Современные системы охлаждения в промышленности, автомобильной отрасли и домашнем хозяйстве используют для охлаждения такие химические вещества, как фторуглеводороды, хлор-содержащие углеводороды или аммиак, которые влияют на окружающую среду, и в частности разрушают озоновый слой. Используемая в настоящее время технология на основе сжатия пара была разработана около 100 лет тому назад. Несмотря на то, что со временем она была улучшена, ее эффективность значительно не возросла.

Доктор инженер Серджиу Лионте, исследователь и аспирант Национального института прикладных наук INSA в Страсбурге, Франция, говорит, что магнитное охлаждение – это инициатива, вызванная необходимостью оптимизировать затраты на энергию, а также желанием создать возобновляемый источник энергии, который был бы экологически чистым. По сравнению с нынешней системой охлаждения, технология имеет три преимущества. Во-первых, затраты на энергию будут снижены наполовину по сравнению с традиционными классическими системами, так что новая технология весьма эффективна. Во-вторых, воздействие на окружающую среду будет достаточно низким, так как она использует воду в качестве рабочей жидкости, устраняя необходимость вредных веществ, таких как фреоны и аммиак. Третьим основным преимуществом является отсутствие шума. Это тихий продукт, поскольку он не использует компрессор, как в традиционной технологии.

Прототип магнитного холодильника

Каков механизм работы этой системы охлаждения?

Исследователь Серджиу Лионте, который прибыл во Францию после получения стипендии и желая принять участие в разработке амбициозного проекта, объясняет, что система основана на магнитокалорическом эффекте. "Этот эффект является свойством некоторых магнитных материалов нагреваться при помещении в переменное магнитное поле. Лаборатория LGeCo Национального института прикладных наук INSA в Страсбурге, использует концепцию, основанную на четырех этапах, которая оптимизирует этот эффект в рамках циклического процесса и использует при охлаждении:

Так на первом этапе магнитокалорический материал, помещенный в сильное магнитное поле, нагревается. Впоследствии тепло отводится посредством охлаждающей жидкости. Рабочая жидкость поглощает тепло и охлаждает магнитокалорический материал. На третьем этапе материал удаляется из магнитного поля и охлаждается, но так как он уже частично охлажден жидкостью, его температура падает ниже начальной температуры. На последнем этапе эта разница температур направляется в среду, которую мы хотим охладить, в нашем случае - холодильник. Затем, температура материала снова возрастает до начальной температуры, процесс может быть возобновлен.

Принцип действия обеих систем охлаждения - магнитной и на основе сжатия пара

Магнитокалорический материал, используемый в этом процессе, Gadolinium – редкий природный элемент. Партнеры, работающие над проектом, в котором занят и румынский исследователь, используют Lantan, более высокий элемент, чем Gadolinium, для получения некоторых сплавов.

Магнитная система охлаждения в настоящее время разрабатывается в рамках проекта MagCool, разрабатываемого Национальным институтом прикладных наук INSA в Страсбурге, Франция, вместе с компанией Cooltech и другими партнерами, как Лабораторией AMES, США, Лабораторией Riso из Технического университета Дании и Имперским колледжем в Лондоне, Англия. Четыре ведущих мировых игрока ведут жестокую борьбу. Стоит вопрос: кто первым принесет на рынок холодильные установки, созданные на основе этой технологии?

Единственным недостатком является высокая стоимость магнитов и магнитокалорических материалов, но он исчезнет после индустриализации продукта, поскольку спрос будет высоким, цена за единицу товара упадет.

Данная информация получена от доктора инженера Серджиу Лионте, исследователя в рамках проекта MagCool, Страсбург, Франция, во время обсуждения, состоявшегося 25 августа 2013 года.

Если вам понравился этот материал, то предлагаем вам подборку самых лучших материалов нашего сайта по мнению наших читателей. Подборку - ТОП материалов о принципах экотуризма, туристических маршрутах, обзор и анализ предложений вы можете найти там, где вам максимально удобно

Схема уровней атомов в кристаллах поможет нам разобраться в интересном методе охлаждения, который можно придумать, только хорошо зная квантовую механику.

При низких температурах прекращается почти всякое движение - поступательное, вращательное. Однако даже при температурах, меньших 1 К, спины атомов продолжают вести себя, как атомы идеального газа,- они обмениваются энергией (хотя и слабо), и их положение в пространстве (их проекции на направление магнитного поля) может изменяться почти свободно. В таких элементах, как редкоземельные, электроны заполняют внутренние оболочки атомов, и их спины почти не чувствуют других электронов. Следовательно, и магнитные моменты ведут себя, как свободные.

На этом свойстве электронов основан метод получения сверхнизких температур - магнитное охлаждение.

Если наложить на кристалл, в который входят атомы редкоземельных элементов, магнитное поле и позаботиться о том, чтобы кристалл не нагрелся (т. е. включать поле изотермически), то, как говорилось, спустя небольшое время все магнитные моменты (если они положительны, т. е. если g >0) установятся по полю, так сказать, стрелкой на юг. Здесь надо подчеркнуть, что после выключения поля кристалл со спиновой системой оказывается не в изотермических условиях, а в адиабатических, т. е. он теплоизолирован. Если теперь быстро выключить магнитное поле, то возникнет необычная картина. Поля нет, все спины направлены в одну сторону, а не разбросаны хаотически, как это должно было быть в тепловом равновесии. Правда, мы предположили, что, кроме движения спинов, в системе ничего не происходит (движением атомов, их колебаниями мы пренебрегли). Теперь надо уточнить картину. Атомы в кристаллической решетке на самом деле колеблются, так как решетка имеет некоторую температуру Т . Интенсивность колебаний и определяется этим значением T . Движение атомов передается и спинам, так как при движении зарядов возникает слабое переменное магнитное поле. Поэтому спины находятся не в полной изоляции, а в "термосе", имеющем температуру Т .

Когда с помощью внешнего магнитного поля все спины оказываются выстроенными в одном направлении, то возникает порядок, который не может сохраняться без поля. Спины должны изменять свое направление (в результате взаимодействия с колеблющимися атомами) и стремиться расположиться хаотически - так, чтобы любая из его проекций встречалась с одинаковой вероятностью. При таком процессе должен возникнуть обмен энергией между спинами и колебаниями атомов.

=В 0 )">
Рис. 30. Адиабатическое размагничивание. Энтропия как функция температуры без поля (B =0) и в поле (В=В 0 )

Однако на первый взгляд трудно понять, в какую сторону будет передаваться энергия - будут ли колебания атомов усиливаться или же ослабляться.

Чтобы ответить на этот вопрос, надо привлечь на помощь энтропию. Энтропия спинов должна возрастать; это значит, что должен возникнуть поток тепла от решетки (колебаний атомов), которая находится в тепловом равновесии, к спинам: спины возвратятся в хаотическое состояние, а колебания атомов несколько затухнут.

Это означает, что кристалл охладился. Так следует из теории. На рис. 30 схематически изображено, как изменяются температура и энтропия в такой системе. Верхняя кривая описывает зависимость энтропии кристалла от температуры, когда величина поля равна нулю; нижняя кривая - ту же зависимость при включенном внешнем поле. Обе кривые сходятся к одной точке при T =0. Это есть следствие теоремы Нернста, о которой мы уже говорили. Если поле выключают быстро, так что энтропия кристалла не изменяется (это и называется адиабатическим размагничиванием), то температура падает, поскольку точки с одинаковым значением S лежат на разных кривых при разных Т . Опыты подтвердили предсказания. Можно ли было придумать такой способ охлаждения, если бы не знать тонкости теории?

Метод магнитного охлаждения был предложен в 1926 г. Джиоком в США и независимо (даже несколькими неделями раньше) Дебаем в Германии. Этим методом были достигнуты температуры примерно до 0,003 К. Более низких температур получить таким способом не удается, так как спины перестают двигаться свободно; их упорядоченность (все смотрят в одну сторону), возникающая из-за взаимодействия между ними (как между стрелками компасов, расположенных друг около друга), не разрушается слабым тепловым движением атомов.

Можно спуститься по температурной шкале еще ниже, если использовать очень большие магнитные поля - в несколько тесла. В таких полях можно ориентировать магнитные моменты ядер и повторять все описанные операции уже не с электронами, а с ядрами.

В 1956 г. Симон достиг таким способом температуру 0,000016 К. К сожалению, этот рекорд не вполне реален. Ядра очень слабо взаимодействуют с электронами (такое взаимодействие называют сверхтонким), и ядрам почти невозможно получить от решетки энтропию. Ядра на самом деле медленно нагреваются, а температура решетки не падает - решетка успевает восполнить потерянное тепло из окружающей среды (несмотря на всяческие ухищрения экспериментаторов). Путь в область милликельвинов (тысячных кельвина) казался закрытым. Как охладить до 0,001 К и ниже не иллюзорную систему спинов, а кусок вещества?

Оказалось, возможно и это!

Растворение соли понижает температуру раствора. Этот простой и хорошо известный эффект помог физикам. Оказалось, что если растворять газ гелий с атомной массой 3 (3 Не) в обычном жидком гелии, то температура раствора понижается. Так получают температуру до 0,001 К.

Но есть более хитрый способ; его придумал И. Я. Померанчук. Способ этот тоже связан с 3 Не.

Чтобы понять, в чем состоит этот метод, надо нарисовать кривые энтропии двух фаз 3 Не - твердого и жидкого-вблизи абсолютного нуля (рис. 31). Согласно квантовой механике, при абсолютном нуле все системы находятся в своем наинизшем состоянии и энтропия такого состояния равна нулю * - энергия же минимальная. При этом, что очень важно, энтропия обеих фаз (жидкости и твердого тела) при 0 одинакова, переход от одной фазы в другу происходит без изменения энтропии, без изменения энергии. Это свойство было постулировано Нернстом и является одной из формулировок третьего начала термодинамики.

* (Точнее, она обращается в постоянную, одинаковую для обеих фаз. Сравнение абсолютных значений энтропии разных веществ, не превращающихся одно в другое, не имеет смысла. )

>
Рис. 31. Энтропия 3 Не в жидкости и твердой фазе

Для метода Померанчука важно, что кривые расположены так, что при одной и той же температуре энтропия твердой фазы больше энтропии жидкой фазы. Если бы кривые расположились иначе, метода не существовало бы.

Суть метода можно понять на рис. 29. Если вести процесс охлаждения, адиабатически сжимая жидкость и переводя ее в твердую фазу, то, как это видно из рисунка, температура 3 Не будет понижаться. Так получена сейчас температура около 0,001 К. При 0,002 К жидкий 3 Не становится, подобно 4 Не, сверхтекучим, и в этой области сейчас открылся необычайно сложный и интересный мир физических явлений. Их описание, к сожалению, уже выходит за рамки нашей темы.

Внешне метод Померанчука похож магнитное охлаждение. В действительности эта аналогия даже более глубокая. Весь эффект связан с тем, что ядра 3 Не имеют спин (ядра обычного 3 Не спина не имеют). В жидком 3 Не спины при очень низких температурах упорядочиваются, выстраиваются параллельно друг другу, В твердом 3 He эти же спины "раскиданы" в беспорядке вплоть до температуры около 0,003 К. Переход из жидкого состояния в твердое похож поэтому на адиабатическое выключение магнитного поля (спины разбрасываются), а обратный переход - это намагничивание. Энтропия твердой фазы (при той же температуре) больше энтропии жидкости из-за спинов. Следует иметь в виду, что на самом деле картина расположения спинов в твердом 3 Не более сложная, но для объяснения эффекта достаточно описанной схемы.

Физика низких температур вступила сейчас в новую эпоху. Область милликельвинов сулит еще много сюрпризов.

Атомы парамагнитных веществ обладают постоянным магнитным моментом. При отсутствии внешнего магнитного поля в результате теплового движения эти моменты ориентированы хаотично. Количественной мерой такого состояния является энтропия, которая в данном случае называется магнитной энтропией S М. Согласно принципу Больцмана

S М = k , (47)

где W м – термодинамическая вероятность, равная числу способов распределения n атомов парамагнетика по подуровням, на которые расщепляется каждый уровень атома в магнитном поле. При наложении и увеличении магнитного поля вплоть до насыщения все магнитные моменты атомов ориентированы вдоль поля. Магнитная энтропия парамагнетика в этом состоянии обращается в нуль. Если процесс намагничивания парамагнитного образца происходит при постоянной температуре, то уменьшение энтропии на DS вызывает выделение теплоты DQ =T DS. Эта теплота отводится от образца в окружающую среду. В качестве такой среды используют жидкий гелий.

После установления равновесия гелий удаляется и образец оказывается теплоизолированным и подвергается медленному адиабатическому размагничиванию, при котором его магнитная энтропия вновь повышается на DS.

Рис. 17

Такой рост энтропии требует подвода тепла, источником которого являются только тепловые колебания решетки. В результате температура образца понижается (рис. 17). Таким способом удалось достичь температур ниже 0,001 К.

При приближении к абсолютному нулю температур теплоемкость уменьшается до нуля и, следовательно, понижение температуры может быть значительным. Дебай и Джиок предложили применять обратимое адиабатическое размагничивание для понижения температуры образца при приближении к абсолютному нулю. Этот метод стал основным для получения сверхнизких температур.

В качестве парамагнетика используют некоторые парамагнитные соли, например, квасцы, в которые вводят ионы переходных элементов группы железа. Парамагнитная соль помещается в сильное магнитное поле, предварительно охлажденная до гелиевых температур (~ 4,2 К), а затем магнитное поле снимается. Этот метод позволил достичь температур ~ 3×10 - 3 К.

Если же вместо электронных использовать “ядерные” парамагнетики, у которых парамагнетизм обусловлен ориентацией магнитных моментов атомных ядер, то можно получить температуры ~10 - 5 К.

МАГНИТНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ - метод получения низких и сверхнизких темп-р путём адиабатич. размагничивания парамагн. веществ, предложенный П. Дебаем и У. Джиоком (P. Debye, W. Giauque, 1926). Ранее этот метод широко использовался для получения темп-р от 1 до 0,01 К с применением парамагн. солей, Для достижения темп-р этого диапазона используют в основном растворения 3 Не в 4 Не (см. Криостат) , но своё значение метод М. о. сохранил для ванфлековских (см. Ванфлековский парамагнетизм )и ядерных парамагн. систем, с использованием к-рых удаётся получать темп-ры милли-, микро- и даже нанокельвинового диапазона.

Для примера рассмотрим размагничивания меди. Существует два стабильных изотопа меди: 63 Сu (69,04%) и 65 Сu (30,96%). Оба изотопа имеют ядерный спин I =3/2, величина g-фактора меди с учётом вклада изотопов . При темп-рах энтропия S меди определяется ориентац. степенями свободы ядерных магн. моментов, т. к. электронные и степени свободы при столь низких темп-рах практически отсутствуют ("вымерзли"). Энтропия моля меди описывается ф-лой

где - молярная ядерная константа Кюри, X А*м 2 - ядерный магнетон , - магнитная постоянная , R - , N A - Авогадро постоянная, В - внеш. магн. поле, b - эффективное поле, наводимое на ядре меди соседними ядрами. Температурные зависимости энтропии меди, помещённой в различные внеш. магн. поля, показаны на рис.

Энтропийная диаграмма процесса магнитного охлаждения системы ядер меди с I = 3/2. . Кривые линии - зависимости энтропии S от температуры Т в магнитных полях с индукцией В , равной 8 Тл, 50 мТл и 0,3 мТл.

Процесс ядерного размагничивания меди осуществляют поэтапно. Первоначально медь охлаждают в сильном магн. поле (до точки Б на рис.). При этом внеш. холодильник, к-рым обычно является криостат растворения, отводит от меди тепло. Затем проводят процесс адиабатич. размагничивания (Б-В на рис.), к-рый идёт с сохранением энтропии меди. Скорость этого процесса обычно выбирается такой, чтобы тепловые потери за счёт токов Фуко были пренебрежимо малы. Конечная темп-pa Т к подсистемы ядер меди определяется значениями начального и конечного полей размагничивания (B H и В к )и без учёта тепловых потерь во время размагничивания равна

Ядерная теплоёмкость С меди после размагничивания также зависит от величины конечного поля

После размагничивания подсистема ядер может быть использована в качестве хладагента для охлаждения других систем (процесс ВГ), а затем медь снова намагничивают (процесс ГА). На рис. проиллюстрирован также эксперимент по глубокому охлаждению ядер меди (Б-Д), в к-ром удаётся получить темп-ру ядер 10 нК.

Практич. применение метода М. о. ограничено относительно плохим контактом магн. подсистемы с др. подсистемами вещества. В результате при охлаждении подсистемы ядер меди до К электроны проводимости остаются охлаждёнными лишь до , а жидкий гелий удаётся охладить только до (из-за Капицы скачка температуры ). С др. стороны, количество теплоты, к-рое может поглотить система ядерных спинов, тем меньше, чем ниже темп-pa. Поэтому при использовании ядерного размагничивания в качестве метода охлаждения темп-ру подсистемы ядер обычно поддерживают близкой к темп-ре охлаждаемых образцов.

Одной из разновидностей метода М. о. является т. н. метод охлаждения ядер во вращающейся системе координат. Метод эффективен, когда тепловой контакт подсистемы ядер (спиновой ядерной системы) с др. подсистемами вещества пренебрежимо мал. В этом методе на спиновую систему непрерывно воздействуют радиочастотным полем, к-рое можно рассматривать как стационарное, если для спинов ввести вращающуюся с частотой поля систему координат. При переходе во вращающуюся систему координат к внеш. магн. полю В необходим добавить эффективное поле - частота, -

Компания General Electric объявила о выпуске охлаждающих установок, в основе которых лежит магнитокалорический эффект, и представила опытный образец. В этой установке нет ни жидких хладагентов, ни компрессора. Не имеется также и термоэлектрических преобразователей, столь известных в автохолодильниках, снаряжении для туристов и системах, охлаждающих компьютеры.

По своей конструкции магнитный холодильник достаточно простой. Определенный объект, при охлаждении отдает своё тепло пластинам из металла. Они взаимодействуют с теплоносителем, внутри которого под влиянием магнитного поля производятся циклические изменения.

Для исследования в лаборатории, имеется целый список веществ подходящий для роли теплоносителя в магнитном холодильнике. В этот список входят Ферро, Антиферро, и ферримагнетики, но основной магнитокалорический эффект больше всего имеется у определенных парамагнетиков.

Здесь можно выделить, конечно, зависимо от определенной задачи, основной теплоноситель - это парамагнитный материал в разнообразном агрегатном свойстве. Наиболее подходит применение окиси азота или алюминия.

Парамагнетики имеют полярные молекулы, значит у них есть магнитное поле. Обычно они беспорядочно ориентированы по причине теплового взаимодействия. По внешнему магнитному полю они более расположены по направлению магнитных линий. За счет чего изнутри парамагнетики временно упорядочены. Образуется обратимое снижение энтропии, которое приводит к падению температуры.

При эксперименте эффект хорошо виден в адиабатических условиях - это когда имеется теплоизолирующая оболочка снаружи парамагнетика. Если оболочку удалить, то произойдёт выравнивание температуры с окружающей средой. Под действием переменного магнитного поля, парамагнетики начинают аккумулировать тепло (снижая температуру воздуха и тел поблизости), а далее передают его радиатору. Потом тепло, как и в любом холодильнике уходит в окружающую среду.

Установки охлаждения в основе которых магнитокалорический эффект применимы не только в бытовых, но и в промышленных масштабах - а именно для производства малозатратных и надёжных систем охлаждения в дата-центрах и серверных. По словам автора исследования - это путь к революции в охлаждающих системах.

Идея создания магнитных холодильников существовала давно. Профессор германского университета Эмиль Варбург описывал тепловые проявления в парамагнетиках ещё в 1881 году. Долго данная работа не применялась, по причине низкой производительности установок.

Через столетие в 1980 году, исследователи Лос-Аламской лаборатории (США) все же получили нужное магнитокалорическое влияние используя дорогостоящий магнит со сверхпроводной обмоткой.

Экономически приемлемыми эти системы смогли сделать недавно - применяя новые материалы и подход к реализации такого теплообмена. GE предлагает не применять переменное магнитное поле при помощи индуктивных катушек, а использовать вращающиеся постоянные неодимовые магниты.

Данный метод понижает затраты электроэнергии и дает возможность производства экономичных магнитных холодильников. По имеющимся данным, они энергоэффективнее обычных систем охлаждения на 20%. Хотя имеется только экспериментальная модель устройства, но она уже с легкостью замораживает воду в лёд.