磁工质种类对磁制冷运行特性的影响

董丽玮 李陆伟

摘要：为分析磁工质种类对磁制冷运行特性的影响，采用Gd和LaFeCoSi基化合物两种磁工质，选取不同的对流换热时间，测量Gd对应的蓄冷器的冷端温度变化情况；选取不同的运行周期（工作频率），分析LaFeCoSi基化合物的冷端温度随时间的变化；最后选取相同的运行周期（工作频率）和对流换热时间进行试验，分析两种材料各自的性能，总结它们的优缺点，并为今后寻找更佳的磁工质材料提供研究方向。

Abstract： In order to analyze the influence of magnetic refrigerant species on magnetic refrigeration operation characteristics， two kinds of magnetic materials of Gd and LaFeCoSi-based compounds were used to select different convective heat exchange times， and the temperature change of the cold end of the regenerator corresponding to Gd was measured. Different operating cycles （operating frequencies） were selected to analyze the change of the cold junction temperature of LaFeCoSi-based compounds with time. Finally， the same operating cycle （operating frequency） and convective heat transfer time were selected to test the performance of the two materials， their advantages and disadvantages are summarized to provide research directions for finding better magnetic materials in the future.

关键词：磁制冷；磁工质；制冷性能实验；Gd；LaFeCoSi基化合物

Key words： magnetic refrigeration；magnetic refrigerant；refrigeration performance experiment；Gd；LaFeCoSi-based compound

中图分类号：TB61 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）31-0157-03

0 引言

磁制冷技术[1]是一种新型的环保制冷技术，与传统的制冷技术相比较具有以下优点：几乎无环境污染；高效节能；装置结构紧凑，噪声小。因此，磁制冷技术将来可以取代传统的制冷技术，是一種极具开发潜力的绿色环保制冷技术。1976年，G.V.Brown首次实现了室温磁制冷，标志着磁制冷技术的研究开始从低温转向室温[2]。2005年中科院以Gd粉末为工质，氮气为载冷剂，在磁场强度1.5-1.7T之间，获得了冷热端10.7K的最大温差[3]。丹麦科技大学的可持续能源国家实验室进行了旋转式磁制冷机的设计与性能研究[4]，采用Gd和La（FeCoSi）13作为磁工质，试验过程中制冷温跨达到了25.4K。为对比Gd和LaFeCoSi基化合物两种磁工质对磁制冷运行特性的影响，笔者选取一定的对流换热时间和工作频率对两种磁工质进行对比分析实验，旨为今后寻找更佳的磁工质材料提供研究方向。

1 实验装置

1.1 基本原理

磁制冷低温的产生是基于磁工质的磁热效应。当磁性工质所包围的磁场强度增加时，磁性工质内部磁矩由混乱变为有序，工质的熵减小，加磁过程放出热量；反之，当磁场强度减小至初始状态时，磁性工质内部磁矩由有序变为混乱，工质的熵增加，去磁过程吸收热量，原理图如图1所示。

1.2 实验装置

为研究两种磁工质在不同运行工况下加磁、退磁过程的制冷效果，搭建了一套往复式室温磁制冷实验台。系统原理图如图2所示，系统由冷凝器、水泵、电磁阀、永磁铁（1.5T）、磁床、热端1、热端2、冷端。永磁铁在磁床的左右两端进行往复运动，交替进行加磁、退磁过程。当永磁体对右端的磁床进行加磁时，右端磁工质熵减放热，放出的热量传递给换热流体水，然后磁体停止运动，水泵开始运行，水流从磁床冷端流向热端，将热量带走传递到热端2；同理，对左端磁床进行加磁时，水流反向，由冷端流向热端1，将热量传递给热端。在一个循环中，给一端加磁的同时，另一端退磁，冷端温度逐渐降低，而热端温度逐渐升高。

1.3 实验方法

为对比两种磁工质在不同对流换热时间和工作频率下的性能，对Gd提供一定的磁场移动速度，改变对流换热时间；对LaFeCoSi基化合物提供一定的对流换热时间，改变磁场移动速度；对两种材料同时提供相同的磁场移动速度周期（工作频率）和对流换热时间，测得蓄冷器冷端温度的变化。制冷性能试验共分三组进行：

①保持磁场移动速度为160mm/s不变的条件下，通过改变对流换热时间时间为（400ms，500ms，600ms，700ms，800ms），测得颗粒Gd蓄冷器冷端温度随时间的分布；

②保持对流换热时间为700ms不变的条件下，通过改变磁场移动速度，分别为100mm/s，130mm/s，160mm/s，测得颗粒LaFeCoSi基化合物蓄冷器冷、热端温度（制冷温跨）随时间的分布；

③选取相同的磁场移动速度周期（工作频率）和对流换热时间进行试验，对比分析Gd和LaFeCoSi基化合物两种磁性材料的制冷温跨随时间的变化。

1.4 温度测点布置

测点布置如图3所示，在磁制冷床的两个热端的水管上分别布置一个测点，在磁制冷床冷端的铜管上布置一个测点，然后用保温材料包好，在空中悬挂一个测点，从而测量蓄冷器冷端温度和热端温度及冷热端温差。

2 实验结果及分析

2.1 不同对流换热时间的温度测试

图4是室温保持18℃不变，对流换热时间分别为400ms，500ms，600ms，700ms，800ms时，Gd磁工质冷端温度随运行时间的变化关系。从图中可以看出，冷端温度的变化趋势基本一致，均先急剧下降，然后变化幅度减小，逐渐趋于稳定。其中对流换热时间为400ms时，大约在开机200s左右冷端温度开始呈缓慢增加的趋势；对流换热时间为500ms，600ms，700ms，800ms时，约400s之后，冷端温度几乎不再发生变化，制冷温跨基本维持恒定，表明低于居里温度点时，系统的制冷量在有限的时间内保持不变。对流换热时间过短时，水的热量不能被完全吸收，稳定后冷端温度较高；对流换热时间过长，冷却水循环流过冷端，而冷却水温度较高，使冷端温度升高。对流换热时间为500ms时，冷端温度达到最低约9.5℃，制冷温跨达到最大约8.5℃，系统性能最佳。

2.2 不同磁场移动速度（工作频率）的温度测试

图5为磁工质LaFeCoSi在不同磁场移动速度下制冷温跨随对流时间的变化曲线图。在其他条件相同的情况下，LaFeCoSi磁工质在移动速率为130mm/s时，温跨变化幅度最大；磁场移动速度为100mm/s时，在400ms-500ms时间内温跨大约保持3.2℃不变，在500ms-600ms和700ms-800ms温跨上升，在600ms-700ms温跨下降；磁场移动速度为160mm/s时，在400ms-500ms和700ms-800ms温跨下降，在500ms-700ms温跨上升；对比分析LaFeCoSi磁工质的制冷温跨随对流时间的变化，可以明显地发现，对于LaFeCoSi磁工质，随着磁场移动速度的增加，制冷温跨随之增加。

2.3 不同磁工质的温度测试

图6为两种磁工质的制冷温跨随时间变化的曲线图。在相同工作条件下，LaFeCoSi磁工質的温跨变化相对平稳，在0-100s时间内温跨大概保持16℃不变，在100s到200s处于降温阶段，200s以后制冷温跨维持在14℃左右不变；Gd磁工质的制的温跨在0-100s时间内迅速降低，而后逐渐趋于平稳，400s以后基本不再发生变化，最终温跨维持在9.5℃左右。对比分析两种磁工质的制冷温跨随时间的变化，可以明显地发现，LaFeCoSi磁工质冷端温度变化范围要小于Gd磁工质的冷端温度变化范围，冷端温度趋于平稳所需的时间也相对较短，且LaFeCoSi磁工质的平均制冷温跨要高于Gd磁工质的平均制冷温跨，LaFeCoSi磁工质在系统平稳运行下的冷端温度更接近于室温。Gd磁工质在系统稳定运行下的冷端温度相对偏低，因此可以应用于食品的冷却保鲜等方面。

3 结论

①对于Gd磁工质，控制磁场移动速度为160mm/s，对流换热时间为500ms时，系统对应的冷端达到最低温度，在开机大约400s时运行最为平稳，此时室温磁制冷机系统性能最佳。

②对于LaFeCoSi磁工质，控制对流换热时间为700ms，磁场移动速度为130mm/s 时，制冷温跨最低，制冷效果最好。

③控制磁场移动速度和对流换热时间相同的条件下，两种磁工质都具有较好的热磁效应，但磁工质Gd在室温磁制冷方面更具开发和利用前景。

参考文献：

[1]卢晓飞，刘永生，王玟苈，沈毓龙，司晓东，雷伟，杜文龙.磁制冷材料的研究进展[J].材料科学与工程学报，2017，35（05）：848-854.

[2]李振兴，李珂，沈俊，戴巍，高新强，郭小惠，公茂琼.室温磁制冷技术的研究进展[J].物理学报，2017，66（11）：13-29.

[3]包立夫，武荣荣，张虎.室温磁制冷材料的研究现状及发展前景[J].材料导报，2016，30（05）：17-22.

[4]栗鹏，姚冠辉，公茂琼，吴剑峰.采用永磁铁的室温磁制冷机实验研究[J].稀有金属，2005（04）：587-589.