Исследовательская группа из Университета Генуи (Италия) опубликовала результаты разработки и оптимизации нового прототипа роторного магнитного холодильника, предназначенного для работы при комнатной температуре. Эта работа знаменует собой значительный шаг в развитии энергоэффективных и экологически безопасных технологий охлаждения, основанных на использовании магнито-калорического эффекта (МКЭ). Проект демонстрирует, как комплексный инженерный подход и современное численное моделирование позволяют преодолевать ключевые технологические барьеры, стоящие на пути коммерциализации магнитного охлаждения.
Суть технологии: охлаждение с помощью магнитов
В отличие от традиционных парокомпрессионных холодильников, использующих хладагенты с высоким потенциалом глобального потепления, магнитное охлаждение — это твердотельная технология. Она основана на способности специальных материалов (магнито-калорических материалов, МКМ) изменять свою температуру при наложении или снятии магнитного поля. Гадолиний (Gd) является эталонным материалом в этой области благодаря своему сильному МКЭ вблизи комнатной температуры.
Ключевым элементом эффективного магнитного холодильника является активный магнитный регенератор (АМР), который выполняет роль одновременно рабочего тела и теплообменника. Исследователи сфокусировались на роторной конфигурации, которая, по сравнению с линейно-возвратными системами, позволяет достичь более высоких рабочих частот благодаря плавному, самобалансирующемуся движению.
Инновационный дизайн и оптимизация
Прототип, получивший название Twister 1.0, был разработан с учетом ряда строгих требований: использование постоянных магнитов для упрощения конструкции, снижение веса, обеспечение «двойного эффекта» для максимального использования МКМ, отказ от клапанов, а также простота сборки и обслуживания.
Магнитная система: Для создания необходимого переменного магнитного поля была выбрана и оптимизирована X-образная конфигурация из мощных неодимовых (NdFeB) магнитов. Использование методов конечно-элементного анализа (FEM) в COMSOL Multiphysics позволило сформировать четыре четко выраженные зоны за один оборот: две зоны с высокой (0.945 Тл) и две зоны с низкой (0.056 Тл) плотностью магнитного потока, между которыми вращается регенератор. Такая оптимизация позволила увеличить разницу между максимальным и минимальным полем примерно на 28% по сравнению с базовым квадратным дизайном, что напрямую повысило производительность
Регенератор и МКМ: Сердцем устройства является вращающаяся активная матрица, состоящая из сменных картриджей, напечатанных на 3D-принтере. В эти картриджи помещаются пластины гадолиния чистотой 99.5%. Плоская геометрия пластин была выбрана как наиболее экономически эффективная. Зазоры между пластинами оптимизированы для обеспечения равномерного течения теплоносителя (смеси вода/гликоль 70/30% по массе) и минимизации гидравлических потерь. Оптимальная доля пустот (void fraction) составила 0.35. Такой модульный дизайн не только упрощает обслуживание, но и открывает возможность для быстрой замены и тестирования различных МКМ в будущем.
Тепло-гидравлическая модель и управление: Для точного прогнозирования работы системы исследователи разработали нестационарную конечно-разностную модель, реализованную в собственном программном обеспечении MAGROT. Модель учитывает все ключевые процессы: конвективный теплообмен между МКМ и жидкостью (с числом Нуссельта ~8.0 в рабочих условиях), теплопроводность, магнито-калорический эффект и потери на трение.
С помощью этой модели был проведен параметрический анализ для определения оптимальных режимов работы. Результаты показывают, что холодопроизводительность устройства резко падает при увеличении перепада температур между горячим и холодным контуром (ΔTspan) выше 15 К. Для каждого конкретного ΔTspan были найдены оптимальные комбинации частоты вращения и массового расхода жидкости. Важно, что для достижения 95% от максимальной производительности не требуется точная настройка частоты — достаточно соблюдать оптимальный диапазон расхода, что упрощает систему управления.
Ключевые результаты производительности
Сравнение базовой и оптимизированной конструкции наглядно демонстрирует прогресс:
- Холодопроизводительность при ΔTspan (перепад температур)= 15 К: выросла с 51.56 Вт до 118.59 Вт.
- Удельная холодопроизводительность (на кг МКМ): увеличилась с 33.24 Вт/кг до 49.22 Вт/кг, что свидетельствует о более эффективном использовании дорогостоящего гадолиния. Это химический элемент из группы лантаноидов (редкоземельных металлов) с атомным номером 64. В контексте магнитного охлаждения гадолиний является ключевым магнито-калорическим материалом (МКМ).
- Масса устройства: возросла с 16.5 кг до 49 кг, что в основном связано с увеличением размеров для размещения более мощной магнитной системы и большего количества МКМ. При этом компактность конструкции была сохранена.
Интеграция и перспективы
В настоящее время оптимизированный прототип интегрирован в специализированный испытательный стенд. Стенд включает внешние высокоэффективные теплообменники (холодный и горячий), насосы, двигатель и систему сбора данных (температура, давление, расход, крутящий момент). Этот комплекс позволит провести экспериментальную валидацию результатов моделирования в ближайшем будущем.
Авторы подчеркивают, что, несмотря на очевидный прогресс, магнитное охлаждение остается молодой технологией. Основными вызовами для ее широкого внедрения являются высокая стоимость постоянных магнитов и магнито-калорических материалов, а также необходимость дальнейшего совершенствования надежности и эффективности систем. Предложенное в работе использование 3D-печати для создания регенераторов и модульной конструкции картриджей рассматривается как перспективный путь к снижению затрат и упрощению производства.
«Наша работа демонстрирует, что за счет междисциплинарного проектирования и глубокой численной оптимизации ключевых компонентов можно существенно улучшить показатели роторных магнитных холодильников, — заключают исследователи. — Устранение клапанов, внедрение адаптивного управления и модульная конструкция являются важными шагами на пути к созданию коммерчески жизнеспособных устройств для экологичного охлаждения».
Дальнейшие исследования команды будут направлены на экспериментальную проверку модели, изучение альтернативных МКМ и поиск решений для дальнейшего снижения себестоимости.
Полный текст научной работы — в оригинальной публикации.