高級(jí)制冷技師職稱論文寫作(2)
高級(jí)技師職稱論文寫作篇二
磁制冷技術(shù)與相關(guān)制冷材料的研究探討
摘要：指出了磁制冷技術(shù)與傳統(tǒng)氣壓縮制冷技術(shù)相比，具有綠色環(huán)保、高效節(jié)能的特點(diǎn)，應(yīng)用前景十分廣闊。如何利用并最大化材料本身的磁熱效應(yīng)，這將會(huì)是磁制冷技術(shù)未來所面臨的問題。為此，對(duì)磁制冷技術(shù)與制冷材料相關(guān)研究進(jìn)行了探討。
關(guān)鍵詞：磁制冷;磁熱效應(yīng);磁制冷材料
中圖分類號(hào)：TM271 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9944(2016)06-0135-02
1 引言
制冷業(yè)耗能占社會(huì)總耗能的15%以上。目前普遍使用的氣體壓縮制冷技術(shù)其卡諾循環(huán)效率最高僅為25%左右，而且氣體壓縮制冷中使用的氣體制冷劑會(huì)破壞大氣臭氧層并引起溫室效應(yīng)。探求無污染、綠色環(huán)保的制冷材料和研發(fā)新型低能耗、高效率的制冷技術(shù)是當(dāng)今世界需要迫切解決的問題。目前，基本的人工制冷方式有以下幾種。(1)液化氣體制冷：利用液體氣化時(shí)要吸收熱量的特性，其基礎(chǔ)是先將氣體加壓到其沸點(diǎn)以下來進(jìn)行液化;(2)氣體膨脹制冷：利用氣體絕熱膨脹來實(shí)現(xiàn)制冷，空氣壓縮機(jī)就是采用了這一方式;(3)熱電制冷：利用半導(dǎo)體的溫差特性，但它的效率極低，不能大規(guī)模應(yīng)用，目前主要用在冷量需求較小的小型制冷器中;(4)化學(xué)制冷：利用有吸熱效應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)過程。其中，較為廣泛應(yīng)用的是液體氣化制冷，包括蒸汽壓縮式、吸收式、噴射式制冷等方式。
利用磁熱效應(yīng)進(jìn)行制冷具有綠色環(huán)保、高效節(jié)能的特點(diǎn)。在熱效率方面，磁制冷可以達(dá)到的理想卡諾循環(huán)的60%～70%，而氣體制冷的效率一般只有20%～40%。此外，磁制冷工質(zhì)的磁熵密度比氣體大，制冷裝置可以做得更緊湊。同時(shí)磁制冷需要的磁場(chǎng)只需要電磁體、超導(dǎo)體磁體等提供，無需壓縮設(shè)備，沒有運(yùn)動(dòng)部件的磨損問題，從而機(jī)械振動(dòng)和噪聲小，可靠性高，操作方便，工作周期長(zhǎng)。氣體制冷工質(zhì)一般都是對(duì)環(huán)境存在污染或有毒的物質(zhì)，在現(xiàn)代環(huán)保呼聲越來越高的情況下面臨挑戰(zhàn)。因此，需要加快研究小型、無污染、高效率的新型制冷技術(shù)，磁制冷技術(shù)就是一個(gè)很好的技術(shù)解決途徑。
2 磁制冷原理
磁熱效應(yīng)(Magnetocaloric effect，MCE)是指對(duì)磁性材料進(jìn)行磁化或退磁時(shí)所產(chǎn)生放熱或吸熱的現(xiàn)象，其本質(zhì)是材料內(nèi)部的磁有序度發(fā)生改變(熵的改變)，引起材料本身的吸熱放熱行為。磁熱效應(yīng)的主要應(yīng)用是在磁制冷方面。與傳統(tǒng)的氣體壓縮膨脹制冷過程非常相似，磁致冷也有類似的制冷原理。由于磁制冷技術(shù)采用磁性材料，對(duì)周圍環(huán)境沒有污染。而且，在熱效率方面，磁制冷技術(shù)也遠(yuǎn)高于目前普遍使用的氣體壓縮制冷技術(shù)。對(duì)于當(dāng)今社會(huì)，綠色高效的磁制冷技術(shù)有著十分廣闊的應(yīng)用前景。
3 磁制冷循環(huán)
磁制冷技術(shù)是依靠一套完整的熱力學(xué)循環(huán)來實(shí)現(xiàn)的。常見的磁制冷循環(huán)主要是以下3種。
(1)卡諾循環(huán)。由兩個(gè)等溫過程和兩個(gè)絕熱過程組成。主要用作低溫磁制冷循環(huán)。磁工質(zhì)通常為順磁鹽。這種循環(huán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率較高。不足之處在于制冷溫區(qū)較小，需要較高的外場(chǎng)，并且外場(chǎng)操作比較復(fù)雜。
(2)埃里克森循環(huán)。由兩個(gè)等磁場(chǎng)過程和連個(gè)等溫過程組成。這種循環(huán)可以用作較大的制冷溫區(qū)(>20K)。效率略低于卡諾循環(huán)。該循環(huán)要求蓄冷器具有較高的熱傳導(dǎo)性，對(duì)外部熱交換器的熱接觸要求較高，相應(yīng)的磁制冷機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
(3)布雷頓循環(huán)。由兩個(gè)等熵過程和兩個(gè)等磁場(chǎng)過程組成。該循環(huán)制冷溫跨可實(shí)現(xiàn)最大化，并且可以使用不同大小的磁場(chǎng)。同時(shí)，對(duì)蓄冷器的熱傳導(dǎo)性要求很高，也需要外部熱交換器。4磁制冷材料
由于磁制冷技術(shù)具有綠色環(huán)保、高效節(jié)能、穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，近些年來已經(jīng)引起世界范圍的廣泛關(guān)注。美國(guó)、中國(guó)、荷蘭、日本相繼發(fā)現(xiàn)的幾類室溫乃至高溫區(qū)巨磁熱材料大大推動(dòng)了人們對(duì)綠色環(huán)保磁制冷技術(shù)的期待，例如：Gd-Si-Ge、LaCaMnO3、Ni-Mn-Ga、La(Fe，Si)13基化合物、MnAs基化合物等。這些新型巨磁熱效應(yīng)材料的共同特點(diǎn)是磁熵變均高于傳統(tǒng)室溫磁制冷材料Gd，相變性質(zhì)為一級(jí)，并且多數(shù)呈現(xiàn)強(qiáng)烈的磁晶耦合特點(diǎn)，磁相變伴隨顯著的晶體結(jié)構(gòu)相變的發(fā)生。這些新型材料還表現(xiàn)出不同的材料特點(diǎn)，例如，美國(guó)Ames國(guó)家實(shí)驗(yàn)室于1997年發(fā)現(xiàn)的Gd5(Si2Ge2)合金具有巨大磁熱效應(yīng)，絕熱溫變AT高于單質(zhì)稀土Gd的30%，磁熵變高于Gd的100%。但是這類材料在合成過程中往往需要對(duì)原材料Gd進(jìn)一步提純，通常商業(yè)購(gòu)買的Gd純度為95～98at.%(原子比)，價(jià)格200美元/公斤，用商業(yè)純度Gd制備的Gd5(Si2Ge2)合金不具有巨磁熱效應(yīng)。如果將原材料Gd提純至≥99.8at.%(原子比)所合成出的Gd5(Si2Ge2)方表現(xiàn)出巨磁熱效應(yīng)，而純度至≥99.8at.%的Gd的價(jià)格為4000美元/kg，大大增加了材料的制備成本。研究還表明，原材料中雜質(zhì)的存在(如0.43at.%C，0.43at.%N，1.83at.%O)或者引入少量C元素均會(huì)使Gds(Si2Ge2)的一級(jí)相變特征消失，巨磁熱效應(yīng)也隨之消失。另外幾類新材料中，MnAs基化合物原材料有毒，NiMn基Heu-sler合金具有滯后損耗大的特點(diǎn)等等。
近10多年來發(fā)現(xiàn)的幾類新材料中，目前被國(guó)際上廣泛接受、最有可能實(shí)現(xiàn)高溫乃至室溫區(qū)磁制冷應(yīng)用的是La(Fe，Si)13基化合物，該合金具有原材料價(jià)格低廉，相變溫度、相變性質(zhì)、滯后損耗可隨組分調(diào)節(jié)等特點(diǎn)，室溫附近磁熵變高于Gd的一倍。多個(gè)國(guó)家的單位、實(shí)驗(yàn)室紛紛將La(Fe，Si)13基磁制冷材料用于樣機(jī)試驗(yàn)，例如：2006年，美國(guó)國(guó)家航天技術(shù)中心首次將La(Fe，Si)13基材料用于樣機(jī)試驗(yàn)，初步結(jié)果證明其制冷能力優(yōu)于Gd，進(jìn)一步地，該公司于2010年的最新樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果證明：La(Fe，Si)13基材料的室溫制冷能力可達(dá)到Gd的2倍。
La(Fe，Si)13基化合物在制備過程中稀土原材料均使用商業(yè)化的單質(zhì)元素。人們知道，地殼中含有豐富的La、Ce稀土元素，Ce元素豐度最高、其次是Y、Nd、La等，并且許多稀土礦石的天然成分是La為20%～30%、Ce為40%～60%及其它稀土和非稀土混合物。提純過程中獲得約1：2比例的LaCe合金比分別獲得單質(zhì)的La和Ce要容易得多。商業(yè)化LaCe合金的價(jià)格也比商業(yè)化單質(zhì)元素La、Ce便宜許多。如果能以商業(yè)化的LaCe合金作為原材料，制備出具有NaZn13結(jié)構(gòu)的巨磁熱La(Fe，Si)13基化合物，對(duì)于開發(fā)材料的磁制冷應(yīng)用將具有重要實(shí)際意義。
5 結(jié)語
作為磁致冷技術(shù)的核心，磁工質(zhì)的性能對(duì)于制冷效果起到?jīng)Q定性的作用。大熱磁效應(yīng)的材料均具有成為磁工質(zhì)的可能性。La(Fe，Si)13基化合物具有大的磁熱效應(yīng)、居里溫度可隨意調(diào)節(jié)，通過添加磁性稀土元素可以增加樣品的磁化強(qiáng)度等特點(diǎn)。這些方面的顯著優(yōu)勢(shì)使La(Fe，Si)13系列化合物成為最有實(shí)際應(yīng)用前景的磁制冷工質(zhì)。但是在實(shí)際生產(chǎn)中，原材料的純度和成本是必須要考慮的一個(gè)問題。實(shí)驗(yàn)室里人們通常采用高純度的原材料來制備La(Fe，Si)13系列化合物。實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)過程中考慮到成本因素，人們更愿意選擇低純度的稀土原材料。然而，原材料中的雜質(zhì)引入對(duì)La(Fe，Si)13系列化合物結(jié)構(gòu)的形成、磁性、磁熱效應(yīng)的影響仍然是個(gè)未知數(shù)。采用工業(yè)純度的原材料是否影響La(Fe，Si)13系列化合物的磁熱效應(yīng)和制冷功效，對(duì)于該材料在工業(yè)中的大規(guī)模生產(chǎn)起到關(guān)鍵性的作用。因此，今后的研究方向應(yīng)注重在改進(jìn)磁制冷工質(zhì)性能、推動(dòng)并加快La(Fe，Si)13基化合物走向工業(yè)化和實(shí)用化的進(jìn)程。
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