱状态变为有序，相应的磁性工质的熵会减少，磁材料放出热量;反之，当磁场强度恢复到初始状态时，磁性材料内部磁矩由有序变为混乱状态，相应的磁性工质的熵会增加，磁性材料吸收热量，如图1所示。

图1 磁热效应原理Fig.1 Principle of magnetocaloric effect

磁工质的熵由三部分构成:磁熵、晶格熵和电子熵，其中仅磁熵为磁场强度(H)的函数，对磁制冷量有贡献。磁工质熵的计算方法如式(1):

式中:T为温度，K;SM(H，T)，SL(T)，SE(T)分别为自旋体系熵(即磁熵)[15]、晶格熵和电子熵，J/K。

在一定温度T和外加磁场H下，自旋体系的磁熵变为:

式中:M为磁化强度，由外斯分子场近似理论计算[16]，A/m;N为单位体积内所含的磁性离子数;g为郎德因子;μB为波尔磁子，等于9.274 009 49×10-24

J/T;J为每个原子的总角动量量子数;BJ(α)为布里渊函数[17]。铁磁性材料在居里温度附近的磁熵变近似表示为:

式中:kB为玻尔兹曼常数，kB=1.380 650 5×10-23J/K，TC为居里温度，K[18]。

1.2 实验装置

为了研究磁工质Gd在不同运行工况下加磁、退磁过程的绝热温变及制冷效果，设计了一套往复式室温磁制冷系统，系统原理如图2所示，永磁铁在磁床E的左右两端进行往复运动，交替的进行加磁、退磁过程，当永磁体对右端的磁床进行加磁过程，右端磁工质放热，将热量传递给换热流体水，然后磁体静止，水泵运行，水流方向从磁床冷端H流向热端G，将热量带走传递到G;同理，对左端磁床进行加磁时，水流反向，由H流向F，将热量传递给F，完成一个循环之后，一端加磁的同时，伴随着另一端的退磁，冷端温度会逐渐降低，而热端温度逐渐升高。本实验磁床分为左右对称的圆柱型活性蓄冷器，各填充粒径为0.3～0.5 mm的Gd颗粒900 g，如图3所示。

图2 往复式室温磁制冷机原理Fig.2 Principle of a reciprocating room-temperature magnetic refrigerator

图3 圆柱型蓄冷器外形Fig.3 Outline of the cylindrical regenerator

1.3 实验方法

为分析往复式室温磁制冷机的制冷效果的影响因素，分别从不同工作频率和不同室温环境对制冷温跨的影响进行实验研究:1)在室温18℃时，通过改变磁场移动速度，对应不同的工作频率(见表1)条件下，分别对蓄冷器的冷端H、热端F和G进行温度测量分析。2)运用该系统对磁工质Gd的磁热效应(绝热温变Δtad，见公式(5)进行实验测试，并与理论值对比。3)在不同的室温环境14.5、15.9、16.7、18.1℃，保持工作频率0.22 Hz不变，对蓄冷器的冷端温度进行实验，分析环境温度对有限时间内的制冷温跨。

表1 不同运行频率工况Tab.1 Different operating frequency conditions

实验过程中截取一段时间，对磁工质每次加磁后的冷、热端温度进行测量标记，磁工质的在加磁过程中的绝热温变可以通过加磁后换热流体冷、热端温度之差近似来表征，如式(5)。主要原因在于本实验中，磁颗粒材料为很小的颗粒，换热流体直接和颗粒接触，流体温度近似于磁颗粒温度，因此流体温度变化可以代表磁颗粒温度的变化。

式中:th为热端温度，℃;tc为冷端温度，℃。

1.4 数据采集

温度采集模块的主要作用是采集系统(如图4所示)的温度，该温度采集模块有四路输出端口，可以同时采集四处温度变化，所用的温度传感器为PT100，精度等级:0.2级，将温度测点分布在冷端温度H、热端温度G和F及悬空布置的室温测点。

2 实验结果及分析

2.1 不同工作频率的温度测试

为分析室温磁制冷机在不同工作频率工况下的制冷效果，对不同工作频率下的冷热端温度变化、冷热端温差及热端、冷端温度进行分析对比，如图5～图8所示。

2.1.1 工作频率0.16 Hz的温度测试

在室温18℃时，测试了室温磁制冷机在不同运行频率(见表1)下活性蓄冷器的冷热端的温度变化，选取了工作频率为0.16 Hz磁制冷机的冷热端温度变化，如图5所示。

图4 温度采集模板Fig.4 Temperature acquisition template

图5 冷热端温差随运行时间的变化(f=0.16 Hz)Fig.5 Temperature difference between hot and cold side with the running time(f=0.16 Hz)

图5分析可得，当保持室温18℃不变，工作频率0.16 Hz的条件下，大概在400 s左右，冷热端的温度开始变化缓慢，并逐渐趋于稳定。并且冷端温度的下降速度大约为热端1和热端2温度上升速率的2倍，原因在于活性蓄冷器的冷端是两段磁床的共用冷端，制冷量是一个叠加量。同时磁导热换热时间约1 s，换热流体的温度上升1 K左右，而实验中在一个加磁过程中热端的上升温度接近，但存在差异，原因在于实验台每10 s记录一次，存在误差。其中热端温度分别维持在23.3℃和23.4℃冷端温度最低温度达到6.3℃，其中最大制冷温跨为11.7℃。大约在1 000 s，冷端温度开始有上升的趋势，可能原因在于该工况下磁制冷机冷端已经达到最低温度，热端的部分热量伴随流动传递到了冷端，使得冷端温度有略微的回升迹象。

2.1.2 不同工作频率的冷热温差

图6所示为室温保持18℃不变，工作频率分别为0.07、0.12、0.16、0.19、0.22 Hz 时，冷、热端温差随运行时间的变化。大概在400 s左右，除工作频率0.07 Hz以外的冷热端的温差开始变化缓慢，并渐渐趋于稳定，工作频率为 0.16 Hz，0.19 Hz，0.22 Hz 的冷热端温差比工作频率0.07 Hz的变化幅度大约提升了一倍，原因在于随着加磁，退磁频率的增加，即在有限时间内磁工质Gd的放热、吸热量增加，伴随着制冷量的增加，因此冷端的降温速率相应提升。在5种不同的工作频率工况下，室温磁制冷机所达到的最大冷热端温差分别为 13.7、15.5、16.2、17.2、18.1℃。且当工作频率为0.22 Hz时，可以实现的最大冷热端温差18.1℃。

图6 冷热端温差随运行时间的变化Fig.6 Temperature difference between hot and cold side with the running time

2.1.3 不同工作频率的热端温度对比

如图7所示，不同工作频率下的冷端温度的变化趋势一致，均先急剧上升，约在500 s时，5种工作频率对应的热端平均温度开始变化缓慢。可以发现，随着室温磁制冷机工作频率的增加，在500 s之前的热端温度上升速率越大，并且对应的稳定热端温度越高。

2.1.4 不同工作频率的冷端温度对比

如图8所示，不同工作频率下的冷端温度的变化趋势一致，均先急剧下降，大约在500 s时，5种工作频率对应的冷端温度逐渐趋于稳定。可以发现，随着室温磁制冷机工作频率的增加，在500 s之前的冷端温度下降速率越大，并且对应的稳定冷端温度越低。从图8中的左半部分可以发现，不同工作频率 0.07、0.12、0.16、0.19、0.22 Hz下，制冷温跨分别为9.0、11.1、11.7、12.3、12.8 ℃。 因此，提高工作频率，相应的室温磁制冷机的制冷温跨随之增加，为改善室温磁制冷机的制冷效果起到了指导作用。

图7 不同工作频率下热端温度随时间的变化关系Fig.7 Hot end temperature varies with time under different working condition of operating frequency changes in the relationship

图8 不同工作频率下冷端温度随时间的变化关系Fig.8 Cold end temperature varies with time under different working condition of operating frequency changes in the relationship

2.2 绝热温变的测量

通过实验直接测得的Gd工质的绝热温变Δtad，如图9所示。

图9 Gd绝热温变随时间的变化关系Fig.9 Variation of adiabatic temperature variation with time

如图9所示，从室温磁制冷机在加磁过程中，活性蓄冷器中磁性材料Gd的绝热温变，随运行时间的变化波动曲线，可以发现Gd所能达到最大绝热温变Δtad(即磁热效应)为3.8℃，略低于理论最大磁热效应4.2℃，原因在于实验用直接测量法测得磁热效应，有一定的测量误差，但在5% ～10%的允许误差之内。

2.3 室温环境的影响

在运行频率0.22 Hz时，在不同室温(14.5、15.9、16.7、18.1℃)的冷端温度随时间的变化，如图10所示。

图10 不同室温工况下冷端温度随时间的变化关系(f=0.22 Hz)Fig.10 Cold end temperature varies with time under different working condition of room temperature changes in the relationship(f=0.22 Hz)

如图10所示，在室温环境分别为14.5、15.9、16.7、18.1℃，工作频率f=0.22 Hz时，室温磁制冷所能达到的冷端最低温度分别为2.4、3.8、4.5、5.7℃。从总体来看，在4种不同室温环境下，冷端温度变化的趋势大致保持一致，起初冷端温度均迅速下降，大约在300 s左右，冷端温度开始变化缓慢，并逐渐保持稳定。可以发现室内环境温度越低，其冷端所能达到的最低温度就越小，最终冷端最低温度不再下降，达到稳定，其值不断接近2℃。由室温环境与冷端最低温度我们可发现，室温与冷端最低温度之间的温差(即制冷温跨)均维持在12℃左右，表明在低于居里温度点时，磁工质在有限时间内的制冷量保持不变，与室温环境无关。

3 结论

通过保持室温18℃不变时，选取不同工作频率和保持工作频率0.22 Hz不变时，选取不同室温，分别对往复式室温磁制冷机制冷温跨的实验分析，得到以下结论:

1)在不同的工作频率下，活性蓄冷器冷端温度均随着时间先急剧下降，然后逐渐趋于稳定，并且随着工作频率的增加，冷端温度越低，当工作频率为0.22 Hz时，制冷温跨最大为12.8℃。

2)在加磁过程中，磁工质Gd的绝热温变Δtad的直接测量值3.8℃与理论值4.2℃比较接近，从而验证该系统的实验可行性。

3)在不同的室温环境下，虽然室温越低，冷端达到的最低温度越低，但是其制冷温跨均保持在12℃左右，即低于Gd的居里温度20℃时，室温环境对有限时间内磁制冷系统的制冷量无影响。

本文受天津市科技支撑项目(142CZDNC00016)——微晶化速冻蔬菜加工及保鲜贮运技术集成示范资助。(The project was supported by Tianjin Science and Technology Support:microcrystalline quick-frozen vegetable processing and preservation of storage and transportation technology integration demonstration(No.142CZDNC00016).)

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Influence of Operating Frequency and Ambient Temperature on Reciprocating Magnetic Cooling

Wang Qi Liu Bin Chen Aiqiang Li Peng
(Tianjin Key Lab of Refrigeration Technology， Tianjin University of Commerce， Tianjin， 300134， China)

TB66;TB61+1

A

2016年12月30日

0253-4339(2017)05-0076-06

10.3969/j.issn.0253-4339.2017.05.076

刘斌，男，教授，博士，天津商业大学，15822518582，E-mail:lbtjcu@tjcu.edu.cn。研究方向:食品冷链技术。

About the corresponding authorLiu Bin，male， professor， Ph.D.， Tianjin University of Commerce， +86 15822518582，E-mail:lbtjcu@tjcu.edu.cn.Research fields:food cold chain technology.