Российский способ охлаждения превзошел зарубежные аналоги
Ученые НИТУ "МИСиС" и Тверского государственного университета предложили принципиально новую систему охлаждения - магнитную. В ее основе так называемый магнетокалорический эффект, проще говоря, изменение температуры материала при его намагничивании или размагничивании.
Технически это выглядит довольно просто - металлический брусок, вращаясь вокруг оси, то входит в магнитное поле и нагревается, то выходит из него и охлаждается. И что принципиально важно, охлаждается до температур более низких, чем окружающая среда. (Дело в том, что при намагничивании бруска происходит упорядочивание магнитных моментов его микрочастиц, а при выходе из поля этот порядок разрушается за счет внутренней энергии материала, что и вызывает охлаждение до температур ниже, чем в окружающей среде). На этом эффекте и работает магнитный холодильник.
- В нашей установке сделанное из гадолиния рабочее тело в магнитном поле напряженностью в 1 тесла охлаждается на три градуса, - говорит один из авторов проекта, сотрудник НИТУ "МИСиС" кандидат физико-математических наук Дмитрий Карпенков. - Когда пропускаем через гадолиний воду, она охлаждается и направляется в холодильную камеру. Понятно, что охлаждение всего на три градуса никого не интересует, нужно гораздо больше. А вот тут собственно и начинается самое интересное в российской разработке. Ученые применили каскадное охлаждение, которое позволяет три градуса превратить как минимум в девять.
- На вращающемся в магнитном поле диске мы расположили 14 каскадов из гадолиния, где каждый должен охлаждать последующий на три градуса, - говорит Карпенков. - Но это в идеале, а в реальности при комнатной температуре в 22 градуса нам удалось довести температуру в холодильной камере до 11 градусов. А если вместо гадолиния применить другие материалы, то можно снизить температуру до семи градусов и даже ниже.
А это уже настоящий холодильник. По словам Карпенкова, сам принцип каскадного охлаждения хорошо известен, но воплотить его в конкретной установке очень непросто. Все известные на сегодня в мире прототипы магнитного холодильника получаются очень сложными, ненадежными и неэффективными. Российским ученым впервые удалось преодолеть эти трудности. За счет чего?
Есть в конструкции несколько ноу-хау, которые отличают ее от всех прототипов, что и позволило резко поднять эффективность нового холодильника. Во-первых, в нем вообще нет нагнетательных насосов, воду гоняет само рабочее тело. А это резко снижает потребление энергии, делает конструкцию простой и компактной. Во-вторых, воду, которая отбирает тепло у нагретого рабочего тела, и воду, которая забирает холод у охлажденного, разделили на два потока. Это тоже позволило существенно упростить конструкцию установки. В-третьих, чтобы добиться максимального эффекта, надо рабочее тело очень быстро вращать в магнитном поле. Сейчас диск с каскадами делает один оборот в секунду.
Каков результат? Энергоэффективность нового холодильника оказалась на 40 процентов выше, чем у традиционных систем. В то же время он намного компактнее, надежнее и легче своих конкурентов. Наконец, он обходится без ядовитого хладагента, причиняющего ущерб окружающей среде. В настоящее время ученые проводят серию лабораторных тестов своей установки.
