تحقیق درباره تحلیل ترمودینامیکی و طراحی سیکل تبرید مغناطیسی

تحقیق درباره تحلیل ترمودینامیکی و طراحی سیکل تبرید مغناطیسی

فهرست مطالب
عنوان مطلب
چکیده
مقدمه
فصل اول فصل اول – معرفی سیکل تبرید مغناطیسی
تاریخچه
مبانی تبرید
مبانی مغناطیس
اثر مغناطیس-گرمایی
فصل دوم – فاکتورهای مهم در طراحی سیکل تبرید مغناطیسی
معرفی مواد مغناطیس-گرمایی
منگانیت ها
گادولینیوم
تحلیل ترمودینامیکی سیکل تبرید مغناطیسی
سیکل برایتون
سیکل اریکسون
سیکل کارنو
فصل سوم –انواع و کاربرد ها و مزایا و معایب تبرید مغناطیسی
نتیجه گیری
منابع و مآخذ

چکیده
هم اکنون تلاش زیادی برای توسعه مواد مغناطیس-گرمایی، که مبرد های یخچال های مغناطیسی هستند در بخش پژوهش در حال انجام است. این امر منجر به توسعه مداوم مواد جدید با عملکرد بهتر و تغییرات آنتروپی بالاتر، تغییرات دمای آدیاباتیک بالاتر و هیسترزیس پایین تر شده است. تمامی این فعالیت ها منجر به بالا رفتن پتانسیل این فناوری در بازار تبرید شده است. بازار های دیگری نیز در زمینه تهویه مطبوع، فراوری غذا، اتومبیل سازی، پزشکی و حتی گرمایش وجود دارند. با وجود اینکه این فناوری تا به حال برای دماهای بسیار پایین به کار می رفته است ولی همانطور که گفته شد در آینده نزدیک کاربرد آن در دماهای نزدیک به محیط نیز بسیار مورد توجه قرار خواهد گرفت به همین ترتیب در این مقاله محوریت با دماهای نزدیک به محیط است.

تحقیق درباره تحلیل ترمودینامیکی و طراحی سیکل تبرید مغناطیسی

مقدمه
این پروژه به منظور پایان نامه رشته کارشناسی پیوسته مهندسی مکانیک گرایش حرارت و سیالات دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب، با عنوان تحلیل ترمودینامیکی و طراحی سیکل تبرید مغناطیسی، زیر نظر استاد علی ابجدی به عنوان استاد راهنما،توسط اینجانب وحید نادرزاده انجام گردیده است. با موضوع تبرید مغناطیسی در کلاس مبانی تبرید و سردخانه آشنا شدم و پس از مطالعات اضافی در یافتم که موضوع مناسبی برای پایان نامه می باشد.
بازار فناوری تبرید بسیار وابسته به صنایع غذایی ،صنایع شیمیایی و دارویی وهمچنین صنایع خودرو سازی وغیره می باشد. بعضی از این صنایع دارای بازارهای به شدت درحال رشد ، به لطف افزایش درآمد کشورهای شرق اروپا ، هند و چین هستند. به علت آنکه تعداد تاسیساتی که بر مبنای فناوری های تبرید جایگزین سیکل تراکمی ساخته شده مانند سیستم های جذبی ،ادزورپشن ،الکتریک-گرمایی ،صوت-گرمایی و غیره ناچیز هستند هنوز سیکل تراکمی به عنوان اصلی ترین فناوری تبرید به کار می رود.
بنابراین تمایل به استفاده از سیستم های تراکمی برای تبرید خانگی نیز افزایش می یابد. بر اساس گزارش کمیسیون اروپا میزان گازهای HFC تولید شده در جهان از سال 1995 تا سال 2010 میلادی 62 درصد افزایش داشته است. که تهویه مطبوع و تبرید عامل 43 درصد آن بوده اند.
تقریباً زمان آن رسیده است که به جایگزین های سیکل تراکمی ، به عنوان مثال تبرید مغناطیسی توجه شود.
تبرید مغناطیسی بر مبنای خواص” مغناطیس-گرمایی ” بعضی از مواد فرومغناطیس عمل می- کند.با این که این فناوری در دهه سی میلادی برای اولین بار استفاده شد ولی از آن زمان تا دهه اخیر صرفاً کاربرد آزمایشگاهی یا به ندرت صنعتی برای کاربرد های خاص و دماهای مافوق سرد داشته است .تا اینکه اخیراً با توجه به کشف مواد با خاصیت مغناطیس گرمایی بالاتر از عناصر ساده متخصصان به این نتیجه رسیده اند که می توان از این فناوری به طور گسترده و در دماهای نزدیک به دمای محیط استفاده نمود و با توسعه این فناوری در بسیاری از کاربرد های رایج امروزی حتی تهویه خانگی می تواند جایگزین سیکل های تبرید و تراکمی گردد.

تحقیق درباره تحلیل ترمودینامیکی و طراحی سیکل تبرید مغناطیسی
اساس کار تبرید مغناطیسی به طور خلاصه به این ترتیب است که اگر جسمی از جنس ماده با خواص مغناطیس-گرمایی در معرض میدان مغناطیسی حاصل از سیم پیچ الکتریکی یا آهنربای دایمی قرار گیرد ،درجه حرارت آن بالا می رود ،حال اگر در همان شرایط اقدام به خنک کردن جسم تا دمای محیط یا حتی سرد تر از آن کنیم پس از آن که جسم از معرض میدان مغناطیسی خارج شود دمای آن به نسبت کاهش می یابد. به همین ترتیب می توان سیال عامل یک سیکل تبریدی دلخواه مانند سردخانه را با عبور از روی جسم مغناطیس-گرمایی سرد کرد و در سیکل به کار برد.
فناوری تبرید مغناطیسی بدون سیال عامل (مبرد) گازی عمل می کند و ضریب عملکرد آن (COP) می تواند بالاتر از سیستم های سنتی باشد.در نتیجه کاربرد آن در برخی زمینه باعث کاهش تولید گازهای مخرب می شود.

سیکل تبرید مغناطیسی به عنوان فناوری نوظهور در کشورهای پیشرفته شناخته می شود و مطالب منتشر شده در مورد آن نسبتاً اندک می باشد. با این حال می توان گفت که در کشورمان حتی برای بسیاری این فناوری کاملاً ناشناخته است و تمامی مطالب منتشر شده در مورد آن بسیار اندک و سطحی و گذرا می باشد و کاربرد آن نیز بسیار محدود می باشد.در نتیجه برای تهیه این پایان نامه به ناچار تقریباً فقط متکی به منابع خارجی زبان اصلی بودیم.
در پایان قصد دارم از استاد ابجدی برای وقتی که برای این پروژه قرار دادند و همچنین گروه مکانیک دانشکده قدردانی نمایم.

فصل اول – معرفی سیکل تبرید مغناطیسی

تاریخچه سیکل تبرید مغناطیسی
امیل گابریل واربورگ یک فیزیکدان آلمانی بود که در طول دوره کاری خود استاد فیزیک دانشگاه های استاسبورگ فرایبورگ و برلین بوده است.او در زمینه های تئوری سینتیک گازها، رسانایی الکتریکی، تخلیه های گازی، فرو مغناطیس و شیمی نور پژوهش هایی را انجام داد.در سال 1881 میلادی او اثر مغناطیس-گرمایی را در یک نمونه از آهن خالص کشف کرد، او مشاهده کرد که نمونه آهن وقتی در معرض میدان مغناطیسی قرار می گیرد به اندازه چند هزارم کلوین گرم تر می شود و وقتی که از میدان مغناطیسی خارج می شود دوباره به سمت دمای قبلی خنک می شود.

شکل 1. طرف راست امیل واربورگ. طرف چپ قسمت عنوان مقاله واربورگ در مورد اثر مغناطیس-گرمایی

خیلی زود پس از این کشف تسلا و ادیسون به صورت جداگانه و ناموفق در سال 1890 سعی کردند از این اثر برای راه اندازی موتورهای گرمایی برای تولید توان بهره ببرند. در سال 1918 وایس و پیکارد پدیده اثر مغناطیس-گرمایی را توضیح دادند.

تحقیق درباره تحلیل ترمودینامیکی و طراحی سیکل تبرید مغناطیسی
پیشرفت قابل توجه در این زمینه ابتدا در دهه 1920 میلادی تحقق یافت. در آن زمان تبرید به وسیله حذف آدیاباتیک خاصیت مغناطیسی در ماده فرومغناطیس به صورت مستقل توسط پیتر دبیه در سال 1926 و ویلیام ژیاک در سال 1927 ارائه شد.
فناوری تبرید مغناطیسی به طور آزمایشگاهی برای اولین بار توسط شیمیدان برنده جایزه نوبل ویلیام ژیاک و همکارش دی.پی. مکدوگال در سال 1933 برای مقاصد فوق سرد سازی با موفقیت به انجام رسید.در این آزمایش آنها موفق شدند به دمای 25/0 درجه کلوین دست یابند. بین سال های 1933 و 1997 پیشرفت هایی در زمینه اثر مغناطیس-گرمایی به وقوع پیوست .و این فناوری به عنوان یک روش استاندارد برای فوق سردسازی در آزمایشگاه های فیزیک مرسوم شد.
در سال 1997 اولین نمونه عملی تبرید مغناطیسی برای سرد سازی تا دماهای نزدیک به دمای محیط توسط کارل گشنایدر از دانشگاه ایالتی آیووا به نمایش درآمد.در سال 2001 اولین یخچال با دمای نزدیک به دمای محیط با استفاده از آهنربا های دائمی توسط موسسه فضانوردی آمریکا ساخته شد.

در سال 2002 تحول بزرگی در این زمینه از فناوری رخ داد. در این سال گروهی از دانشگاه آمستردام اثر مغناطیس-گرمایی عظیم را در آلیاژهایی از آهن و منگنز کشف کردند، که در کره زمین به وفور یافت می شوند. در حقیقت این کشف باعث ایجاد امید بالایی برای آینده این فناوری شد.
یخچال های بر مبنای اثر مغناطیس-گرمایی تا به حال در آزمایشگاه ها با میدان های مغناطیسی از 6/0 تسلا تا 10 تسلا ساخته شده اند. قابل توجه است که میدان مغناطیسی بالاتر از 2 تسلا با استفاده از آهنربای دائمی قابل تحقق نمی باشد و به طریق مغناطیس ابر رسانا ایجاد می شوند.مغناطیس ابر رسانا یک نوع آهنربای الکتریکی است که در سیم پیچ خود به جای سیم معمولی از ابر رساناهایی که تا دماهای بسیار پایین سرد شده اند استفاده می کند.نمونه هایی از یخچال های نزدیک دمای محیط در زیر آورده شده است:
مبرد جامد میدان مغناطیسی(T) Max ΔT حداکثر توان برودتی(w) نوع سال موسسه/شرکت
Gd 5 10 600 نوسانی 1997 دانشگاه آیووا
Gd 95/0 5 دورانی 2000 ماتر بارسلون
Gd 4 21 100 نوسانی 2000 شرکت توشیبا
Gd & Gd1−xTbx L.B. 2 14 2 نوسانی 2001 دانشگاه ویکتوریا
Gd 5/1 25 95 دورانی 2001 فضانوردی آمریکا
Gd 4/1 23 نوسانی 2002 دانشگاه نانجینگ
Gd 2 5 نوسانی 2004 دانشگاه واشنگتن
Gd and GdEr 5/1 25 95 دورانی 2004 فضانوردی آمریکا
Gd, Gd0.74Tb0.26 and Gd0.85Er0.15 2 50 15 نوسانی 2006 دانشگاه ویکتوریا

تحقیق درباره تحلیل ترمودینامیکی و طراحی سیکل تبرید مغناطیسی

امروزه تمایل برای تحقیق و پژوهش در زمینه تبرید مغناطیسی بر ارتقای مواد مغناطیس-گرمایی، آهنرباها و جنس آنها، ترمودینامیک و دینامیک سیالات مربوط به این زمینه و بهینه سازی ساختمان دستگاه ها متمرکز می باشد.
تبرید
می دانیم گرما در جهت کاهش درجه حرارت انتقال می یابد. یعنی از محیط گرم به محیط سرد. در طبیعت بدون نیاز به تجهیزات خاصی این فرایند انجام می پذیرد. ولی از جهت دیگر معکوس این فرایند به خودی خود انجام نمی شود. انتقال گرما از محیط سردتر به محیط گرم نیازمند تجهیزات خاصی به نام یخچال می باشد.
یخچال ها مانند موتورهای گرمایی دارای سیکل هستند و ماده عمل کننده در این سیکل (ماده عامل) مبرد نامیده می شود. پرکاربرد ترین نوع سیکل تبرید ،سیکل تراکم بخار می باشد شامل چهار جز می باشد: کمپرسور، کندانسور، شیر انبساط و اواپوراتور. همانطور که در شکل2.الف. نشان داده شده است. مبرد به صورت بخار وارد کمپرسور می شود و تا فشار کندانسور فشرده می شود. کمپرسور را با دمای نسبتاٌ زیادی ترک می نماید و در طول لوله های کندانسور با انتقال حرارت به محیط پیرامون خنک شده و مایع می شود. سپس وارد یک لوله مویین می شود که فشار و دمای آن به شدت به علت پدیده خفقان افت می کند. مبرد دمای پایین سپس وارد اواپراتور می شود که با

تحقیق درباره تحلیل ترمودینامیکی و طراحی سیکل تبرید مغناطیسی

پسورد فایل: www.bazaarfile.ir