Магнитная система теплоэнергетической установки на постоянных магнитах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.08, кандидат наук Габриелян, Давид Александрович

• Габриелян, Давид Александрович
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Габриелян, Давид Александрович

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

Глава 1. Обзор научно-технической информации по

магнитотепловым энергоустановкам. Постановка задачи исследования

1.1. Магнитная холодильная машина

1.2. Термомагнитный генератор

1.3. Магнитотепловой двигатель

1.4. Магнитные системы магнитотепловых энергоустановок

1.5. Постановка задачи

Глава 2. Математическое моделирование магнитостатики и нестационарного теплообмена в магнитотепловом двигателе

2.1. Решение задач магнитостатики

2.1.1. Тестовые задачи № 1 и №2

2.1.2 Тестовая задача №3. Расчетная модель и измерительный стенд

2.2. Решение задач теплообмена между активными рабочими элементами и теплоносителем

2.2.1 .Аналитическое решение процесса теплообмена

2.2.2. Численное моделирование теплообмена

2.2.3. Результаты расчета теплообмена

2.3. Выводы по главе 2

Глава 3. Разработка магнитной системы для магнитотепловых

устройств

3.1. Способы реализации необходимого распределения магнитной поля

в системах

3.2. Система с однородным распределением магнитного поля

3.3. Система с различными направлениями векторов намагниченности

постоянных магнитов

3.4 Системы с неоднородным распределением магнитного поля

3.4.1 Использование различных магнитотвердых материалов

3.4.2 Изменение геометрических параметров постоянных магнитов

3.4.3 Использование магнитных экранов и наконечников

3.4.4 Комбинация способов реализации необходимого распределения

магнитного поля в межполюсном зазоре системы

3.5. Выводы по Главе 3

Глава 4. Экспериментальное исследование крутящего момента,

созданного магнитной системой

4.1. Экспериментальная установка

4.2. Описание измерительных приборов

4.3. Оценка погрешности результатов экспериментов

4.4. Модель магнитной системы и размеры активных рабочих

элементов

4.5. Аналитический расчет механической мощности магнитотеплового двигателя

4.6. Экспериментальное исследование мощности лабораторной модели магнитотеплового двигателя и силы притяжения магнитной системы

4.7. Сравнение результатов расчета силы магнитной системы с экспериментальными данными

4.8. Сравнение характеристик магнитотеплового двигателя, термоэлектрического генератора и трехкаскадного фотоэлемента

4.9. Перспективы применения магнитотеплового двигателя

4.10. Выводы по главе 4

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Магнитная система теплоэнергетической установки на постоянных магнитах»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

Создание космической станции во многом зависит от ее системы электроснабжения, которая существенно влияет на общую массу станции, надежность, управление и стоимость. Большие размеры, множество потребителей, обеспечение возможности дальнейшего совершенствования такой станции выдвигают ряд требований к энергоснабжению космических систем, среди которых способность

о

адаптироваться к постоянно меняющимся нагрузкам, что делает ее аналогичной автономной наземной энергетической установке.

Проблеме создания космических систем электроснабжения посвящено много работ [1, 2], в которых рассматриваются различные источники электрической энергии, преобразователи и распределители электроэнергии. Это - фотоэлектронные преобразователи солнечной энергии - кремниевые элементы (8x8 см) с электрохимическим накоплением энергии (никель-кадмиевые и никель-водородные батареи) [2]; источники, построенные на преобразовании солнечной энергии в тепловую с термическим накоплением энергии путем генерации кислорода и водорода в процессе электролиза воды; атомные энергетические установки [2]. Однако они имеют ряд недостатков. Так, фотоэлектронные преобразователи имеют низкий КПД, а метод накопления электрической энергии имеет низкую эффективность и надежность. Для атомных станций необходим массивный экран для защиты от радиации.

Вместе с тем перспектива индустриального освоения космического пространства в мирных целях предусматривает проведение комплексных фундаментальных научных исследований в космосе, дальнейшее совершенствование и широкое применение в народном хозяйстве спутниковых информационных систем, развитие космической технологии, материаловедения и машиностроения, создание крупных орбитальных пилотируемых и промышленных комплексов. В более отдаленной перспективе предполагается развернуть на околоземных орбитах

крупные спутниковые солнечные электростанции, вынести в космос часть экологически вредных земных производств, приступить к промышленному освоению сырьевых ресурсов Луны.

Однако с усложнением решаемых задач и увеличением срока активного существования космических аппаратов резко возрастают потребности их бортовой аппаратуры в энергии. Если у первых спутников потребляемая бортовыми системами мощность составляла несколько Вт, то у современных спутников она измеряется уже несколькими кВт, а у перспективных космических аппаратов - десятками и сотнями кВт. Так, согласно зарубежным проектам мощность перспективного спутника связи на стационарной орбите со сроком активного существования 10 лет составляет 10 кВт, многофункциональной космической платформы -20кВт, а обитаемой долговременной космической станции - 60... 160 кВт. Еще большая мощность потребуется для будущих промышленных установок на околоземной орбите.

Таким образом, для обеспечения растущей потребности в электроэнергии космических станций следует совершенствовать систему их энергопитания и искать новые направления развития космической энергетики.

Работа посвящена актуальной проблеме создания альтернативных источников электропитания в области энергетического обеспечения различной техники, в том числе космических систем, а также в машиностроении и энергетике для создания систем автономного энергообеспечения. Одним из таких источников электропитания может стать теплоэнергетическая установка - магнитотепловой двигатель (МТД), использующий для своей работы термомагнитный эффект преобразования магнитотепловой энергии в механическую и/или электрическую. МТД может быть также использован для утилизации тепловой энергии вторичных энергоресурсов на различных промышленных предприятиях (теплоэлектроцентралях, металлургических цехах, мусоросжигающих заводах и т.п.).

Большинство технологических и естественных процессов сопровождается выделением большого количества тепла, которое не используется и рассеивается в окружающей среде [3]. Такое тепло является низкопотенциальным, использова-

ние его традиционным путем (термоэлектрическими преобразователями) затруднительно из-за невысоких уровней температур. К низкопотенциальной тепловой энергии (НПТЭ) относится, как и результат работы различного технологического оборудования (теплота отработанных хладагентов, теплота выхлопных газов двигательных установок, тепловые потери космического и другого оборудования и т.п.), так и тепло естественного происхождения (тепло солнечного излучения, геотермальные воды). НПТЭ большое количество в окружающей среде, космосе, и может считаться неисчерпаемым источником, поэтому его утилизация является актуальной задачей для развития аэрокосмической отрасли и энергетики в целом.

В развитии экологически безопасных технологий преобразования низкопотенциальной энергии все большее распространение получают магнитные и магни-тотепловые (термомагнитные) явления и эффекты. К таким эффектам относится открытый немецким ученым Е. Варбургом в 1881 году магнитокалорический эффект (МКЭ) [4] и, противоположный ему, термомагнитный эффект. По сути оба этих эффекта являются обратимыми и протекают совместно в одних и тех же материалах и под одинаковыми условиями (в присутствии внешнего магнитного поля и под тепловым воздействием).

МКЭ обусловлен изменением температуры тела магнетика при его намагничивании во внешнем магнитном поле и возвращение в исходное температурное состояние при его размагничивании [5]. Применение данного эффекта и создание цикла на его основе позволило достигнуть сверхнизкого охлаждения до 1 К (магнитное охлаждение) с применением магнитных холодильных машин (МХМ). Широкое использование МХМ в научных исследованиях и развитие технологии производства общедоступных магнитных материалов способствовало рассмотрению применения МКЭ в быту при комнатных температурах. Такие магнитные холодильники становятся альтернативой фреоновым холодильникам и имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с последними.

Термомагнитный эффект характеризуется зависимостью намагниченности (суммарного магнитного момента) магнетика от его температуры. Характер данной зависимости у различных материалов и типов магнетиков различен в зависи-

мости от уровней магнитного поля и температуры. У ферромагнетиков он нелинейный с резким спадом значения в критической температуре, названной в честь открывшего ее в 1895 году французского ученого Пьера Кюри точкой или температурой Кюри. Резкий спад значения намагниченности ферромагнетика в точке Кюри обусловлен магнитным фазовым переходом магнитной подрешетки в парамагнитное состояние [6]. Данный магнитный фазовый переход является обратимым и на его основе может быть организован рабочий цикл. Впервые описание применения данного эффекта в технике дал Никола Тесла. В своем патенте 1889 года [7] Тесла привел ряд конструктивных решений термомагнитных двигателей, в русскоязычной литературе известные больше как магнитотепловые двигатели (МТД) или магнитокалорические двигатели. Однако в то время они не могли получить практического применения из-за недостаточно развитой технологии производства магнитных материалов, недостатка данных о магнитных характеристиках магнетиков и их сплавов.

Интерес к таким энергетическим устройствам возвращается на фоне проблем экологии, экономики и тенденции внедрения новых энергетических технологий. За последние 10 лет появилось большое количество работ по данной тематике, они в основном носят проблемный характер или описывают возможное исполнение таких устройств, однако, очевидно, что вместе с резким развитием технологии производства магнитных материалов научный и практический интерес к маг-нитотепловым энергоустановкам (МТЭУ) будет только расти.

В данной работе рассмотрена задача оптимизации основного узла МТЭУ -магнитной системы (геометрии постоянных магнитов и подбор их характеристик), которая непосредственно влияет на выходную мощность и эффективность работы энергоустановки. В работе представлен комплекс аналитических расчетов, компьютерного моделирования и проведен ряд экспериментов, включая запуск лабораторной модели магнитотеплового двигателя. На основе проведенных в работе аналитических расчетов и экспериментальных исследований энергетических характеристик МТД (мощности, крутящего момента и т.д.) выявлены зависимости

и представлены рекомендации дальнейшего проектирования энергетических устройств такого типа.

Цель работы

Целью работы является разработка магнитной системы для теплоэнергетической установки на постоянных магнитах с целью увеличения её магнитной индукции и вовлечения в градиентное поле межполюсного зазора большей массы рабочего тела - гадолиниевых пластин, приводящих к увеличению крутящего момента на валу ротора и, соответственно, удельной мощности двигателя.

Задачи работы

Задачами работы являются:

1. разработка методов проектирования магнитной системы (МС) теплоэнергетической установки на постоянных магнитах;

2. вычислительное и экспериментальное исследования получения неоднородного поля вдоль межполюсного зазора магнитной системы;

3. модернизация конструкции магнитотеплового двигателя с целью интенсификации теплообмена и увеличения его механической мощности;

4. разработка рекомендаций по проектированию магнитнотеплового двигателя.

Научная новизна работы

1. Разработаны методы проектирования магнитной системы (МС) теплоэнергетической установки на постоянных магнитах, заключающийся в: - создании градиентного распределения магнитного поля вдоль межполюсного зазора (МПЗ) постоянных магнитов (ПМ) путем варьирования ширины сечения ПМ вдоль МПЗ;

- использовании постоянных магнитов с различной остаточной намагниченностью таких, как АЛНИКО и твердые ферриты в сочетании с магнитами на редкоземельной основе, что экономически оправданно из-за высокой стоимости магнитов на редкоземельной основе.

2. На основе численного моделирования магнитной системы с использованием двух- и трехмерной геометрии определены оптимальные размеры постоянных магнитов в соотношении 1:0,7:0,8 и геометрии межполюсного зазора (угол сужения а = 26°-К36°, отношение длины прямого участка к всей длине зазора 0,18 : !)•

3. Предложена новая конструкция теплоэнергетической установки на постоянных магнитах. Новизна конструкции подтверждена патентами РФ на полезную модель №№ 118369, 121873 (2012 г.); заявка 1Ш 2013110771 решение о выдаче патента 2013.08.05.

Теоретическая и практическая значимость работы

1. Применение разработанной магнитной системы существенно повысит эффективность преобразования энергии на теплоэнергетической установке на постоянных магнитах, что приведет к увеличению её мощности.

2. Ведутся переговоры на заключение договора на НИР между МАИ и Академией наук Республики Саха (Якутия) на разработку модельного МТД мощностью 250 ватт.

3. На кафедре «Ракетные двигатели» МАИ создана установка для определения мощности, создаваемой лабораторной моделью МТД. На установке проводятся лабораторные работы по курсу «Энергосберегающие системы и устройства» со студентами старших курсов и научно-исследовательская работа по изучению характеристик МТД.

Автор защищает следующие основные положения работы

1. Метод проектирования магнитной системы теплоэнергетической установки на постоянных магнитах с заданным градиентным распределением магнитного поля вдоль межполюсного зазора при максимально возможном значении магнитной индукции в рабочей зоне за счет варьирования геометрических размеров составляющих ее постоянных магнитов, а также с использованием постоянных магнитов с различной остаточной намагниченностью таких, как АЛНИКО и твердые ферриты в сочетании с магнитами на редкоземельной основе.

2. Результаты вычислительных и экспериментальных исследований варьирования линейных размеров аксиально намагниченных постоянных магнитов, составляющих магнитную систему, с целью оптимизации величины магнитной индукции на их рабочих поверхностях с учетом массогабаригных характеристик каждого из них.

3. Новую конструкцию теплоэнергетической установки на постоянных магнитах, в которой роторный диск выполнен из цельного немагнитного, теплоизоляционного материала с вырезами в его средней части, а активные рабочие элементы (АРЭ) - гадолиниевые пластины установлены по периметру диска ребрами, выступающими за его пределами.

Достоверность результатов работы

Достоверность результатов работы обеспечена:

- использованием современных математических методов и сертифицированной программы АКБУЭ для решения прикладных задач магнитостатики (номер лицензии № 632255);

- согласованием результатов численного моделирования с результатами экспериментальных измерений на стенде с использованием динамометра для измерения возникающей силы магнитного притяжения при использовании тестируемых ферромагнитных материалов;

- согласованием результатов расчета с экспериментальными данными, полученными при испытании лабораторной модели магнитотеплового двигателя.

Личный вклад автора

Все результаты, представленные в работе, получены либо лично автором, либо при его непосредственном участии.

Публикации, отражающие полноту изложения материалов диссертации

По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, в том числе 2 публикации в журналах из перечня ВАК и 2 патента на полезную модель РФ.

Апробация результатов работы

Основные результаты диссертационной работы обсуждены на:

1. 9-ой Международной конференции «Авиация и космонавтика - 2010», тема доклада «Альтернативная энергетика. Магнитотепловой двигатель (МТД)». Россия, Москва, 2010 г.

th _

2. 4 European Conférence for Aerospace Sciences (EUCASS), доклад «Computer simulation usage for thermodynamic signature analyze of thermomagnetic engine». Россия, С-Петербург, 2011г.

3. Московской молодежной научно-практической конференции «Инновации в авиации и космонавтике - 2012», тема доклада «Исследование теплофизических характеристик магнитотеплового двигателя». Россия, Москва, 2012 г.

4. IX Международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ'2012), тема доклада «Использование компьютерного моделирования для исследования термодинамических характеристик магнитотеплового двигателя». Украина, Алушта, 2012 г.

5. 63 the International Astronautical Congress (IАС 2012), тема доклада «Thermomagnetic engine (ТМЕ)». Италия, Неаполь, 2012 г.

ГЛАВА 1.

ОБЗОР НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ ПО

МАГНИТОТЕПЛОВЫМ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ УСТАНОВКАМ.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Первые работы с описанием применения магнитотепловых явлений опубликованы более 100 лет назад. Никола Тесла в своем патенте [7] 1889 года предлагает простые конструкции магнитотеплового двигателя. Используя горелку Н (рисунок 1).для нагрева ферромагнитного элемента и располагая ее между источником магнитного поля N и элементом А, Тесла устанавливал возвратно-поступательное или вращательное движение. Разработки Н. Теслы представляют собой качественное решение использования магнитотепловых эффектов в технике с использованием железа в качестве ферромагнитного материала.

Дальнейшие разработки двигательных установок и генераторов электрического тока становились конструктивно все сложней. Таким образом, ряд работ Томаса Эдисона [8,10] и следующая работа Никола Теслы [9] рассматривают совершенно другое конструктивное решение.

В первой работе Т. Эдисона в качестве рабочего ферромагнитного элемента используются тонкостенные железные трубки, что способствует интенсификации нагрева и охлаждения (рисунок 2). Трубки скомпонованы в единый блок. Нагрев производится за счет горячих газов, образовывающихся в процессе сгорания угля или древесины в специальной камере (печи), а охлаждение за счет свежего воздуха, подводимого извне и проходящего через рабочие трубки. Блок трубок представляет собой сердечник, вокруг

Рисунок 1 - Одно из конструктивных решений магнитотеплового мотора Н. Теслы, патент США № 396121.

которого располагается обмотка, и за счет циклического изменения намагниченности блока индуцируется ток на обмотке.

К недостаткам можно отнести сложность конструкции и крайне высокие температуры размагничивания железа, что требовало высокопотенциальную энергию сгорания топлива.

л

Рисунок 2 - «Пиромаг-нитный мотор» Томас Эдисон. Патент США № 380100.

В 1895 году с открытием Пьером Кюри температуры, при которой изначально ферромагнитные вещества становились парамагнитными, зависимость намагниченности магнетика от температуры стала одной из основных характеристик магнитного материала.

Подробно магнитокалорический эффект был описан только в 1918 году, спустя почти 40 лет после его открытия, учеными П. Вейсом и А. Пиккардом в работе [11] на примере изменения температуры образца никеля в магнитном поле. С этого момента возникало множество работ с различными вариантами конструк-

тивного решения и попытками создания магнитотеплового устройства преобразования энергии.

При изобарном термодинамическом процессе магнитокалорический эффект описывается через изменение энтропии:

^=У р,н +У р/н=<1л>

где 8 - энтропия, р - давление, Т - температура, Н - интенсивность внешнего магнитного поля. Переписав уравнение для небольшого изменения параметров, получим значение изменения температуры тела АТ в зависимости от изменения внешнего магнитного поля:

ОЗБ/5Н)рТ с 65/8Т)рН

Если раскрыть значение входящих в это уравнение частных производных, то получим:

(8М/6Т)рН

АТ =--г /т АН> ^

Ср,Н/ 1

где М - намагниченность магнетика, СР;Н - его теплоемкость.

Максимальной величины магнитокалорического эффекта достигает при температурах магнитного фазового перехода, в области температуры Кюри ферромагнетиков. Приложение магнитного поля вызывает нагрев ферромагнетика, а снятие поля - его охлаждение. Адиабатичность процесса на практике достигается изменением магнитного поля.

Среди магнитных веществ, наиболее перспективным на сегодня для магнитного охлаждения можно выделить гадолиний и интерметаллическое соединение силицид-германид кремния Оё5Се2812. Магнитокалорический эффект в гадолинии составляет около 3 градусов при изменении магнитного поля 1 Тесла (1.3).

При организации циклического процесса размагничивания - намагничивания магнитного материала, используемого в качестве рабочего тела в охлаждающем устройстве, можно добиться последовательного снижения температуры. Таким образом, магнитное рабочее тело служит аналогом хладагентов, используемых в

традиционных парогазовых холодильных установках, а процесс размагничивания - намагничивания - аналогом циклов сжатия - расширения [12].

1.1 Магнитная холодильная машина

Нарабатываемая с начала ХХ-го века база данных по магнитным свойствам материалов, позволила пересмотреть технологию применения магнитотепловых эффектов. Так в работах [13,14] У.Ф. Джиоком была предложена и совместно с Д. Мак-Дугаллом экспериментально подтверждена возможность магнитного охлаждения для достижения температур близких к 1 К, за что У.Ф. Джиок был удостоен Нобелевской премии в 1949 году. С момента экспериментального подтверждения теории Джиока магнитное охлаждение стало общепринятой техникой, достижения сверхнизких температур и активно используется в научных исследованиях.

В 1976 году Г.В. Брауном была спроектирована рабочая модель магнитного холодильника для работы при комнатных температурах [15]. Сама идея и возможность ее реализации, показанная Г.В.Брауном и далее Дж. А. Барклаем, У.А. Стейертом и Д.Р. Здурским [16] в своих работах, была инновационной. А открытие аномального магнитокалорического эффекта В.К. Печарским и К. А. Гешнайднером [17] в сплаве GdsSi2Ge2 привело к резкому увеличению работ в этом направлении и росту общего интереса к магнитному охлаждению. В конце 90-х и в начале 21-го столетия на основе цикла магнитного охлаждения были созданы различные магнитные холодильные установки, работающие при комнатных температурах: в США, Канаде, Европе, Японии и в Китае. В работе К.А. Гешнайднера и В.К. Печарского [18] приведен обзор по существующим установкам магнитного охлаждения до 2008 года. В настоящей главе диссертации материалы из работы [18] дополнены с учетом работ, опубликованных в период 2008 -2012 годов.

В феврале 1997 года, под руководством К.Б. Цимма, лаборатория в г. Эймсе, штат Айова США (Ames Laboratory) совместно с Американской корпорацией астронавтики (Astronautical Corporation of America) объявили результаты трехлетнего

проекта по созданию работающей модели магнитного холодильника для применения в целях кондиционирования воздуха в помещениях, охлаждения и заморозки различных продуктов. Проект был признан успешным - установка проработала 18 месяцев без остановки, вырабатывая 600 Вт мощности охлаждения с коэффициентом преобразования (КОП) 10 и перепадом температур в 10 К в поле сверхпроводящего магнита с напряженностью поля 3980 кА/м [18]. Активное магнитное рабочее тело было сделано из металлического гадолиния. Это была магнитная холодильная машина первого поколения с возвратно-поступательным движением рабочего магнитокалорического материала.

После проведения анализа разработки исследовательская группа Ames Laboratory и Astronautical Corporation of America (AL - АСА) заключила, что время одного цикла в 6 с. для такой возвратно-поступательной магнитохолодильной машины (МХМ) слишком мало для практического использования. Для более высокой частоты работы МХМ необходимо перейти на роторную систему. Так же было решено создать небольшую холодильную машину с использованием постоянных магнитов, что на порядок экономичнее использования сверхпроводящих магнитов, которые требуют специального охлаждения и подключения к источнику тока, что не целесообразно для решения задач воздушного кондиционирования и охлаждения в коммерческих целях.

Работа над новым поколением МХМ началась в 1998 году и в мае 2002 года была представлена установка (рисунок 3). В данной установке рабочим магнито-калорическим элементом являлись сферы из гадолиния общей массой 160 г, образующие пористую структуру.

Напряженность магнитного поля, образуемая постоянными магнитами на редкоземельной основе Nd2Fei4B со стальными наконечниками, составляло 1194кА/м. В качестве теплообменника использовалась вода. Максимальная выходная мощность охлаждения установки - 50 Вт, максимальный перепад температур 25 К. На данной установке был проведен запуск с использованием в качестве рабочего материала сплава La(Fe0.88Sio.i2)i3H в виде молотого порошка. Показатели были идентичны использованию Gd и его сплава с эрбием (GdEr).

Недостатками такого типа МХМ были сложность исполнения вращающего узла с рабочим магнитокалорическим материалом и большие трудности с подводом теплоносителя при масштабировании установки для реализации больших мощностей. Учитывая все недостатки установки, научная группа АСА начала разработку новой конструкции МХМ [18].

Третье поколение МХМ группы AL -АСА (рисунок 4) представляет собой 12 фиксированных сборок магнитокалориче-ского материала, находящихся под действием двух вращающихся магнитных систем, собранных по структуре Халбаха [19]. Основным преимуществом фиксированного рабочего колеса по сравнению с

предыдущими установками является простота в подводе теплоносителя и улучшение процессов теплообмена.

Результаты работы установки третьего поколения были представлены в апреле 2007 года на конференции Thermag II в г. Портороже (Словения). Фактическая мощность охлаждения установки 140 Вт, что составляет 75% от теоретически возможной мощности охлаждения установки в 190 Вт. В то время установка находилась в начальной стадии разработки.

Параллельно работам группы Al - АСА разработки МХМ при комнатных температурах велись группой ученых в Японии (Okamura, Hirano и др.), Китае (Wu, Lu, Chen, Tang и др.), в Европе (Bohigas, Clot, Sariah, Poredos, Tura и др.), в США (Zimm, Blumenfeld, Shir, Gshneindner, Pecharsky), в Канаде (Rowe, Barclay, Richard), в России (Бучельников и др.). Работы отличаются конструктивным исполнением (вращающимся или возвратно-поступательным), выбором тех или

Рисунок 3 - Прототип второго поколения МХМ группы АЬ - АСА. Обозначения на рисунке: ХТО - холодный теплообменник; ПО — горячий теплообменник.

иных магнитокалорических материалов (в основном гадолиний и его соединения), видом источника магнитного поля (в более поздних работах это, как правило, постоянные магниты и системы Халбаха на постоянных магнитах). Ниже представлена сводная таблицы по существующим установкам магнитного охлаждения, основываясь на последних работах 2012 года [20, 21] (таблица 1).

Рисунок 4 - Прототип третьего поколения МХМ группы АЬ — АСА.

На 7-ой международной конференции [68] Environmental engineering 22-23 Мая 2008 года в Вильнюсе (Литва) представителями компании Cooltech Applications было заявлено, что они работают над новым прототипом магнитной холодиной машины с мощностью охлаждения в 3,5 кВт и потребляемой электрической мощностью в 770 Вт. Данная МХМ будет работать для воздушного кондиционирования в диапазоне температур теплоносителя -15°С - +50°С. Такие заявленные мощностные характеристики могут стать рекордными для МХМ при комнатных температурах.

Таблица 1 - Известные в открытой публикации работающие модели маг-

нитных холодильных машин для комнатных температур (МХМКТ)

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Габриелян, Давид Александрович, 2013 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Банке В.А. Электроэнергия из космоса - солнечные космические электростанции. «Журнал Радиоэлектроники» № 12, 2007г.

2. Краев М.В., Славин B.C. Энергодвигательные и энергетические установки в проектах освоения космоса XXI века. Вестник Сибирского государсвенного аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева. 2006г.

3. Дзиндела А.В., Сизякин А.В.. Эффективное использование низкопотенциального тепла // журнал «Энергосбережение» №1, - М. ООО ИИП «АВОК-ПРЕСС», 2012 г.

4. Warburg Е. Ann.d.Phys.,1881,v.l3,p.l41

5. «Магнитокалорический эффект в магнитоупорядоченных веществах». Физический факультет МГУ им. Ломоносова // Кафедра общей физики и физики конденсированного состояния // Лаборатория аморфных и кристаллических сплавов редкоземельных металлов. [Электронный ресурс] URL: http://ferro.phys.msu.ru/nauka/lab/02/magnitocaloricheskiy_ effect.pdf (дата обращения: 15.01.2013).

6. Григорьев И.С., Мейлихов Е.З., Физические величины: справочник. М: Изд-во Энергоатомиздат, 1991. - 1234с

7. Tesla N. Thermomagnetic motor // Патент США № US 396121, 15.01.1889.

8. Edison T.A. Pyromagnetic motor//Патент США № US 380100, 27.03.1888.

9. Tesla N. Pyromagneto electric generator // Патент США № 428057, 13.05.1890г.

10. Edison T.A. Pyromagnetic generator // Патент США № 476983, 14.06.1892г.

11. P. Weiss, A. Piccard, Sur un nouveau phénomene magnétocalorique, Compt. Rend. Ac. Sc. 1918; 166:352

12. Tishin A.M., Spichkin Y.I.. Recent progress in magnetocaloric effect: mechanisms and potential applications. Fifth IIF-IIR International Conference on Magnetic Refrigeration at Room Temperature, Thermag V. Grenoble, France, 17-20 September 2012.

13. Giauque W.F., A proposed method of producing temperatures considerably below 1° absolute. J. Amer. Chem. Soc. 1927; 49:1864 -1870.

14. Giauque W.F., MacDougall D.P., Attainment of temperatures below 1° absolute by demagnetization of Gd2(S04)3«8H20, Phys. Rev. Lett. 1933, 43(9):768.

15. Brown G.V., Magnetic heat pumping near room temperature, J.Appl.Phys 1976; 47:3673-3680.

16. Barclay J.A., Steyert W.A., Zrudsky D.R. Design and performance of a magnetic refrigerator on a heat engine. XV International Congress on Refrigeration, Vol.1, Venice (1979), pp. 147-153.

17. Pecharsky V.K., Gschneidner K.A., Giant Magnetocaloric Effect in Gd5(Si2Ge2), Phys. Rev.Lett.1997; 78(23): 4494-4497.

18. Gschneidner K.A., Jr., Pecharsky V.K.. Thirty years of near room temperature magnetic cooling: where we are today and future prospects. International journal of refrigeration 31 (2008) pp.945 - 961

19. Halbach K.. Design of permanent multipole magnets with oriented rare earth cobalt materials. Nuclear Instruments and Methods 169 (1980) pp. 1-10.

20. Kitanovski A., Tusek J., Poredos A.. The magnetocaloric energy conversion. Proceedings of ECOS 2012, June 26-29, 2012, Perugia, Italy

21. Bouchekara H.R.E.H., Nahas M.. Magnetic refrigeration technology at room temperature. 2012.

22. Degen G. Thermomagnetic generator // Патент США № US 2011/0037342 Al, 17.02.2011

23. Zhou L., Xuan Y., Li Q., Lian W.. A new miniaturized engine based on thermomagnetic effect of magnetic fluids, Front. Energy Power Eng. China 2009, 3(2): 160166

24. Carroll C., Rogge O., Reesink B. Magneto-caloric heat pump with the use of a cascade of magneto-caloric materials // Патент США № US 2011/0094243 Al, 28.04.2011

25. Li-Ge Bi, Tegus O., Riletu Yi, Hai-Rong Shi, Thermomagnetic power generation performance of first-order phase transition material Mnl.2Fe0.8P0.4Si0.6 // Acta Phys. Sin. Vol. 61, No. 7 (2012) 077103.

26. Tegus O. «Novel materials for magnetic refrigeration», Amsterdam, p.l 12, 2003.

27. Hirano N., Nagaya S., Okamura Т., Kawanami Т., Wada H.. Development of Room Temperature Magnetic Refrigerator. 2010 International Symposium on Next-generation Air Conditioning and Refrigeration Technology, 17-19 February 2010, Tokyo, Japan

28. Gedik E., Kayfeci M., Kecebas A., Kurt H.. Magnetic refrigeration technology applications on near room temparature, 5th International Advanced Technologies Symposium (IATS'09), May 13-15, 2009, Karabuk, Turkey

29. Zhang Q., Thota S., Guillou F., Padhan P., Hardy V., Wahl A., Prellier W. Magne-tocaloric effect and improved relative cooling power in (La0.7Sr0.3Mn03/SrRu03) su-perlattices.

30. Новостная лента РБК. [Электронный ресурс] URL: http://www.rbc.ru/rbcfreenews/20120911154329.shtml (дата обращения: 12.03.2013).

31. Бучельников В.Д., Денисовский А.Н., Николенко В.В., Таскаев С.В., Чернец И.А. Магнитокалорический рефрижератор // Патент РФ RU 2454614 С1. Опубликовано: 27.06.2012 Бюл № 18.

32. Kitanovski A., Egolf P.W.. Thermodynamics of magnetic refrigeration. International Journal of Refrigeration 29 (2006) 3-21.

33. Tishin A.M.. Hand book of magnetic materials, vol.12, ed. K.H.J. Buschow, North Holland, Amsterdam. 1999

34. Bremer E. Electrical heat motor // Патент США № US 764518, 05.07.1904

35. Schwartz M.A. Magnetic distortion motor // Патент США № US 1431545, 10.10.1922

36. Schwartz M.A. Distortion motor // Патент США № US 1716091, 11.01.1928

37. Schwarzkopf E. Thermo-magnetically actuated source of power // Патент США № US 2016100, 01.10.1935

38. Kolm C., Fowler P.H. Pyroelectric generation // Патент США № US 3198969, 03.08.1964

39. Kemenczky M. Pyromagnetic motor // Патент США № US 3500076, , , 10.03.1970

40. Pirc A. Rotary Curie point magnetic engine // Патент США № US 3743866, 03.07.1973

41. Russberg G., Dahlgren M., Thorburn S. Thermomagnetic generator device and energy converting method // Патент США № US 2010/0109474 Al, 06.05.2010

42. Chin-Jui Hsu, Samuel M. Sandoval, Kyle P. Wetzlar, and Gregory P. Carman «Thermomagnetic conversion efficiencies for ferromagnetic materials» // J. Appl. Phys. 110(123923), 2011

43. Elliott J.F., «Thermomagnetic generator». Journal of applied physics, vol. 30, num. 11: New-York, 1959. pp. 1174 - 1177

44. К. B. Joshi and S. Priya. Multi-physics model of a thermo-magnetic energy harvester. Smart Mater. Struct. 22 (2013) 055005 (15pp)

45. Габриелян Д.А. Магнитотепловой двигатель. Перспективы развития магни-тотепловой технологии. // Научно-технический вестник Поволжья. №2 2012г. -Казань: Научно-технический вестник Поволжья, 2012. - 160 -166 с.

46. Бедбенов B.C. Устройство для преобразования солнечной энергии в механическую//Авт. свид. СССР SU № 1453998 А1 от 11.03.1987 г.

47. Katayama A. Non self-starting thermal magnetic energy recycling ferrite ring engine // Патент США № US 4447376, 08.05.1984

48. Бедбенов B.C. Магнитотепловое устройство // Патент Российской Федерации RU2167338, 2000г.

49. Solomon D., Thermomagnetic mechanical heat engines, J. Appl. Phys. 1989; 65(9):3687-3693.

50. Guruprasad V. Electromagnetic heat engines and method for cooling a system having predictable bursts of heat dissipation // Патент США № US 5714829, 03.02.1998

51. Официальный сайт компании "Magnetic Technologies" (США) [Электронный ресурс] URL: http://www.dextermag.com/ (дата обращения: 13.05.2013)

52. Официальный сайт компании "Vortex Energy, Inc." [Электронный ресурс] URL: http://www.vortexenergy.ru (дата обращения: 20.05.2013)

53. Trapanese M., Viola A., Franzitta V. Design and experimental test of a thermo-magnetic motor // AASRI Conference on Power and Energy Systems - AASRI Procedia 2p.l99-204, 2012

54. Габриелян Д.А., Магнитотепловой двигатель.// Патент РФ на полезную модель, RU № 118369 от 03.05.2012. Бюл. № 20, 20.07.2012

55. Bj0rk R., Bahl C.R.H., Smith A., Pryds N.. Review and comparison of magnet designs for magnetic refrigeration. International journal of refrigeration 33 (2010) pp.437-448

56. Bouchekara H. R. E. H., Simsim M. Т., Boucherma M., Allag H.. Multiphysics modeling of a magnetic refrigeration system based on superconductors. Progress In Electromagnetics Research M, Vol. 23, 229-247, 2012

57. Vasile C., Engel Т., Risser M., Muller C., Energy efficient and environmental safe magnetic cooling system. The 7th International Conference. May 22-23, 2008

58. S.J. Lee, J.M. Kenkel, V.K. Pecharsky, D.C. Jiles. Permanent magnet array for the magnetic refrigerator. J. Appl. Phys. 91, (2002) pp.8894-8896

59. Roudant J., Yonnet J.-P., Kebous-Lebouc A., Muller C.. Permanent magnet sources for magnetic refrigeration. REPM'10 - proceedings of the 21st Workshop of rare-earth permanent magnets and their application. 2010

60. Bj0rk R.. Designing a magnet for magnetic refrigeration. Ris0-PhD-57(EN). Ris0 DTU National laboratory for sustainable energy. March 2010

61. Kitanovski A., Vuarnoz D., Egolf P. A magnetocaloric device, especially a magnetic refrigerator, a heat pump or a power generator // Патент Европа № ЕР 2 108 904 A1

62. Bouchekara H.R.E.H., Kedous-Lebouc A., Yonnet J.P.. Design of a new magnetic refrigeration field source running with rotating bar-shaped magnets. International journal of refrigeration 35 (2012) pp.115-121

63. Leupold H.A., Potenziani II E.. Novel hight-field permanent magnet flux sources. IEEE Trans magn. vol. 23, (1987), pp. 3628-3629

64. Bjork R., Bahl C.R.H., Smith A., Pryds N.. Comparison of adjustable permanent magnetic field source. International journal of refrigeration 322 (2010) pp.3664-3671

65. Bahl C.R.H., Engelbrecht К., Bjork R., Eriksen D., Smith A., Nielsen K.K., Pryds N. Design concepts for a continuously rotating active magnetic regenerator. International Journal of Refrigeration 34 (2011) pp. 1792-1796

66. ANSYS, Inc. Release Notes, ANSYS 12.1 Help.

67. Андреева Е.Г., Шамец С.П., Колмогоров Д.В. Расчет стационарных магнитных полей и характеристик электротехнических устройств с помощью программного пакета ANSYS // Нефтегазовое дело, 2004 [Электронный ресурс] URL: http: //www. о gbus. ru/authors/ Andreeva/Andreeva_l .pdf (дата обращения): 22.05.2013г.

68. Буль О.Б. Методы расчета магнитных систем электрических аппаратов. Программа ANSYS : учебное пособие для вузов. - М.: Изд. Академия, 2006. - 288 с.

69. Gabrielyan D., Computer simulation usage for thermodynamic signature analyze of thermomagnetic engine, 4th European Conference for Aerospace Sciences (EU-CASS), Saint-Petersburg, July 2011.

70. Gabrielyan D., Semenov V., Thermomagnetic Engine (TME), 63th International Astronautical Congress (IAC 2012). IAC-12-C3.3.13. Naples, Italy. 1 - 5 October 2012

71. Арнольд P.P. Расчет и проектирование магнитных систем с постоянными магнитами, М: «Энергия», 1969г. 184с.

72. Справочник. Постоянные магниты, под ред. Ю.М. Пятина, - «Энергия», М. 1980г.

73. Болгарский А.В., Мухачев Г.А., Щуки В.К. Термодинамика и теплопередача. Учебник для вузов, Изд.2-е, М: «Высшая школа», 1975г., 495с.

74. ANSYS, Inc., Thermal Analysis Guide [Электронный ресурс] URL: http://www 1 .ansys.com/customer/content/documentation/120/ans_the.pdf (дата обращения): 25.05.2013

75. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А. С. Теплопередача. Учебник для вузов. Издание 3-е перераб. и доп. М., «Энергия», 1975г.

76. Janssen J.L.G., Paulides J.J.H., Compter J.С., Lomonova E.A.. Three-dimensional analytical calculation of the torque between permanent magnets in magnetic bearings. IEEE Transactions on magnetics, vol. 46, no. 6, June 2010.

77. Шостаковский П. Термоэлектрические источники альтернативного электропитания. // журнал «Компоненты и технологии» №12, 2010.

78. Алферов Ж.И., Андреев В.М., Румянцев В.Д. Тенденции и перспективы развития солнечной фотоэнергетики. // журнал «Физика и техника полупроводников», т.38 вып. 8, 2004г.

79. Официальный сайт компании Suntech Power Holdings Co., Ltd. [Электронный ресурс] URL: http://www.suntech-power.com (дата обращения): 10.06.2013

80. Официальный сайт компании Spectrolab, Inc. [Электронный ресурс] URL: http://www.spectrolab.com/index.htm (дата обращения): 10.06.2013

81. Ильин P.A. Эффективность использования двигателей Стерлинга в составе газо-газовых теплоэнергетических устройств // Вестник АГТУ. № 5 (46), 2008г.

82. Gschneidner К.А., Pecharsky V.K., Tsokol А.О. Recent developments in magne-tocaloric materials // Reports of Progress in Physics 68 (2005) 1479 -1539 p. doi: 10.1088/0034-4885/68/6/R04.

83. Сибикин Ю.Д., Сибикин М.Ю. Технология энергосбережения. Учебное пособие - М, 2006. - 325с;

84. ГОСТ. 8.207-76. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений. - Переизд. Апр. 2006; Введ. 01.01.77 - М.: Стандартинформ, 2006. - 8с. УДК 53.08:006.354.