小组作业磁制冷.ppt

讲解主题 磁制冷 组长 叶竹组员 王玉宝蒋佳伟陈峰 目录 1 磁制冷的基本概念 发展历史及环保理念主讲人 王玉宝2 绝热去磁制冷的基本原理 磁制冷循环及发展前景主讲人 叶竹 陈峰3 磁制冷材料及稀土材料的应用主讲人 蒋佳伟 磁制冷基本知识 Part1 磁制冷基本概念Part2 磁制冷发展历史Part3 磁制冷优点及发展面临问题 磁制冷 Part1 磁制冷的基本概念 磁制冷是在顺磁体绝热去磁过程中获得冷效应的制冷技术 借助磁致冷材料的磁热效应 即磁致冷材料等温磁化时向外界放出热量 而绝热退磁时从外界吸取热量 达到制冷的目的 绝热去磁过程中获得冷效应 磁制冷 Part2 磁制冷发展历史 1881年Warburg首先观察到金属铁再外加磁场中的热效应 他发现了顺磁铁在磁场作用下又热效应 但还没到利用的层面 也就是这一发现给未来的磁制冷引导了一个方向 1895年Langeviz发现了磁热效应 站在巨人的肩膀上离磁制冷更进一步 1926年Debye 1927年Giauque两位科学家分别从理论上推导出可以利用绝热去磁制冷的结论后 磁致冷技术得以逐步发展 20世纪30年代利用顺磁盐作为磁致冷工质 采用绝热去磁方式成功地获得毫升量级的低温 20世纪80年代采用Gd3Ga5O12 GGG 型的顺磁性石榴石化合物成功地应用于1 5 15K的磁致冷 20世纪90年代采用磁性Fe离子取代部分非磁性Gd离子 由于H离子与Gd离子间存在超交换作用 使局域磁矩有序化 构成磁性的纳米团簇 当温度大于15K时其磁熵变高于GGG 从而成为15 30K温区最佳的磁致冷工质 1976年布朗首先采用金属Gd为磁致冷工质 在7T磁场下实现了室温磁致冷的试验 由于采用超导磁场 无法进行商品化 20世纪80年代以来人们的磁致冷工质开展了广泛的研究工作 但磁熵变均低于Gd的1倍 高温磁致冷正一步步走向实用化 据报道1997年美国已研制成以Gd为磁致冷工质的磁致冷机 目前 磁致冷材料 技术和装置的研究开发 美国和日本居领先水平 这些发达国家都把磁致冷技术研究开发列为21世纪初的重点攻关项目 投入了大量的资金 人力和物力 竞争极为激烈 都想抢先占领这一高新技术领域 磁制冷 普通制冷的问题 能耗问题 排放污染 破坏臭氧 噪声污染 废料处理 制冷待改进 磁制冷的优点 效率高 能耗小 无其他排放物 减少氟化物 运动部件少工频低 无毒害废料垃圾 绿色制冷诞生 磁制冷 Part3 磁制冷优点及发展面临问题 Part1 磁热效应及磁熵等性能指标Part2 绝热去磁制冷原理Part3 磁制冷指标影响因素Part4 三种典型磁制冷循环 磁制冷原理 Part1 磁热效应及磁熵 1 磁热效应 magnetocaloriceffect简称 MCE 绝热过程中铁磁体或顺磁体的温度随磁场强度的改变而变化的现象 即 当磁性材料被置于磁场中时 它的温度会升高 升高的热量被水带走后 它的温度回落如初 待磁场消失后 材料的温度会下降到比它进入磁场前还要低 磁性材料的这种性质成为磁热效应 这种效应正是科学家们所希望的 可以被用于制冷的特性 磁热效应是所有磁性材料的固有本质 它是由此类物质的微观结构决定的 根据玻尔兹曼统计 系统的熵为S klnW 其中k为玻尔兹曼常量 W为系统的状态数 外磁场越大 温度越低 系统的熵变越大 磁热效应越显著 间接测量法 直接测量法 直接测量试样磁化时的绝热温度变化 半静态法 把试样移入或一者移出磁场时测量试样的绝热温度变化 动态法 采川脉冲磁场测量试样的绝热温度变化 磁化强度法 比热容测量法 比热容测定法对磁比热计的要求较高 需提供不同磁场 低温时要求液氦等冷却 高温时需加热装置且在测试过程中对温度能够程序控制等 但这种方法具有更好的精度 直接测量法简单直观 但只能测量绝热温变同时对测试仪器的绝热性能以及测温仪器本身的精度要求非常高 精度需达到左右 而且常常因测试设备本身的原因及磁工质本身较低而导致较大的误差 因此该方法并不常用 磁热效应的测试方法 磁化强度法虽然需要带低温装置可控温 恒温的超导量了磁强计或振动样品磁强计来测试不同温度下的M H曲线 但因其可靠性高 可震复性好 操作简便快捷而被广大研究者采纳 测量方法 1 绝热退磁测量绝热退磁原理见图 等温磁化过程 T不变 绝热的退磁过程 S不变 Tad T1 T2就是样品的磁致热效应 Tad是材料主要的磁制冷性能指标 H 0无外加磁场H 0有外加磁场 测量方法 2 从比热容测量推出磁熵值测量在一定压力下的比热容 根据比热容的热力学定义可以推出在温度T和磁场B 0H时的磁熵值S 由于通过在磁场中比热容的测量可以同时得到材料的磁熵变化值 S T B 和磁致热效应 T T B 因此在评价材料的磁热性能时 磁场中的比热容测试时最有效的方法 测量方法 3 从磁化曲线测量推出磁熵变化值由磁化曲线可以推出样品在磁场从0变化到B时的磁熵变化值 在测出居里温度附近各温度下的磁化曲线后 可以计算出磁熵变化 2 磁熵磁致热效应是自旋熵变化的结果 它是与温度 磁场等因素有关的物理量 磁熵是磁性材料中磁矩排列有序度的度量 无序度越大 磁熵就越高 当磁性材料的磁矩排列有序发生变化时 其磁熵也随之发生变化 磁熵密度很大的磁性材料的磁熵变化将伴随着明显的吸热和放热效应 因此 可以应用于制冷技术中 改变磁矩排列有序度的方法有两个 一是通过施加外磁场来改变磁矩排列有序度 使材料的磁熵发生变化 从而引起吸热或放热 这种现象又称磁致热效应 3 退磁降温温差 T退磁降温的温度变化 T是指磁性工质在绝热条件下 经磁化和退磁后 其自身的温度变化 它是标志磁致冷能力的最重要的参量 在绝热条件下 磁热效应演示实验 演示装置如图所示 主要由6部分组成 1 可调电源 为线圈提供可变的直流电 电流变化范围0 2A 压变化范围0 250V 目的是可以在不同外磁场条件下 观察磁热效应 2 加铁芯的励磁线圈 3 工作物质为纳米磁流体 磁流体装在玻璃试管里 4 隔热物质为棉花 用棉花将玻璃试管包好 置于铁芯之上的固定座里 用隔热物质的目的是防止励磁线圈产生的焦耳热干扰演示效果 5 温差电偶 6 灵敏电流计 温差电偶靠热电效应来测量 这种液体具有在通常离心力和磁场作用下 既不沉降和凝聚又能使其本身承受磁性 可以被磁铁所吸引的特性 是现代最新的低温制冷技术之一 它建立在顺磁性盐具有的磁热效应基础上 顺磁性盐磁化时放出热量 在绝热的条件下去磁 则消耗内能 温度降低 采有多极绝热去磁 即可获得极低的温度 测量无序的量 它称作熵 熵也是混沌度 是内部无序结构的总量物理意义 物质微观热运动时 混乱程度的标志 热力学中表征物质状态的参量之一 通常用符号S表示 在经典热力学中 可用增量定义为dS dQ T 式中T为物质的热力学温度 dQ为熵增过程中加入物质的热量 下标 可逆 表示加热过程所引起的变化过程是可逆的 若过程是不可逆的 则dS dQ T 不可逆 单位质量物质的熵称为比熵 记为s Part2 绝热去磁制冷原理 熵 绝热去磁制冷 熵变理论 热熵 受温度的影响 磁熵 受磁场的影响 系统的总熵S 绝热去磁制冷的熵变理论 2020 3 17 19 可编辑 绝热制冷的卡诺循环 1 2为等温磁化 排放热量 2 3为绝热退磁 温度降低 3 4为等温退磁 吸收热量制冷 4 1为绝热磁化 温度升高 图是绝热去磁制冷装置的工作原理图 分为四个工作步骤 图 a 所示将顺磁性盐悬挂在装有低压气态氦的管子中 图 b 所示缓慢加入磁场 顺磁性盐发生磁化 图 c 所示打开阀门 抽空管内的氦气 使顺磁性盐失去传热介质 处于绝热条件下 图 d 所示打开阀门 移去磁场 顺磁性盐失磁 1 阀 2 装有低压气态氦的管子阀 3 顺磁性盐 4 阀减压液氦 绝热去磁制冷原理图 绝热制冷的卡诺循环装置工作原理 Details 将顺磁体放在装有低压氦气的容器内 通过低压氦气与液氦的接触而保持在1K左右的低温 加上磁场 量级为10 6A m 使顺磁体磁化 磁化过程时放出的热量由液氦吸收 从而保证磁化过程是等温的 顺磁体磁化后 抽出低压氦气而使顺磁体绝热 然后准静态地使磁场减小到很小的值 一般为零 利用固体中的顺磁离子的绝热去磁效应可以产生1K以下至mK量级的低温 例如从0 5K出发 使硝酸铈镁绝热去磁可降温到2mK 当温度降到mK量级时 顺磁离子磁矩间的相互作用便不能忽略 磁矩间的相互作用相当于产生一个等效的磁场 大小约10 4 10 3A m 使磁矩的分布有序化 这方法便不再有效 核磁矩的大小约为原子磁矩的1 2000 因此核磁矩间的相互作用较顺磁离子间的相互作用要弱的多 利用核绝热去磁可以获得更低的温度 绝热去磁制冷的特点 目前 绝热去磁法所能获取的温度在各种方法中是最低的 利用多级绝热磁法中可获取10 6K的极低温度 如果再利用核子去磁的方法 便可获得10 8K的更低温度 Part3 磁制冷指标影响因素 随着外部磁场的增加 循环最大温跨增加幅度减小 励 退磁过程的不可逆性越大 循环率减小 会使温跨减小 而这种下降趋势几乎呈指数形式 Part4 4种典型磁制冷循环 卡诺循环 布雷顿循环 斯特林循环 埃里克森循环 等温膨胀 绝热膨胀 等温压缩 绝热压缩 卡诺循环 它是由两个定容吸热过程和两个定温膨胀过程组成的可逆循环 而且定容放热过程放出的热量恰好为定容吸热过程所吸收 热机在定温 T1 膨胀过程中从高温热源吸热 而在定温 T2 压缩过程中向低温热源放热 斯特林循环 埃里克森循环 布雷顿循环 4种循环的比较 结论 卡诺循环适用于低温区域 要扩大制冷温度范围 埃里克森循环比较适宜 潜在市场分析及发展趋势 磁制冷除了应用在极低温及液化氦等小规模的制冷外 磁制冷在民用领域有巨大的潜在应用市场 如下表所示 另外 磁制冷在空间和核技术等国防领域也有广泛的应用前景 在这个领域里要求冷源设备的重量轻 振动和噪音小 操作方便 可靠性高 工作周期长 工作温度和冷量范围广 磁制冷机完全符合这些条件 例如冷冻激光打靶的氘丸 核聚变的氘和氚丸 红外元件的冷却 磁窗系统的冷却