التبريد المغناطيسي الجزء الثاني

MIT-Magnetic-Cooling-01

كيفية عمل الثلاجات المغناطيسية

بشكل عام الثلاجة المغناطيسية تتألف من مواد مغناطيسية حرارية ، تأخذ شكلاً (مسامياً) يدعى المغناطيس الفعال المتجدد (AMR).
(AMR) له دور أساسي في عملية التبريد (يحتوي على المواد المغناطيسية الحرارية) إضافة إلى دوره في عملية تجديد التبريد.

*

لذلك فإن العناصر الأساسية للثلاجة المغناطيسية تتكون من هيكل النموذج الذي يولد المجال المغناطيسي (جهاز كهرومغناطيسي أو مغناطيس دائم الفعالية )، بالإضافة إلى مبادلين حراريين من النوع السطحي ،والمائع المستخدم فيهما يقوم بنقل الحرارة من المادة المغناطيسية الحرارية المتوضعة داخل AMR وعبر المبادلين الحراريين السطحيين أي نقل الحرارة من الحجرة المراد تبريدها (صندوق الثلاجة) إلى الوسط المحيط.

*
في الثلاجة المغناطيسية المزودة ب AMR تتم عملية التبريد وطرد الحرارة الزائدة فيها من خلال أربعة مراحل أساسية:

*

Magnetoc 1

العمليات الترموريناميكية في الثلاجة المغناطيسية

*

أ‌- العملية المغناطيسية الأديباتية (كظم الحرارة) :
إن AMR المغناطيس الفعال المتجدد يتعرض للتغيير ،وخصوصاً عند ازدياد الحقل المغناطيسي المطبق ولذلك فإن كل قطعة من المادة المغناطيسية الحرارية داخل AMR ترتفع درجة حرارتها.
*
ب‌- يتدفق المائع من المبادل الحراري الذي يحتوي على مائع بارد (CHEX ) يسار الشكل الموضح عبر المادة المغناطيسية الحرارية التي ارتفعت درجة حرارتها في العملية السابقة ومنها إلى المبادل الحراري الساخن (HHEX ) يمين الشكل الموضح حيث تنتقل الحرارة التي يحملها المائع بسبب تلامسه للمادة المغناطيسية الحرارية المرتفعة درجة الحرارة وبالتالي يقوم (HHEX ) بطرح الحرارة إلى الوسط المحيط.
*
ت‌- العملية اللامغناطيسية الأديباتية (كظم الحرارة( :
يعود التغير إلى الحدوث في AMR وذلك بسبب نقصان في الحقل المغناطيسي المطبق ،ووفقاً لذلك كل قطعة من المادة المغناطيسية الحرارية داخل AMR تنخفض درجة حرارتها.

*

ث‌- يعاود المائع التدفق من المبادل الحراري الساخن (HHEX ) عبر المادة المغناطيسية الحرارية المنخفضة درجة الحرارة وبالتالي يبرد هذا المائع ويدخل بارداً إلى المبادل الحراري البارد (CHEX ) حيث يتم فيه امتصاص الحرارة المتبقية من الوسط المحيط وهنا تحدث عملية التبريد التي نريد الحصول عليها حيث يتم وضع حجرة التبريد بشكل ملامس للمبادل الحراري الذي يحتوي على مائع بارد (CHEX ).

*
والشكل يوضح العمليات الترموديناميكية (دارة برايتون) للتبريد المغناطيسي والأطوار كافة في AMR حيث الخطوط المنقطة تمثل تغير درجة الحرارة في بداية كل طور(مرحلة) والخطوط المستقيمة تمثل تغير درجة الحرارة عند نهاية كل طور(مرحلة ).

*

وبشكل عام يمكننا توليد حقل مغناطيسي للقيام بعمليتي الجذب والتنافر داخل المغناطيس الفعال المتجدد AMR بطريقتين، ومن أجل عملية توليد تدفق مغناطيسي عالي الكثافة ، نحتاج إلى استخدام مغناطيس كهربائي أو ناقل مغناطيسي فعال، ولكن هذا يستنزف كمية كبيرة وزائدة من الطاقة، وعندها سيتطلب هذا تكلفة عالية وحجم وكتلة كبيرين للنموذج المصمم وهذا غير مناسب أبداً إذا أردنا التوسع في استخدام الثلاجات المغناطيسية صناعياً وتجارياً.

*

إن استخدام مغناطيس دائم وفعال يمكنه توليد حقل مغناطيسي منخفض الكثافة بشكل أكبر من الحقل المولد بالأجهزة الكهرومغناطيسية ،وهذا يرافق استهلاك قليل للطاقة للقيام بعملية التشغيل وهذه فائدة كبيرة مقارنة بالأجهزة الكهرومغناطيسية وفي السنوات الأخيرة سيكون التركيز حول البحث و تطوير مواد ذات فعالية مغناطيسية أقوى وتدوم أطول لتوليد وتركيز الحقل المغناطيسي المطلوب.

*

النموذج الكامل والحالي للثلاجة تم تقديمه في هذه الورقة البحثية التي كانت محصلة تجارب وتصاميم تم تطويرها في مختبرات التبريد ومختبرات عناصر الآلات في كلية الهندسة الميكانيكية ،جامعة لجوب لجانا، سلوفينيا.

*
ويرتكز التصميم على المغناطيس الفعال المتجدد AMR حيث تثبت أعداد منه على اسطوانة دوارة ،ويقوم بتدويرها محرك دوراني ،وأما الحقل المغناطيسي فيتم توليده عن طريق مغناطيس دائم وفعال مكون من خليطة معدنية:
ND-Fe-B (neodymium النيوديميوم- الحديد – boronالبورون)حيث يتم استخدامها لتشكيل مادة مغناطيسية معدنية.

*

Magnetoc 2

 

الاسطوانات الدوارة و الحجرات التي يوضع فيها المغناطيس الفعال المتجدد AMR

*

ويتم تثبيت ،وتركيز أربع مغنطيسات مصنوعة من المادة التي ذكرت سابقاً على الاسطوانة الدوارة ،بشكل متناظر، وهذا يعطينا حقلاً مغناطيسياً قوياً ومتجانساً في الفتحات الهوائية التي تركت ما بين المغناطيس والمادة المغناطيسية الحرارية، وعلى المحيط الدائري للأسطوانة الدوارة ،إن الفتحات الهوائية الأربع التي تم تشكيلها تقوم بعملية التنافر والتجاذب وذلك إما بازدياد الحقل المغناطيسي أو نقصانه وبشكل متناوب خلال عملية الدوران.

*

يظهر الشكل تركيبة الاسطوانة الدوارة التي تحتوي على المغناطيس الفعال المتجدد AMR الذي يدور عبرها وعبر الفتحات الهوائية ومناطق التنافرات .

*
المعدن المستخدم هو Gd الغادولينيوم وهو أحد المعادن التي أثبتت فعاليتها في تصنيع الاسطوانة الدوارة، بالإضافة إلى تصنيع المغناطيس الفعال المتجدد AMR منه على شكل صفائح (السماكة حوالي 0،3 mm) مرتبطة مع حزمات من صفائح أخرى حيث تتباعد عن بعضها لخلق الفجوات التي تسمح بتدفق المائع.

*

Magnetoc 3

*

Magnetoc 4

- نظام عمل الثلاجة المغناطيسية:

عند تشغيل النظام حيث تبدأ الاسطوانة الدوارة بالدوران بتأثير المحرك وبالتالي دوران المغناطيس الفعال المتجدد AMR الذي ثبت عليها حيث تحدث عمليات تنافر مغناطيسي في الفتحات الهوائية التي يتغير فيها الحقل المغناطيسي المولد على طول عملية الدوران.

*
كما في الشكل فان كيفية العمل موضحة حيث يتدفق مائع التبريد (الماء) من الخزان الحار 1(6) المرفق بالنظام عبر مناطق التنافر المغناطيسي التي يخلفها دوران المغناطيس الفعال المتجدد AMR ، ومن ثم يتدفق إلى خزان الماء البارد 2 (7) مرورا بالمبادل الحراري البارد(12) وأيضا عبر مناطق التجاذب المغناطيسي التي يخلفها دوران المغناطيس الفعال المتجدد AMR ومن ثم ينتقل الماء إلى خزان الماء البارد 1(8) وبالتالي العودة لمناطق التجاذب المغناطيسي التي يخلفها دوران المغناطيس الفعال المتجدد AMR وبالتالي ينتقل المائع بعد عودته إلى خزان الماء الحار2 (5)، وبعدها كما في الشكل يمر المائع (الماء) بصمام التمدد (13) والمضخة (14) التي تقوم بضخه للمبادل الحراري الساخن (15)، وتكتمل الدارة التبريدية السابقة عند عودة المائع عبر المصفاة(16) ومنها إلى خزان الماء الحار1 (6) ويتم التحكم بتدفق المائع بحاجز (4) ينزلق مستفيدا من الحركة الدورانية للنظام. كما في الشكل الأسفل.

*

Magnetoc 5

*

المصدر