Et kølesystem uden skadelige kølemidler

En opdagelse fra 1917 bliver levedygtig for fremtiden. Et team af forskere ved Fraunhofer Institute for Physical Measurement Techniques IPM er ved at udvikle effektive magnetokaloriske kølesystemer, der klarer sig uden skadelige kølemidler. Forskerne håber at opnå 50 procent af det maksimale effektivitetsniveau med deres proces. Sammenlignelige eksisterende magnetokaloriske systemer når kun cirka 30 procent.

Mange forskningsgrupper rundt om i verden arbejder med køleskabe, industrielle kølesystemer og klimaanlæg, der pumper varme ved hjælp af magnetokaloriske materialer. Opvarmnings- og afkølingscyklussen genereret ved magnetisering er fremragende egnet til køling. Fysiker Dr. Kilian Bartholomé og hans team ved Fraunhofer IPM i Freiburg, Tyskland, bruger denne teknologi til at udvikle et ekstremt effektivt termisk ledningsevne koncept, der eliminerer behovet for miljøskadelige kølemidler.

Der er stor efterspørgsel efter innovative køleteknologier, da de konventionelle hydrofluorcarboner (HFC'er), der bruges i dag, er kraftige drivhusgasser. Af denne grund, EU har begrænset brugen af ​​HFC'er betydeligt. Der er alternativer til HFC'er, såsom de naturlige kølemidler butan og propan, som bruges f.eks. i husholdningskøleskabe. Disse gasser er brandfarlige, men anses ikke for farligt i de mængder, der bruges i husholdningskøleskabe. Stadig, de er ikke en levedygtig mulighed for større kølesystemer som dem, der findes i supermarkeder. Industrien arbejder på alternative kølemidler, men har endnu ikke fundet frem til overbevisende løsninger.

Miljøvenlig lanthan-jern-siliciumlegering som magnetokalorisk materiale

Et magnetokalorisk kølesystem kræver ingen som helst skadelige kølemidler. Forskerne bruger en miljøvenlig lanthan-jern-silicium-legering som et magnetokalorisk materiale, som varmes op, når der påføres et magnetfelt og afkøles, når feltet fjernes. Kilian Bartholomé og hans team har udviklet og patenteret en særlig procedure til overførsel af den producerede varme.

Bartholomés kølesystem gør brug af latent varme, altså den energi, som en væske kræver for at blive til damp. "Da vand absorberer meget energi, når det skifter fra en flydende til en gasform, vi bruger fordampningsprocessen til at overføre varmen, " siger fysikeren. "Dette er et yderst effektivt middel til at overføre den termiske energi."

Ved beslutningen om at bruge fordampningsprocessen til varmetransport, Kilian Bartholomé og hans kollega Jan König var inspireret af varmerør, der blev brugt f.eks. som rørsamlere i solcelleanlæg og til køling af computere. Et varmerør er en evakueret beholder, hvor en lille mængde væske er blevet lukket. Hvis den ene side af røret er opvarmet, væsken fordamper på denne opvarmede side og kondenserer igen på den kolde side. Meget høje varmetransmissionshastigheder opnås i processen.

Det magnetokaloriske varmerør, der udvikles hos Fraunhofer IPM, imidlertid, er væsentligt mere kompleks. Den består af mange små kamre, der indeholder det magnetokaloriske materiale. Legeringen har en fint porøs struktur, så den kan trænge optimalt ind i vanddampen. Metoden til fremstilling af den porøse legering er udført af Dr. Sandra Wieland og Dr. Martin Dressler ved Fraunhofer Institute for Manufacturing Technology and Advanced Materials IFAM.

Ny verdensrekord for magnetokaloriske kølesystemer

For at øge effektiviteten yderligere, Bartholomé arrangerer varmerørets segmenter i et cirkulært mønster og placerer en roterende magnet i midten. Det forventes, at demonstratoren vil generere 300 watt strøm, når den er færdig i slutningen af ​​året. Til sammenligning:Kompressoren i et husholdningskøleskab producerer fra 50 til 100 watt effekt. Det nuværende system fungerer allerede med en meget høj frekvens. Forskerne i Freiburg planlægger at bruge demonstratoren til at slå en verdensrekord for magnetokaloriske kølesystemer med hensyn til systemfrekvens. Det langsigtede mål er at opnå 50 procent af det teoretiske maksimale effektivitetsniveau. Sammenlignelige eksisterende systemer når op på cirka 30 procent.

Industriens aktører udtrykker allerede stor interesse for forskningen, for eksempel Philipp Kirsch GmbH, som fremstiller specielle køleskabe til medicinske laboratorier, apoteker og hospitaler. Den gamle tyske virksomhed arbejder sammen med Fraunhofer IPM i et projekt sponsoreret af det tyske forbundsministerium for økonomi og teknologi (BMWi). "Vi ønsker at bringe en minus-86-graders enhed på markedet baseret på magnetokalorier, "siger administrerende direktør Jochen Kopitzke." Magnetocalorics har et meget stort forstyrrende potentiale og kan være i stand til at erstatte kompressorbaseret køling på mellemlang sigt. Vi ser her et klart udviklende marked, som vi kan trænge ind på."

Magnetocalorics – Den lange vej til anvendelse

Magnetisering kan bruges til at opvarme magnetokaloriske materialer, dog kun inden for et snævert temperaturområde, som er specifikt for hvert materiale. Når et magnetfelt påføres ved disse temperaturer, de magnetiske momenter orienterer sig i retning af magnetfeltet. Dette genererer termisk energi, opvarmning af materialet.

Jern udviser den magnetokaloriske effekt ved ca. 750°C, og nikkel ved omkring 360 ° C. Der er kun et element, der kan opvarmes ved hjælp af magnetocalorics ved stuetemperatur:gadolinium, et meget sjældent og derfor ekstremt dyrt metal.

Det var først i slutningen af ​​1990'erne, at der blev udviklet legeringer, som er magnetokaloriske ved stuetemperatur, og som kan fremstilles omkostningseffektivt i industriel skala. En af disse er lanthan-jern-silicium-legeringen, der bruges af arbejdsgruppen hos Fraunhofer IPM.