Schlüsselwörter
(Deutsch)
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TP0081;F-Elektrizitätstechnologien & -anwendung
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Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Eine erste Machbarkeitsstudie über die magnetische Kältetechnik wurde im April 2008 abgeschlossen. Diese hatte zum Ziel für alle Gebiete der Kältetechnik zu prüfen, wie geeignet eine Substitution einer konventionellen durch eine magnetische Kälteanlage ausfallen würde. Die umfassende Studie zeigt, dass vor allem zwei Anwendungen für einen Einsatz der magnetischen Kältetechnik erfolgversprechend wären, nämlich der Haushalt-Kühlschrank ohne Gefrierfach und die zentralen Kühlgeräte (Chiller) mit nicht zu tiefen Wassertemperaturen. Die Projektsteller konnten bereits ein Industrieprojekt mit einer namhaften deutschen Kühlschrank-Firma einrichten, um die magnetische Haushalt-Kühlschrank-Technologie weiter zu untersuchen. Deshalb wird in dem hier vorgestellten BFE-Folgeprojekt vorgeschlagen, die zweite An-wendung der ¿magnetischen Kühlmaschinen (Chiller)¿ weiter zu vertiefen. Durch eine tiefschürfende Un-tersuchung - mit einfachen Modellen und numerischen Simulationen - soll beurteilt werden, welche ¿Chiller-Anlag
en¿ sich am besten eignen um durch magnetische Kältemaschinen ersetzt zu werden.
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Publikationen / Ergebnisse
(Deutsch)
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Der Jahres-End-Bericht 2008 dieses Projektes zeigte einen Bedarf den Entwurf und die Betriebscharakteristiken von magnetischen Chillern zu beschreiben. Diese wurden da als ein Thema für weitere Untersuchungen dargestellt. Im Jahre 2009 wurde dies ausgeführt und die entsprechenden Arbeiten und deren Resultate sind in diesem neuen Jahres-End-Bericht zusammengefasst. Im Kontext dieser Machbarkeitsstudie wurden ein mathematisch-physikalisches Modell und ein spezielles numerisches Werkzeug (Computer-Programm) entwickelt. Diese dienen als Basis für den Entwurf, Energie-Analysen und die Optimierung von verschiedenen Chillern. Die Studie enthält gleichzeitig Arbeiten, die mit eigenen numerischen Werkzeugen durchgeführt worden sind, wie auch solche mit kommerziell erhältlicher Software für die numerische Berechnung von magnetischen Magnet-Feld-Verteilungen. Eine erste Analyse zeigt eine Grenze der Grösse von Magnet-Konfigurationen auf. Basierend auf Daten von heute erhältlichen magnetokalorischen und Permanent-Magnet-Materialien wird geschlossen, dass magnetische Chiller – die mit Permanent-Magneten ausgestattet sind – bis ungefähr 100 kW Kälteleistung eingesetzt werden können. Dies ist die Konsequenz von Grenzen, die durch sinnvolle äussere Durchmesser von Magnetkonfigurationen gegeben werden. Daher werden sogar Chiller mit 100 kW Kälteleistung mit kleineren Modulen zusammengebaut werden müssen, um eine Kälteeinheit zu bilden. Eine weitere Einschränkung für verschiedene magnetische Chiller-Anwendungen ist in Bezug auf die Temperaturdifferenz zwischen den Temperaturen der Wärmequelle und der Wärmesenke gegeben.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
University of Applied Sciences of Western Switzerland
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Egolf,Peter W.
Kitanovski,Andrej
Gonin,C.
Zugehörige Dokumente
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Publikationen / Ergebnisse
(Englisch)
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The end-of-year report 2008 of this project indicated needs to describe the design and operation characteristics of magnetic chillers. These then would be a subject for further analyses. In 2009 this was performed and the work and results are summarized in this new end-of-year report. In the context of this feasibility study a mathematical-physical model and a special numerical tool were developed. They serve as the basis for the design, analyses on energy characteristics and the optimization of different magnetic chillers. The study compri-ses simultaneous work with own developed numerical tools and commercially available software for the numerical calculation of magnetic field distributions. A first analysis shows a limit related to the size of magnet assemblies. Based on data of at present available magnetocaloric and permanent magnet materials, it is concluded that magnetic chillers, operating with permanent magnets, can be applied for cooling powers up to approximately 100 kW. This is the consequence of limits given by reasonable outer dimensions of magnet assemblies. Therefore, even chillers of 100 kW cooling power are comprised of smaller modules connected together to yield a single device. A further restriction for different magnetic chiller applications is given by the temperature difference between the temperatures of the heat source and the heat sink.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
University of Applied Sciences of Western Switzerland
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Egolf,Peter W.
Kitanovski,Andrej
Gonin,C.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Dieser Bericht stellt eine ausführliche thermodynamische und oekonomische Analyse von Anwendungen von rotativen magnetischen Kältemaschinen („Chillern“) dar. In magnetischen Chillern können zwei verschiedene magnetische Feldquellen effizient eingesetzt werden. Die Studie befasst sich mit magnetischen Chillern die auf Permanent-Magneten und auf supraleitenden Magneten beruhen.
Ein numerisch unterstützter Entwurf wurde mit einer Permanent-Magnet-Konfiguration mit verschiedenen magnetischen Feldliniendichten durchgeführt. Spezielle Anstrengungen wurden gemacht um einen optimalen „Design“ der magnetokalorischen Strukturen zu erhalten. Zuerst wurden diese als wellenförmige Strukturen vorausgesetzt. Verschiedenste Resultate der Konstruktion und Betriebsweisen der magnetischen Chiller führten/führen zu wichtigen Informationen für weitere Forschungs- und Entwicklungsarbeiten. Die thermodynamische Analyse zeigt, dass rotative magnetische Chiller bessere Wirkungsgrade erzielen können als konventionelle mit Kompressoren. Dies wurde schon in einer früheren Publikation aufgezeigt. Die Resultate dieses Berichtes sind basiert auf realen Entwürfen von magnetischen Rotations-Chillern. Es wird gezeigt, dass rotative magnetische Chiller, basierend auf Permanent-Magneten, einen modularen Aufbau mit mehreren Einheiten in einer Serienschaltung verlangen. Dies präsentiert eine Grenze für die Grösse eines Chillers, welche durch die Grösse der Magnetkonfiguration bestimmt wird. Chiller, basierend auf Permanent-Magneten, können da-durch Leistungen zwischen einigen kW und etwa 200 kW erbringen. Höhere Leistungen und tiefere Kosten können erzielt werden durch die Anwendung von neuen zukunftsgerichteten magnetokalorischen Technologien (siehe unten).
Rotative magnetische Chiller führen zu höheren Kosten als diese von äquivalenten Kom-pressor-Kälte-Anlagen. Dies ist vor allem evident, wenn man Applikationen mit einem 20 % - Äthanol/Wasser-Fluid studiert. Um den Wirkungsgrad und damit die Leistung eines magnetischen Chillers zu steigern und die Kosten zu senken, können andere Typen von Flüssigkeiten eingesetzt werden. Applikationen mit metallischen Fluiden (z.B. solchen basierend auf In und Ga) erhöhen die Kühlkapazität mehr als eine Grössenordnung verglichen mit Äthanol/Wasser bei vergleichbarer Effizienz eines Chillers. Wegen des hohen Preises von solchen Flüssigkeiten, ist der Preis eines Kernteils eines rotativen magnetischen Chillers etwa zweimal höher als derjenige eines äquivalenten kompressorbasierten Chillers. Falls man aber die Betrachtung auf alle Teile einer solchen Kältemaschine ausdehnt, so ist die Differenz der Kosten zwischen einem magnetischen Chiller und einem konventionellen vergleichsweise klein. Auch die Charakteristik des Wärmetransports hat einen grossen Einfluss auf die Kosten einer Maschine. Das ist der Grund, dass diese Studie nicht von luftgekühlten Chillern handelt. Luftgekühlte Chiller sind beim jetzigen Stand der Entwicklung der magneti-schen Kältetechnik noch nicht bereit für eine Markteinführung im Gebäudesektor. Trotzdem zeigen sie ein interessantes Potential für einige Industriezweige.
Supraleitende magnetische Chiller sind nur machbar in grossskaligen Anwendungen von über 1 MW Kälteleistung. Die Kosten eines solchen Apparates werden als kleiner veranschlagt, als jene einer konventionellen Kompressor-Maschine. Der Wirkungsgrad wäre höher. Solche Kältemaschinen sollten ernsthaft in Erwägung gezogen werden für eine zukünfti-ge Markteinführung. Die Entwicklung von supraleitenden magnetischen Chillern würde Inve-stitionen und Aktivitäten in Forschung und Entwicklung auf einer grösseren Skala verlangen.
Zum Schluss enthält dieser Bericht auch einige neue Ideen für die magnetische Kältetechnik, welche über den gegenwärtigen Stand der Kenntnisse hinausgeht. Diese beinhalten ein Potential für weitere Kostenreduktionen und Erhöhungen von Wirkungsgraden.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
University of Applied Sciences of Western Switzerland
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Egolf,Peter W.
Kitanovski,Andrej
Gonin,C.
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Schlussbericht
(Englisch)
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This report presents a comprehensive thermodynamic and economic analysis of applications of rotary magnetic chillers. In a magnetic chiller two types of magnetic field sources can be efficiently applied. The study deals with magnetic chillers based on permanent magnets and superconducting magnets, respectively.
A numerical design has been performed for permanent magnet assemblies with different magnetic flux densities. Special efforts have been made to obtain an optimal design of magnetocaloric porous structures. These were first considered to have the form of a periodic wavy structure. Numerous results on the design and operating characteristics of magnetic chillers led/lead to important information for further research and development. The thermo-dynamic analysis shows that rotary magnetic chillers can overcome efficiencies of conventio-nal compressor chillers. This was already reported in a previous publication. The results of this report are based on real designs of rotary magnetic chillers. It is shown that rotary magnetic chillers, based on permanent magnets, require a modular design of several units in a connected series. This presents a limit given by the size of the permanent magnet assembly. Chillers based on permanent magnets can, therefore, provide a cooling power in the range from a few kW to 200 kW. Higher power and lower costs can be obtained by new future magnetocaloric technologies (see section below).
Rotary magnetic chillers lead to higher costs than those of an equivalent compressor system. This becomes obvious for applications with a 20% ethanol-water fluid. In order to increase the efficiency and the power of a magnetic chiller, as well as to reduce costs, other types of heat transfer fluids may be applied. Applications with liquid metals (e.g. based on In and Ga elements) increase the cooling power for more than one order compared to solutions with ethanol-water for an equal efficiency of the device. Because of the very high price of such liquids, the core part of the rotary magnetic chiller leads to costs that are approximately two times higher than those of an equivalent compressor. However, taking into account all the devices and elements of the cooling system, the difference in costs between the magnetic cooling system and the conventional compressor cooling system is small. Also heat transfer characteristics have a strong influence on the cost of a device. This is the reason why this study does not deal with air-cooled chillers. Air-cooled chillers are at the present stage of development of the magnetic refrigeration technology not (yet) feasible for a market application in buildings. However, they show a large potential in some industrial refrigeration markets.
Superconducting magnetic chillers are feasible only in large-scale applications that go beyond 1 MW of the cooling power. The cost of such a machine is smaller than that of an equivalent compressor chiller. Its efficiency will be higher. Such systems should be seriously taken into consideration for future market applications. Superconducting magnetic refrigeration would require large future research activities on a broader scale.
This report briefly describes new ideas for magnetic refrigeration technologies, which go beyond the state of the art. They show potential for a substantial cost reduction and further improvements of the efficiency.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
University of Applied Sciences of Western Switzerland
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Egolf,Peter W.
Kitanovski,Andrej
Gonin,C.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Französisch)
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Ce rapport présente une analyse thermodynamique et économique complète sur des refroidisseurs magnétiques rotatifs. Dans ce type d’applications, deux genres de sources magnétiques peuvent être efficacement employées. La présente étude porte sur des refroidisseurs magnétiques dont les sources emploient des aimants permanents ou des supraconducteurs.
Des designs numériques ont été élaborés pour des sources magnétiques à aimants permanents dont les flux d’induction varient. Une attention particulière a été apportée aux structures magnétocaloriques poreuses, dans le but d’en optimiser les effets. Celles-ci furent d’abord étudiées sous forme de structures périodes alvéolées. De nombreux résultats sur des conceptions et des caractéristiques de fonctionnement de refroidisseurs magnétiques conduisent ont conduit à d’importantes informations en vue de recherche et de développements futurs. L’analyse thermodynamique a montré que les refroidisseurs magnétiques rotatifs peuvent surpasser les rendements des refroidisseurs classiques à compression. Ces conclusions ont déjà été soutenues lors d’une précédente publication. Les résultats de ce rapport sont basés sur des conceptions réelles de refroidisseurs magnétiques rotatifs. Il a été montré que les refroidisseurs magnétiques rotatifs, basés sur des aimants permanents, requièrent une conception modulaire de plusieurs unités connectées en série. Cela introduit une limite donnée par la taille de l’assemblage magnétique. Les refroidisseurs basés sur l’emploi d’aimants permanents peuvent, le cas échéant, produire une puissance de refroidissement de l’ordre de quelques kW à 200 kW. Des puissances plus étendues, ainsi que des coûts plus restreints pourront être obtenus par de nouvelles technologies magnétocaloriques, (voir section ci-dessous).
Les refroidisseurs magnétiques rotatifs conduisent à des coûts plus prohibitifs que les systèmes à compression, à puissance équivalente. Cela devient évident pour les applications avec un fluide à 20% d'éthanol-eau. Afin d'accroître l'efficacité et la puissance d'un refroidisseur magnétique, ainsi que d’en réduire les coûts, d'autres types de fluides de transfert de chaleur peuvent être appliqués. Des applications avec des métaux liquides (p. ex. basés sur les éléments In et Ga) augmentent la puissance de refroidissement d'un ordre supérieur à un, comparées aux solutions éthanol-eau et pour une efficacité égale de l'appareil. En raison du prix très élevé de tels liquides, la partie centrale du réfrigérateur magnétique rotatif entraîne des coûts deux fois supérieurs à ceux d'un compresseur équivalent. Toutefois, en tenant compte de l’intégralité des composants et éléments du système de refroidissement, la différence de coûts entre un système magnétique et un compresseur classique est faible. Aussi, les caractéristiques de transfert de chaleur ont une forte influence sur le coût d'un appareil. C'est la raison pour laquelle cette étude ne traite pas de refroidisseur par air. Ce type de refroidisseurs sont actuellement à l'étape de développement et ne sont pas (encore) réalisables pour le marché de l’habitation. Cependant, ils montrent un grand potentiel dans certains marchés de la réfrigération industrielle.
Des refroidisseurs à aimants supraconducteurs sont réalisables que dans des applications à grande échelle, pour des puissances de refroidissement qui avoisinent 1 MW. Le coût d'une telle machine est inférieur à celui d'un refroidisseur à compression équivalent. Son efficacité sera plus élevée. De tels systèmes devraient être sérieusement pris en considération pour de futures applications commerciales. La réfrigération magnétique à supraconducteurs nécessiterait d'importants travaux de recherche sur une échelle plus large.
Ce rapport décrit brièvement les nouvelles idées sur des technologies de réfrigération magnétique, qui vont au-delà de l’état de l'art. Elles montrent un potentiel pour une réduction considérable des coûts et une amélioration de l'efficacité.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
University of Applied Sciences of Western Switzerland
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Egolf,Peter W.
Kitanovski,Andrej
Gonin,C.
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