Schlüsselwörter
(Deutsch)
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TP0074;F-Wärmepumpen und Kälte
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Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Magnetische Wärmepumpe mit erdsonde: Optimierter Prototyp
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Publikationen / Ergebnisse
(Deutsch)
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Die magnetische Wärmepumpen-Technologie ist eine Art der Wärmeproduktion ohne eine Anwendung umweltgefährdender Kältemittel. Sie basiert auf dem magnetokalorischen Effekt, der zu einem Erwärmen im Fall einer Magnetisierung und zu einer Kühlung im gegenteiligen Fall der Entmagnetisierung führt. Dieser physikalische Effekt kann dazu verwendet werden um zu Kühlen (oder Gefrieren), Heizen oder auch für eine Energiekonversion von Wärmeenergie in mechanische oder elektrische Energie. In diesem Projekt wird die Entwicklung einer Prototyp-Wärmepumpe mit 8 kW Heizleistung in Verbindung mit einer Erd-Wärme-Quelle realisiert. Vorausgehend wurden einige Berechnungen durchgeführt, welche das Potential einer solchen Maschine aufzeigen und mit jenem einer analogen konventionellen Wärmepumpe vergleichen. Diese zeigen, dass die magnetische Wärmepumpe eine konkurrenzfähige Alternative darstellt.
In einem für das Projekt wesentlicheren Teil wurden zwei verschiedene magnetische Wärmepumpen grob entwickelt. Sie enthalten verschiedene Magnetkonfigurationen. Einfach ausgedrückt enthält die eine Maschine eine zweidimensionale Magnet-Konfiguration, währenddem die zweite eine dreidimensionale beinhaltet. Es wurde noch nicht definitiv entschieden, welches Prinzip angewendet werden soll, da immer noch Versuche die Magnetmasse zu reduzieren im Gange sind. Um eine optimale Maschine zu erhalten, müssen in diesem ersten Stadium schon verschiedenste Phänomene des Magnetismus, der Fluiddynamik und der Thermodynamik rechnerisch behandelt werden. Nur so kann ein guter „Coefficient of Performance“ (COP) erwartet werden. Der Artikel gibt Auskunft über den Stand der Entwicklung, bereits erfolgte Lösungen, aber auch über noch zu meisternde Schwierigkeiten. Zudem wurden verschiedene Kontakte mit Materialwissenschaftern in den USA, den Niederlanden, Russland und China geknüpft.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Egolf,Peter W.
Kitanovski,Andrej
Vuarnoz,D.
Gonin,C.
Swinnen,T.
Zugehörige Dokumente
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Publikationen / Ergebnisse
(Englisch)
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The magnetic heat pumping technology yields a manner of heat production without the utilization of environmental harmful refrigerants. It is based on the magnetocaloric effect, which leads to a heatingup if a magnetization occurs and to a cooling in the opposite case of demagnetization. This physical effect may be used to cool (or freeze), heat or also for a energy conversion from heating energy to mechanical or electrical energy. In this project the development of a prototype heat pump of 8 kW heating power in connection with a ground heat source is realized. Preliminary calculations were performed, which show the potential of such a machine and compare it with that of an analogue conventional heat pump. These show that a magnetic heat pump presents a competitive alternative.
In a more demanded part by the Swiss Federal Office of Energy (SFOE), two different magnetic heat pumps were roughly designed. They contain each a different magnet’s assembly. Simply expressed, one machine contains a two-dimensional magnet configuration, whereas the second shows a threedimensional assembly. It has not yet been definitively decided which principle will be applied, because still efforts are taken to decrease the magnets mass. To obtain an optimal machine, already in these first stages of development different phenomena of magnetism, fluid dynamics and thermodynamics have to be numerically evaluated. Only like this a good coefficient of performance (COP) may be expected. The article gives answers on the state-of-the art of the development, already obtained solutions, but also on still existing problems. Furthermore, different contacts with material scientists in the United States, the Netherlands, Russia and China have been established.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Egolf,Peter W.
Kitanovski,Andrej
Vuarnoz,D.
Gonin,C.
Swinnen,T.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Deutsch)
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In einer Machbarkeitsstudie über magnetische Wärmepumpen wurde gezeigt, dass eine magnetische Wärmepumpe mit einer Erd-Wärme-Quelle und einem Boden-Heizungs-Sy-stem idealer ist als eine direkte Luft/Wasser magnetische Wärmepumpe. In diesem Haupt-projekt waren die Ziele die Planung, die Optimierung, der Bau und die experimentelle Unter-suchung eines Prototyps für diese Gebäudeanwendung.
Es wurde entschieden die zurzeit “besten” magnetokalorischen Materialien, welche hydrierte Lanthan Legierungen sind: La(Fe, Si, H), einzusetzen. Diese zeigen einen sehr grossen magnetokalorischen Effekt. Andererseits sind sie brüchig und deshalb können zurzeit aus ihnen keine dünnen Bleche produziert werden. Deswegen musste eine andere Lösung ge-funden werden, welche speziell entworfene hoch voluminöse Schüttbette mit Mikro-Röhr-chen für den Wärmeaustausch sind. Um beste Resultate zu erhalten wird geplant im Kernteil der Maschine ein spezielles Wärme-Austausch-Fluid mit kleinem Volumen einzusetzen. Sol-che unerwartete Schwierigkeiten führten zu einem zeitlichen Verzug des Forschungsprojek-tes.
In diesem Bericht werden die Ideen des hoch voluminösen Schüttbetts mit magnetokalori-schen Teilchen, die Planung und die Optimierung der Wärmepumpe und der finale Design des Prototyps im Detail beschrieben.
Repräsentanten des Kanton Waadt und der Haute Ecole d‟Ingénerie et de Gestion du Can-ton de Vaud haben entschieden – aufgrund der erwähnten zeitlichen Verzögerung dieses Forschungsprojekts – die finanzielle Unterstützung einzustellen. Verursacht durch diese Ent-scheidung konnte der zweite Teil des Projekts, nämlich die Realisierung des Prototyps und dessen experimentelle Untersuchung, nicht realisiert werden.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Egolf,Peter W.
Kitanovski,Andrej
Gonin,C.
Vuarnoz,D.
Diebold,M.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Englisch)
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In a feasibility study on magnetic heat pumps it was shown that a magnetic heat pump with a ground heat source operating in connection with a floor heating system is more ideal than a direct air/water magnetic heat pump. In this main project the objective was to plan, optimize, build and to experimentally investigate a prototype for this special domestic application.
It was decided to choose at present “best” magnetocaloric materials, which are hydrogenated Lanthanum alloys: La(Fe, Si, H). They show a very high magnetocaloric effect. On the other hand they are brittle, and therefore, at present no thin plates can be produced. Because of this, a new solution had to be found, which are specially designed high-volume-fraction pac-ked beds containing micro tubes for the heat exchange. To obtain best results, a special heat transfer fluid of small volume was planned to be applied in the core part of the machine. Such unexpected difficulties led to a time delay in the project.
In this report the ideas concerning the high-volume-fraction bed of magnetocaloric particles, the optimization work on the heat pumping machine and the final design of the prototype are described in detail.
Representatives of the County of Vaud and the University of Applied Sciences of Western Switzerland decided – on the basis of the mentioned time delay of this research project – to stop their financial support. Caused by this decision, the second part of the project, namely the realization of the prototype and its experimental investigations, could not be realized.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Egolf,Peter W.
Kitanovski,Andrej
Gonin,C.
Vuarnoz,D.
Diebold,M.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Französisch)
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Lors d'une étude de faisabilité sur les pompes à chaleur magnétiques, il a été montré l'efficacité accrue d'une pompe opérant à l'aide d'une source de chaleur froide "terre" et d'une source chaude intégrée au sol, à l'encontre d'un modèle directe "air/eau". Le cahier des charges principal de ce projet de grande envergure a consisté à optimiser et construire un prototype pour cette application domestique d'un genre innovant.
Dans ce contexte, il a été décidé de l'emploi des "meilleurs" matériaux magnétocaloriques actuels que sont les alliages de Lanthanes hydrogénés: La(Fe, Si, H). Ceux-ci adoptent un très large effet magnétocalorique. Malheureusement, ils présentent également un caractère friable et leur production sous forme de plaques fines reste aujourd'hui inenvisageable. De par ce fait, une nouvelle solution spécialement conçue pour des matériaux poreux à hauts coefficients d'occupation et intégrant des micro-tubes pour les échanges thermiques, a dû être déterminée. Afin d'obtenir les meilleurs résultats, l'utilisation au coeur de la machine d'un faible volume d'un fluide de transfert thermique non traditionnel a été planifiée. Une telle difficulté, inattendue, a conduit à des délais dans le projet.
Ce rapport traite en détails des thèmes concernant les hautes densités d'occupation volumique des matériaux magnétocaloriques poreux et le travail d'optimisation sur le prototype de pompe à chaleur. Son design final y est également entièrement décrit.
Des représentants du Canton de Vaud et de l'Université des Sciences Appliquées du Nord-Ouest Vaudois ont décidés, sur la base des délais précédemment cités, d'arrêter leurs contributions financières. Consécutivement à cette décision, la seconde partie du projet, respectivement la construction du prototype et ses dépendances expérimentales n'ont pu être réalisées.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Egolf,Peter W.
Kitanovski,Andrej
Gonin,C.
Vuarnoz,D.
Diebold,M.
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