NT Magnetische antarktida-WWWПерша міжнародна конференція з питань магнітного охолодження за кімнатної температури акцентувала увагу міжнародної спільноти на пошуці альтернативних методів охолодження. 

 

Захід, проведений у вересні 2005 року в Швейцарії, організував Інженерний інститут у м. Івердон і Міжнародний інститут холоду (IIR). Конференцію відвідали 150 учасників та доповідачі з усього світу, що свідчить про відновлення актуальності цієї нової і водночас давньої теми. Це не дивно: зміна клімату й небезпечність парникового ефекту спонукають науковців і підприємців шукати принципово інші рішення у галузі охолодження.

Репутація фторованих холодоагентів стає дедалі гіршою, навіть попри те, що у Європейському положенні про фторовмісні гази наголос зроблено не на забороні цих продуктів, а на герметичності обладнання. Однак триває пошук альтернативних шляхів збільшення потужностей холодильного обладнання, і фахівці знову звертають увагу на рішення, які не отримали розвитку в минулому. Серед них давно відомий і знову відкритий холодоагент СО2, а також технологія магнітного охолодження.
Так званий магнітокалоричний ефект відкрив у 1881 році німецький фізик Еміль Варбург. Феномен полягає в тому, що матеріал, якщо його помістити в магнітне поле, нагрівається, а якщо його звідти забрати, охолоджується.
Вирішальними для охолоджувального ефекту є якості магнітокалоричного матеріалу, наприклад досяжна різниця температур під час розмагнічування. І саме в цьому сучасні наукові досягнення можуть подолати давні перешкоди на шляху розвитку технологій. Нові сплави містять гадоліній або марганець і відрізняються високим магнітокалоричним ефектом. Завдяки таким додатковим елементам, як залізо, фосфор, миш'як або нікель, оптимізується холодопродуктивність магнітного охолодження. Таким чином, сьогодні магнітокалоричний ефект можна використовувати за кімнатної температури, тоді як раніше це було можливо лише за дуже низьких температур зовнішнього середовища та дуже сильних магнітних полів (5-10 Т). Необхідна сила магнітного поля сьогодні також значно менша, вона становить 2-3 Т, тому замість надпровідних магнітів, які були потрібні досі, можна використовувати постійні магніти. Це є вирішальною перевагою, адже надпровідні магніти не можна було використовувати за кімнатної температури.

 

Магнітний холодильник

 

Магнітокалоричний ефект можна використовувати по-різному. Особливо яскравим прикладом є магнітний холодильник, виготовлений у Швейцарії, який відзначено нагородою Swiss Technology Award 2006 та окремими призами федерального міністерства енергетики Швейцарії та фірми ASEA Brown Boveri. Теоретичну базу для створення апарату розроблено в Інженерному інституті м. Івердон-Лес-Байнс. Керував цими дослідженнями професор Петер В. Егольф, який очолює робочу групу з питань магнітного охолодження у Міжнародному інституті холоду в Парижі (IIR). Петер В. Егольф переконаний, що магнітне охолодження має величезний практичний потенціал і майже повністю замінить у майбутньому традиційне охолодження: «Ринок до таких змін уже практично готовий. Цьому сприятиме висока концентрація енергії та велика безпечність обладнання, невеликі розміри, зручність та легкість. Воно ідеальне для використання в автомобілях, літаках та на суднах». Робота магнітного холодильника грунтується на принципі ротаційного теплообмінника зі сплаву на основі марганцю з високим магнітокалоричним ефектом, який з одного боку оточений магнітом. Магнітне поле нагріває половину циліндра, через яку проходить, наприклад, повітря. Воно, у свою чергу, також нагрівається. Якщо пропустити повітря через іншу частину циліндра, то відбувається процес охолодження, що є основним для функціонування холодильної машини. Просто кажучи, обертається циліндр, з одного боку якого виходить тепле повітря (нагріте при намагнічуванні), а з іншого боку – холодне (охолоджене при розмагнічуванні). Ротаційний принцип роботи конструкції створює безперервний цикл з високим коефіцієнтом потужності.

Зауважимо, що магнітне охолодження вже успішно застосовується і в інших сферах. Так, наприклад, французьке підприємство Cooltech-Applications з 2003 року повністю зосередилося на цій технології та пропонує індивідуальні рішення для харчової промисловості та галузі кондиціонування повітря. Діяльність підприємства французький уряд відзначив премією за інноваційні технології.

 

Безпечний для навколишнього середовища

 

Найважливіші переваги магнітного холодильника та магнітного охолодження загалом – це екологічна безпечність, надійність та енергетична ефективність. Робочими речовинами для охолодження можуть бути повітря або вода. Не треба використовувати синтетичні холодоагенти, здатні підсилювати парниковий ефект, а також займисті, токсичні або вибухонебезпечні речовини (аміак, бутан, пропан). Крім того, непотрібні компресори. Це означає, що не буде проблем, пов'язаних із вібрацєю, запахом, інтенсивним зношенням, характерним для компресорних машин, оскільки термін служби магнітної машини набагато більший. Термодинамічний ефект систем з магнітним охолодженням значно вищий, ніж у випадку звичайних циклів стиснення. Це знижує споживання енергії, а також зменшує виробничі витрати. До того ж обладнання надзвичайно компактне і може використовуватися у багатьох сферах, від глибокого охолодження до обігріву.

 

Великий потенціал

 

Магнітному охолодженню прогнозують велике майбутнє. Головною сферою його використання стануть, очевидно, пристрої низької потужності, наприклад холодильники або кондиціонери для легкових автомобілів. Крім іншого це зумовлено тим, що сила поля сучасних постійних магнітів ще не дуже висока, не до кінця досліджено вплив сильних магнітних полів на організм людини, та необхідністю уникати перешкод в електронних та інших пристроях. Потужність відомих сьогодні конструкцій не перевищує 15 кВт, а щодо стабільності й точності ротаційних систем існують дуже високі вимоги. Отже, це великонадійна технологія, яка безперечно займе достойне місце у сфері охолодження та кондиціонування, але після кількох етапів удосконалення, які мають передувати серійному виробництву.

 

Від редакції

І свідченням високого потенціалу цієї технології стала вже П'ята міжнародна конференція з питань магнітного охолодження за кімнатної температури (Thermag V), яка проходила 17-20 вересня 2012 року у м. Гренобль у Франції.

 

Андреа Фойгт