Key words
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TP0081;F-Elektrizitätstechnologien & -anwendung
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Short description
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Energetische Nutzung des magnetokalorischen Effekts
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Publications / Results
(German)
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Es wurde vor kurzem eine Studie begonnen, welche den Stand der magnetischen Kältetechnik zusammenfasst und ihre Vor- und Nachteile auflistet. Es wird der heutige Stand der Entwicklung der magnetokalorischen Materialien, der Permanentmagnete und der magnetischen Kältesysteme beschrieben. Dann werden eine Vielzahl möglicher Anwendungen der Kältetechnik aufgelistet und deren spezifische Anforderungen erörtert. Dies wird im wesentlichen für die folgenden Bereiche gemacht: Haushaltgeräte, Gebäude-Klimatisierung, Distrikt-Heizungs- und Kühlungssysteme, Transport, Lebensmittelindustrie, Prozessindustrie, Medizin, und Elektronik.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Egolf,Peter W.
Kitanovski,Andrej
Sari,Osmann
Related documents
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Publications / Results
(English)
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The main objective of this project is to search for different applications of heat utilization, where magnetic «power generation» may present a good alternative to conventional power conversion technologies. The annual report 2006 of this project briefly presented power conversion domains, which could have a potential for an application of magnetic «power generation» machines. Now, in this annual report, a selection of magnetic power conversion systems, which are most feasible and economic, is listed. Magnetic «power generators» based on permanent and superconducting magnets are analyzed for numerous heat source temperatures, magnetic field strength and rotational frequencies of a machine. The special analysis takes advantage of a new derived model, which permits to determine the thermodynamic efficiency, the exergy efficiency, the total mass and volume of a magnetic power conversion system.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
University of Applied Sciences of Western Switzerland
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Kitanovski,Andrej
Vuarnoz,D.
Diebold,M.
Gonin,C.
Egolf,Peter W.
Related documents
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Final report
(German)
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Das Hauptziel dieses Projekts war es verschiedene Systeme der Wärmenutzung aufzuspüren in denen die magnetische Leistungsgenerierung - oder besser die «magnetische Energie-Konversion» -eine Alternative zu konventionellen Energie-Konversions-Technologien darstellen könnte. Magnetische Energie-Konverter-Systeme, basierend auf Permanentmagneten oder supraleitenden Magneten, wie sie in einem deponierten Patent der Universität für Angewandte Wissenschaften der Westschweiz (Abteilung HEIG-VD/IGT/SIT) beschrieben sind, werden vorgeschlagen und ihr Verhalten für verschiedene Temperaturen von Wärmequellen, magnetische Feldstärken und Frequenzen der rotierenden porösen Wärmetauscher untersucht. Eine spezielle numerische Analyse, beruhend auf einem thermodynamischen Modell, erlaubt es thermodynamische Wirkungsgrade, Exergie-Wirkungsgrade, totale Massen und totale Volumen von Maschinen zu bestimmen.
Resultate zeigen, dass die Wahl des Betriebsfluids einen merklichen Einfluss auf den Wirkungsgrad von magnetischen Energie-Konversions-Maschinen hat. Gute Exergie-Wirkungsgrade werden für Temperatur-Niveaux unterhalb 120°C beobachtet. In diesem unteren Bereich wird Wasser als Betriebsmedium eingesetzt. Der Exergie-Wirkungsgrad hat eine merkliche Abhängigkeit von der magnetischen Feldstärke. Die Resultate zeigen, dass magnetische Feldstärken von 1.5 Tesla oder höher angewendet werden sollten. Geringere magnetische Felder werden zu kleinen Exergie-Wirkungsgraden führen. Für hohe Temperaturen der Wärmequellen (z.B. von 120°C bis 350 °C) sollten andere Fluide als Wasser verwendet werden. Es wird betont, dass solche Fluide (üblicherweise verschiedene Sorten von Ölen) grösseren Druckabfall verursachen. Wenigstens ist es positiv, dass die Viskosität dieser Fluide als Funktion der Temperatur stark abnimmt. Über 350°C werden in Energie-Konverter-Maschinen normalerweise Gase verwendet. Solche Systeme zeigen nur dann sinnvolle Einsetzbarkeit, wenn supraleitende Magnete eingesetzt werden. In diesem Bereich ist es auch möglich spezielle Metalllegierungen anzuwenden (z.B. Bi-Pb-Legierungen). Diese verlangen spezielle Sicherheitseinrichtungen um Verfestigungen zu vermeiden. Supraleitende Magnete sollten eingesetzt werden, wenn sehr hohe Felder (über 2.5 Tesla) verlangt werden. Dies ist ökonomisch nur sinnvoll in grossen Systemeinheiten, wegen der reduzierten relativen Kosten und des Energieverbrauches des kryogenen magnetischen Quellsystems im Vergleich zu den totalen Kosten und dem totalen Energieverbrauch der kompletten Anlage. Die Resultate dieses Berichtes zeigen, dass der Anstieg des Wirkungsgrades, beeinflusst durch die magnetische Feldstärke, gegen grössere Felder hin konvergiert. Die Schlussfolgerung ist deshalb, dass supraleitende Magnet-Systeme auf magnetischen Feldstärken um 10 Tesla basiert werden sollten.
Eine hohe Betriebsfrequenz reduziert die totale Masse und das totale Volumen der Apparatur. Sie beeinflusst auch den Wirkungsgrad, welcher mit steigender Frequenz stark abnimmt. Dies gilt weitaus mehr für Systeme basierend auf Permanentmagneten als für solche mit supraleitenden. Bei hohen Temperaturen der Wärmequellen hängt der Wirkungsgrad weniger von der Rotationsfrequenz ab. Ein anderer wichtiger Einflussfaktor ist der Volumenanteil von magnetokalorischem Material der porösen Struktur der Wärmetauscher. Flüssig/Flüssig und Gas/Flüssig-Anlagen sollten mit Rädern, welche 30 % Volumenanteil haben, bestückt werden, währenddem für Gas/Gas-Systeme der Volumenanteil 10 % nicht wesentlich übersteigen sollte.
Zurzeit werden die meisten magnetokalorischen Materialien für Anwendungen in der magnetischen Kältetechnik um Raumtemperatur entwickelt. Es gibt nur wenige Forschungsaktivitäten, die der Anwendung von Materialien in magnetischen Energie-Konversions-Maschinen dienen sollen. Solche Materialien müssen eine hohe Curie-Temperatur aufweisen. Die Verfügbarkeit der Materialien ist der erste Grund warum diese Studie vor allem Anwendungen mit einem tiefen bis mittleren Temperatur-Niveaux gewidmet ist. Ein zweiter Grund ist, dass die Stoffwerte der Arbeitsfluide bei höheren Temperaturen als 350 °C zu einem eher komplexen Systemaufbau führen, vor allem im Falle dass flüssige Legierungen als Arbeitsmittel eingesetzt werden.
Das wohl wichtigste Resultat dieser theoretisch-numerischen Studie ist, dass die magnetische Energie-Konversion die konventionellen Technologien in mehreren Aspekten und in verschiedenen Bereichen schlagen kann. Dies ist speziell der Fall, wenn Wärmequellen mit tiefer Exergie auftreten. In solchen Fällen sind die konventionellen Systeme nicht wirksam genug um ökonomisch arbeiten zu können, wo hingegen die magnetische Energie-Konversions-Technologie zu einer höheren Exergie-Effizienz führen wird und daher zu günstigen Einsatzbedingungen für gewisse Anwendungen führen kann. Der Nachteil ist der geringe Carnot-Wirkungsgrad (obere Schranke der Wirkungsweise) der Maschinen, welche mit so tiefen Niedrig-Temperatur-Wärmequellen arbeiten. Dagegen ist der Vorteil, dass die Verfügbarkeit solcher thermischer Energie oftmals fast unbeschränkt gross ist. Ein anderer Vorteil von magnetischen Energie-Konversions-Maschinen ist, dass sie mit Temperaturdiffferenzen, eigentlich unabhängig von den beiden Temperatur-Niveaux der Quelle und Senke, arbeiten können.
Am Ende des Berichts, in einer Übersicht, werden verschiedene Systeme, die unter verschiedenen Bedingungen arbeiten, aufgelistet und bezüglich deren Potential für eine Anwendung der magnetischen Energie-Konversion bewertet. Best geeignet für eine erste Umsetzung in die Praxis ist ein System mit Permanentmagneten und einer Wärmequelle der Temperatur 120 °C.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Kitanovski,Andrej
Diebold,M.
Vuarnoz,D.
Gonin,C.
Egolf,Peter W.
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Final report
(English)
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The main objective of this project was to search for different systems of heat utilization where magnetic «power generation systems» - or more accurately named «magnetic power conversion systems» - could present an alternative to conventional power conversion technologies. Magnetic «power generators», based on permanent or superconducting magnets, are proposed and are analyzed for numerous heat source temperatures, magnetic field strengths and frequencies of rotating porous heat exchanger machines as they were proposed in a patent deposited by the University of Applied Sciences of Western Switzerland (HEIG-VD/IGT/SIT division). A special numerical analysis takes advantage of a thermodynamic model, which permitted to determine the thermodynamic efficiency, the exergy efficiency, the total mass and the total volume of such magnetic power conversion machines.
Some results show that the selection of proper working fluids has an impact on the efficiency of magnetic power machines. Good exergy efficiencies are observed for temperature levels below 120°C. In this domain usually water is the working fluid. The exergy efficiency has a pronounced dependence on the magnetic field strength. The results show that magnetic fields with field inductions of 1.5 Tesla or higher should be applied. Lower magnetic fields will lead to too low exergy efficiencies. For high temperatures of the heat source (e.g. 120°C to 350°C) other kinds of fluids than water should be used. It is emphasized that such fluids (usually different kinds of oils) lead to high pressure losses. Positive is that the viscosity of these fluids rapidly decreases with increasing temperature. Beyond 350°C magnetic power conversion systems usually contain gases. Such systems will show a good feasibility only when superconducting magnets are applied. In this range it is also possible to apply special metallic alloys in their liquid state (e.g. Bi-Pb alloys). They require special safety equipment to prevent solidification. Superconducting magnets should be used in cases where very high magnetic fields (above 2.5 Tesla) are required. This is economically feasible only in large scale units due to a reduced relative cost and energy consumption of the cryogenic magnetic source system compared to the total cost and consumption of a complete machine. The results of this report reveal that the efficiency increase, influenced by the magnetic field strength, converges at very high magnetic fields. Therefore, the conclusion is that superconducting magnet systems should be based on magnetic field strengths around 10 Tesla.
A high frequency of operation reduces the total mass and total volume of a device. It influences also the efficiency, which is strongly decreasing with increasing frequency. This behavior is more occurring in permanent-magnet based systems than in superconducting ones. At high temperatures of the heat sources, the efficiency depends less on the frequency of rotation.
Another important factor of influence is the volume fraction of the magneto caloric material in the porous structure of the heat exchangers. Liquid/liquid and gas/liquid power stations should be mounted with wheels containing porous structures having a volume fraction of 30%, while for gas/gas systems the volumetric fraction should not much exceed 10%.
At present most of the magneto caloric materials are developed for an application in the magnetic refrigeration domain around room temperature. Only little research activities of material scientists are devoted to the application of materials in magnetic power generation systems. Such materials must show high Curie temperatures. The availability of materials is the first reason why this report is mainly dedicated to applications with low to medium temperature level heat sources. A second reason is that the properties of working fluids at higher temperatures than 350 °C will lead to a rather complex system design, especially in the case that liquid alloys will be applied as working fluids.
The most important result of this theoretical-numerical study is that magnetic power conversion may beat conventional technologies in many aspects and domains. This is especially the case if low exergy heat sources occur. In such cases conventional energy conversion technologies are not efficient enough to be economically operated, whereas the magnetic power generation technology leads to a higher exergy efficiency and, therefore, may reach conditions of favorable application. The disadvantage is the low Carnot efficiency (upper limit of efficiency) of machines operating with such low-temperature level sources. On the other hand the advantage is that the availability of thermal energy is very often nearly unlimited large. Another advantage of magnetic power generators is that they work favourably with a temperature difference actually independent of the height of the temperature levels of the source and sink.
At the end of the report, in an overview, different systems working under different operation conditions are listed and evaluated concerning the potential for an application of the magnetic power conversion technology. The best suited for a first realization in practice is a system with permanent magnets and a heat source with a temperature of 120 °C.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Kitanovski,Andrej
Diebold,M.
Vuarnoz,D.
Gonin,C.
Egolf,Peter W.
Related documents
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Final report
(French)
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L’objectif principal de ce projet résidait dans la recherche de systèmes thermiques où la génération d’énergie par effet magnétique, plus communément nommé: « système de conversion d’énergie magnétique », offrent une alternative aux systèmes de conversion d’énergie conventionnels. Des générateurs d’énergie magnétiques basés sur l’utilisation d’aimants permanents ou supraconducteurs sont proposés et analysés. L’étude est réalisée pour de nombreuses températures de sources de chaleur, amplitudes de champs magnétiques et fréquences de rotation des échangeurs de chaleur poreux. Ces objets sont présentés dans une patente déposée par l’école d’ingénieur et de gestion du Nord-Ouest Vaudois, (HEIG-VD/IGT/SIT Division). Une analyse numérique spéciale basée sur l’utilisation d’un modèle thermodynamique permet la détermination de l’efficacité thermodynamique, l’exergie, la masse globale, ainsi que le volume d’une telle machine.
De nombreux résultats montrent que la sélection de fluides de travail possède un impacte sur l’efficacité des machines de puissances à effet magnétique. De bonnes efficacités exégétiques sont observées pour des températures en dessous de 120 °C. Dans cette fourchette d’utilisation, le fluide de travail est généralement caractérisé par de l’eau. L’efficacité exégétique présente alors une dépendance à l’amplitude du champ magnétique. Les résultats montrent que des champs d’induction de 1.5 Tesla ou supérieurs doivent être appliqués. Des valeurs plus faibles conduisent à une efficacité exégétique trop basse. Pour des températures de source de chaleurs élevées (c.à.d. 120 à 350°C) d’autres types de fluides doivent être utilisés. Il est souligné que des fluides, communément utilisés, à savoir des huiles, conduisent à d’importantes pertes de charge. Un aspect positif réside dans la décroissante rapide de leur viscosité avec l’augmentation de la température. Au-dessus des 350°C, les systèmes de conversion par effet magnétique emploient généralement des gaz. De telles configurations présentent une faisabilité uniquement couplées à l’utilisation d’aimants supraconducteurs. Dans cette gamme, l’utilisation d’alliages métalliques sous forme liquide devient envisageable, (alliages Bi-Pb). Un équipement spécial de sécurité empêchant la solidification devient nécessaire. L’emploi d’aimants supraconducteurs est préconisé pour des champs magnétiques de grande ampleur (>2,5 Tesla). Leur utilisation est économiquement viable pour des systèmes de grande dimension grâce à la réduction relative des coûts et à la consommation de la source cryogénique comparée au coût total et à la consommation de la machine dans son ensemble. Les résultats de ce rapport révèlent que l’efficacité croissante influencée par l’amplitude du champ d’induction converge pour de très hauts champs. En conséquence, une valeur avoisinant les 10 Tesla est préconisée pour des systèmes à aimants supraconducteurs.
Une haute fréquence de fonctionnement réduit la masse totale ainsi que le volume du dispositif. Cela influence également l’efficacité; fortement décroissante en fonction de l’augmentation de la fréquence. Ce comportement intervient de manière plus significative pour des systèmes à aimants permanents. Pour des températures de source de chaleur élevées, la dépendance de l’efficacité versus la fréquence devient moins importante.
Un autre facteur d’influence important réside dans la fraction volumique du matériau magnétocalorique dans la structure poreuse de l’échangeur de chaleur. Des stations d’énergie liquide/liquide et gaz/liquide peuvent employer des roues poreuses dont la fraction volumique est de l’ordre de 30%. Les systèmes gaz/gaz ne peuvent excéder les 10%.
Présentement, la plupart des matériaux magnétocaloriques sont développés pour le domaine de la réfrigération à température ambiante. Seul un faible pourcentage des recherches effectuées en laboratoire sont dédiées à la conversion d’énergie. De tels matériaux doivent présenter une température de Curie élevée. La disponibilité en de tels matériaux est la raison majeure pour laquelle ce rapport est dédié aux sources de chaleur à moyenne amplitude. Une raison secondaire est induite par le haut degré de complexité du design conduisant à l’utilisation de fluides de travail opérant avec des sources de chaleur à température supérieure à 350°C.
Le résultat le plus important de cette étude consiste à la capacité de cette technologie à supplanter par de nombreux aspects et domaines les techniques de conversion conventionnelles. C’est particulièrement le cas pour des sources de chaleurs à faible exergie. Pour un tel exemple, la conversion d’énergie par techniques conventionnelles offre une trop faible efficacité pour être économiquement rentable. A l’encontre de cet argument, la conversion par effet magnétique offre un rendement exégétique supérieur et atteint des conditions d’utilisation favorables. Le désavantage réside dans la faible efficacité de Carnot des machines opérant à des températures de sources si peu élevées. Cependant, la disponibilité de telles sources est presque illimitée. D’autre part, le fonctionnement de cette technologie ne repose que sur la différence de température entre sources et non sur leur niveau.
A la fin de ce rapport et en vue d’ensemble, différents systèmes travaillant sous diverses conditions sont listés et évalués dans le cadre d’utilisation de la conversion d’énergie par effet magnétique. Le plus adapté pour une première réalisation pratique est un système avec aimants permanents et une source de chaleur à une température de 120 °C.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Kitanovski,Andrej
Diebold,M.
Vuarnoz,D.
Gonin,C.
Egolf,Peter W.
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