Магнитокалорични системи: охлаждане без вредни хладилни агенти

Откритие от далечната 1917 г. има бъдеще: Изследователски екип от Фраунхоферския Институт за физическа измервателна техника (IPM) разработва ефективна магнитокалорична охладителна система без вредни хладилни агенти, която в средносрочен план може да замени охлаждането с компресори в големи инсталации.

Много научни екипи в света инвестират в разработването на хладилници, индустриални хладилни и климатични системи, които да изпомпват топлина с помощта на магнитокалорични материали. В тези системи цикълът на затопляне и охлаждане, създаден чрез магнетизиране, може чудесно да се използва за охлаждане.

Физикът Килиан Бартоломе и неговият екип от Фраунхоферския Институт за физическа измервателна техника също разчитат на тази технология за разработването на изключително ефективна концепция за пренос на топлина, която работи без вредни хладилни агенти.

Необходимостта от иновативна технология за охлаждане е голяма. Съвременните флуорирани въглеводороди (HFC) имат голям принос върху глобалното затопляне. По тази причина ЕС значително ограничи използването им. Като алтернатива на HFC се използват естествени хладилни агенти като бутан или пропан. Тези газове се употребяват в хладилниците в домакинствата, но същевременно са запалими. Количеството, съдържащо се в домашните хладилници, се счита за безопасно, но употребата им не е подходяща за големи хладилни системи като например тези в супермаркетите. Ето защо в бранша активно се работи върху изследването и прилагането на алтернативни хладилни агенти. Към момента все още няма убедителни решения.

Екологично чиста сплав

Магнитокалоричната система за охлаждане не използва никакви вредни хладилни агенти. Като магнитокалоричен материал изследователите прилагат екологично чиста сплав от лантан, желязо и силиций, която се нагрява при излагане на магнитно поле и отново се охлажда при отстраняването му. Килиан Бартоломе и неговият екип разработват и патентоват специален метод за отвеждане на топлината.

За създаването на хладилна инсталация методът разчита на използването на латентна топлина – това е енергията, от която се нуждае една течност, за да се изпари. „Тъй като водата поглъща много енергия по време на прехода от течно в газообразно състояние, ние използваме процеса на изпаряване за предаване на топлина“, обяснява физикът. „Това позволява много ефективен трансфер на топлинна енергия.“

Килиан Бартоломе и неговият колега Ян Кьониг стигат до идеята да използват процеса на изпаряване за пренос на топлина благодарение на така наречените топлинни тръби, които се използват като колектори в соларни съоръжения или за охлаждане на компютри.

Топлинните тръби се състоят от вакуумна тръба, в която се съдържа малко количество течност. Ако едната страна на тръбата се загрее, течността се изпарява от тази страна и кондензира от студената страна. По този начин се постигат високи стойности на пренос на топлина.

Магнитокалоричната топлинна тръба, разработена от IPM, е много по-сложна. Състои се от много малки камери, в които е разположен магнитокалоричният материал. За да може сплавта да бъде оптимално обхваната от водните пари, тя има фина пореста структура. Рецептата за производството на порестата сплав е на Сандра Виланд и Мартин Дреслер от Фраунхоферския Институт за производствена техника и приложно материалознание (IFAM).

Нов световен рекорд

За допълнително повишаване на ефективността, Бартоломе разполага сегментите на топлинната тръба в кръг, в средата на който се върти магнит. Демонстрационният уред ще е готов до края на годината и се очаква да има мощност от 300 вата. За сравнение компресорът на домашен хладилник е с мощност от 50 до 100 вата.

Дори сега системата може да работи с много висока честота. Затова изследователският екип от Фрайбург възнамерява да подобри световния рекорд при магнитокалоричните системи по отношение на системната честота. Дългосрочната цел е да се постигнат 50 процента от теоретичната максимална ефективност. Разработваните до момента подобни системи достигат около 30 процента.

Индустрията вече проявява голям интерес към разработката – например немската компания Philipp Kirsch GmbH, която произвежда специални хладилници за медицински лаборатории, аптеки и болници. Компания си сътрудничи с института IPM по проект, финансиран от германското Федерално министерство на икономиката.

„Искаме да представим на пазара устройство с температура минус 86 градуса, което работи на основата на магнитокалорична система“, споделя изпълнителният директор Йохен Копицке. „Магнитокалиричният метод има голям потенциал и в средносрочен план може да измести охлаждането с компресори. Ясно виждаме пазарните възможности и бихме могли да се възползваме от тях.“