耦合气体斯特林循环制冷的一种新型复合室温区磁制冷机研究

为解决制冷和空调领域的节能环保问题，结合磁制冷和气体斯特林制冷技术的优点，本项目提出一种耦合气体斯特林制冷的新型复合室温磁制冷技术，并开展研究：依据热动力学和传热学等热工和制冷学科的相关基础理论，建立耦合气体斯特林制冷的新型室温磁制冷机的理论分析模型，研究其工作机理，并建立和优化复合循环的构型和运行参数，实现气体膨胀制冷效应和磁制冷效应的正面耦合叠加，获得强化制冷效果；研究以磁工质为填料的复合循环回热器工作机理，获得该回热器在同时实现主动磁回热制冷和斯特林气体回热制冷的优化参数；研究在小传热温差条件下气体与磁回热器填充介质之间的传热性能和强化措施；以数值分析结合实验手段研究多力场下磁回热器的动力学和运动学特性；建立耦合了气体斯特林制冷的室温磁制冷机实验装置，实验研究其制冷性能。最终将获得一种内禀环保和高效的新型制冷技术，为制冷学科解决节能和环保问题提供一种新的技术途径。

为解决制冷和空调领域的节能环保问题，结合主动磁制冷和气体回热斯特林制冷技术的优点，本项目提出了一种耦合气体回热斯特林制冷的新型复合室温磁制冷技术，围绕该技术所涉及的基础热工问题开展了系统研究工作，具体包括：1）理论建模及数值分析工作：首先基于热动力学和传热学等基础理论，建立了耦合气体斯特林制冷的新型室温磁制冷机的数值分析模型；利用此模型开展了系统的数值优化计算，获得了复合循环的较为优化的构型和运行参数；重点分析了耦合磁热效应及气体斯特林制冷效应的复合回热器性能；数值计算分析结果表明磁制冷效应与气体斯特林制冷效应具有正面耦合叠加效果，在优化的参数条件下，可提升系统制冷性能。2）复合磁制冷样机研制：依据理论及数值分析结果，设计、加工研制了一套耦合气体斯特林制冷效应的复合循环磁制冷实验样机，采用双缸压缩机形成整体式斯特林制冷机，其中回热器内填装磁热材料钆，形成复合回热器；研制了2套Halbach空心永磁体，采取同轴布置形式，将复合回热器安装在同轴永磁体内部，通过内外磁体的相对旋转运动，实现磁场强度的交变变化，从而实现对磁热材料的励磁及退磁，同时调整斯特林制冷机压缩与膨胀活塞的运动，进而实现磁制冷效应与气体斯特林制冷效应的匹配叠加。3）依据上述理论分析及研制的实验样机，本项目开展了大量系统的实验研究；实际测量了频率、相位角、充气压力等关键参数对复合循环制冷机性能的影响；并且根据数值计算和实验结果，先后对实验装置进行了多次调整和改装；最终实验测量结果表明，可以实现气体膨胀制冷效应和磁制冷效应的正面耦合叠加；在相同温跨情况下，制冷量比单纯气体回热斯特林制冷机获得24%以上的强化提升效果。本项目研究结果表明：所提出的新型制冷循环能够有效实现磁制冷效应与气体回热制冷效应的正面叠加，增强制冷效果。项目期间共申请发明专利2项，已经发表SCI收录学术论文1篇，EI收录2篇，另外有多篇论文在审稿中。