Neuartige magnetokalorische Maschine für Kühl- und Heizanwendungen - MagKal : Schlussbericht ; Laufzeit des Vorhabens: 01.01.2012-30.06.2015

Abstract

Aus dem Projektziel der Weiterführung von Erforschung und Anwendung des Magnetokalorischen Effekts (MCE) generierte sich für das IFW die praktische Demonstration der Vervielfachung sowie Umkehrung der Temperaturänderung. Grundlegend wurden Arbeiten zur Optimierung von Magnetfeld, Probenform und Wärmetausch zwischen MCE-Material und Fluid vorangestellt. Nach umfangreichen theoretischen und kalkulatorischen Betrachtungen zum Magnetfeld, flossen diese Erkenntnisse direkt in die Entwicklung eines Zyklensimulators ein. Durch diese eigenerrichtete Versuchsanlage konnte das Magnetkonzept für den Demonstrator bestätigt und optimiert werden. Neben dem quasi Referenzmaterial Gadolinium wurde mit apparativer Unterstützung aus dem IFW Lanthan-Eisen-Silizium-Proben gefertigt. In nachfolgenden Untersuchungen wurden umfangreiche Testreihen zum effizienten Wärmetausch vom MCE-Material an das geeignetste Übertragungsfluid und zur bestmöglichen Probengeometrie absolviert. Die apparative Grundlage dazu stellt die thermische Testanlage des IFW dar. Eine Steigerung des technischen Aufwandes gegenüber dem Zyklierer zeigt sich in umfangreicher Sensorik und einem eigenen Messprogramm. Durch realitätsnahe Versuche im Feld eines starken Elektromagneten wurden wichtig Erkenntnisse für die Gestaltung des Probenmoduls im Demonstrator gewonnen. Der im IFW Dresden in Betrieb genommene MagKal-Demonstrator ermöglicht eine Vielzahl an Variationen von Parametern des magnetokalorischen Prozesses. Beispielgebend seien hier Durchfluss, Öffnungsverschiebung, Taktzeit, … genannt. Dieses Konzept erlaubt neben der Erweiterungsperspektive die Option für seriellen bzw. parallelen Betrieb der Module. Die Probenkammern der Module erlauben eine Untersuchung verschiedener Probengeometrien und /oder –materialien. Darüber hinaus können für diesen Demonstrator alle Parameter im Kühl- und Wärmepumpenbetrieb gefahren werden. Somit verschafft die Breite der experimentell beeinflussbaren Versuchsparameter dem Demonstrator einen unikalen Status. Diese Eigenschaften sind die wesentlichen Alleinstellungsmerkmale des im MagKal-Projekt entwickelten Demonstrators. Vielversprechende Ansätze zur Anwendung des erstellten Demonstrators gibt es für die ökologisch und energetisch optimierte technische Gebäudeklimatisierung, da in dieser Leistungsklasse vergleichsweise langsame Prozesse mit geringerer Temperaturdifferenz stattfinden. Es wird erwartet, dass es auf der Grundlage der Projektergebnisse gelingt, industrielle Kooperationspartner zur Weiterentwicklung in Richtung kommerziell verwertbarer Produkte zu gewinnen. From the project aim of continuing science and application of the Magneto Caloric Effect (MCE) arose for the IFW the practical demonstration of multiplying as well as inversion of temperature differences. Fundamental studies concerning magnetic field optimization, sample shapes and heat transport from MCE-material to fluid are done previously. After extensive theoretical and calculative dimensioning of the magnetic field, these new knowledges flu directly into the development of a cycle simulator. This self-made testing plant was well suitable to confirm and optimize the magnetic setup for the demonstrator. Beside of preparing the reference material gadolinium samples, new lanthanum-iron-silicon-samples were made with the instrumental help of the IFW. In the following investigations at the IFW, manifold series of tests concerning the effective heat transport from the MCE-Material to the best suitable transfer fluid and the best sample geometry were passed. The instrumental basis for these tests is the thermal test bench at the IFW. Comparing to the cycle test rig, comprehensive sensor devices and a suitable measuring software were implemented at the thermal test bench. Main results for the most promising modular concept of the demonstrator came up with the close-to-reality-experiments in the magnetic field of a strong electromagnet. The specially built demonstrator at the IFW allows wide variations of process parameters. For example flow rate, valve opening time shift, cycle time. This concept provides options for increasing the number of modules as well as operating the modules in serial or parallel order. The universal sample cells enables the intensive research of different sample geometries and/ or materials. Above that, all parameters for this demonstrators can be run in refrigeration and heat pump operation. This setup with its wide variety of parameters enforces the demonstrator to get a unique state. This features are the main stand-alone-properties of the developed demonstrator within the MagKal-project. Promising ideas for application of the demonstrator design can be found at the ecological and economical friendly air-conditioning of buildings, because just small temperature differences and slow processes occurs in that performance category. It is expected that based on the project results industrial partners will be attracted for further development of commercially exploitable products.