室温磁制冷机的设计与制造研究

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随着经济的不断发展和人们生活水平的日益提高,日常生活中人们对于制冷器件的需求也不断提高。但是全球空气质量变差和气候变暖以及能源日益枯竭等使得传统气体压缩制冷机的高能耗与释放有害气体等副作用越来越引起人们的注意,因而室温磁制冷机凭借其环保无污染且高效节能等特点正慢慢成为研究热点。室温磁制冷机主要利用的是磁性材料的磁热效应,即磁性材料在绝热退磁时会从外界环境吸收热量,绝热励磁时会向外界放出热量,通过外加磁场的交替变化带动工作环境内的热量向外流动。本文的主要目的是设计和制作一台新型的室温磁制冷机,为此做了一系列的研究工作。首先通过归纳介绍了室温磁制冷的工作原理和室温磁制冷机的发展过程,并阐述了室温磁制冷机各个部件的功能与相互关系。然后设计了一种永磁体,为了降低实际制作时的试错成本,通过使用COMSOL Multiphysics软件对磁体进行了模拟和优化设计。接着优化设计了几种磁蓄冷器,这些蓄冷器具有不同的工质床形状、不同的磁工质形状和入口流速,通过使用COMSOL Multiphysics软件模拟研究了蓄冷器的速度场、压力场和温度场的分布情况。根据仿真优化结果确定蓄冷器的工质床采用双孔的结构,钆片厚度设计为1mm,蓄冷器入口流速设置为0.3m/s。为了确保磁工质的可靠性和使用寿命,研究了相关金属材料的腐蚀的种类、机理和常见的防腐措施,通过采用合适的换热液体和金属保护层来减少金属钆所受到的潜在腐蚀。通过腐蚀实验优化选择换热液体时发现:换热液体的碱性越强,金属钆受到的腐蚀越小,所以选择碱性的溶液作为换热液体;在腐蚀实验优化选择金属保护层时发现:合适的金属保护层能够有效地减小了金属钆所受到的腐蚀,铜保护层和铝保护层的保护效果相当,考虑到靶材的成本,选择铝作为金属保护层。基于上述的模拟和实验结果设计了一台室温磁制冷机,并按照设计实际制作了永磁体、磁蓄冷器、磁热循环系统和驱动控制系统等部件,最后组装出了一台新型室温磁制冷样机并进行了整机测试与结果分析。通过设定不同的磁滞时间和磁体移动速度对样机性能的影响测试,结果表明当磁滞时间为600ms,磁体移动速度为150mm/s时,样机的制冷效果最好,冷热端的温差可以达到12.3K。考虑一般压缩气体制冷机的温差一般为10度左右,所研制的磁致冷机的温差可以满足室温空调机的应用要求。
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