Salinan Terjemahan Magnetic_refrigerator.docx

Pendinginan Magnetik Pendinginan magnetik adalah metode pendinginan berdasarkan efek magnetokalorik. Efek ini, yang ditemukan pada tahun 1881, didefinisikan sebagai respons dari medan magnet padat yang diterapkan yang nampak sebagai perubahan suhu. 1 Efek ini dipatuhi oleh semua logam transisi dan elemen lantanida-seri. Ketika medan magnet diterapkan, logam ini, yang dikenal sebagai ferromagnet, cenderung memanas. Saat panas diterapkan, momen magnet sejajar. Ketika bidang dihapus, feromagnet mendingin saat momen magnetik menjadi berorientasi acak. Gadolinium, logam tanah langka, menunjukkan salah satu efek magnetokalorik terbesar yang diketahui. Itu digunakan sebagai refrigeran untuk banyak desain pendingin magnetik awal. Masalah dengan menggunakan gadolinium murni sebagai bahan pendingin adalah bahwa hal itu tidak menunjukkankuat efek magnetokalorik yangpada suhu kamar. Baru-baru ini, bagaimanapun, telah ditemukan bahwa paduan meleleh gadolinium, silikon, dan germanium lebih efisien pada suhu kamar.2 Menggunakan efek magnetokalorik untuk keperluan pendinginan pertama kali diteliti pada pertengahan tahun 1920-an tetapi baru saja mendekati titik di mana itu bisa berguna pada skala komersial. 1 Perbedaan utama yang terkait dengan proses ini adalah bahwa ia tidak memiliki kompresor. Kompresor adalah bagian yang paling tidak efisien dan mahal dari sistem kompresi gas konvensional. Di tempat kompresor adalah tempat tidur kecil yang mengandung bahan magnetorororik, pompa kecil untuk mengedarkan cairan transfer panas, dan poros penggerak untuk memindahkan tempat tidur masuk dan keluar dari medan magnet.yang Fluida perpindahan panasdigunakan dalam proses ini adalah air dicampur dengan etanol bukantradisional refrigeranyang menimbulkan ancaman terhadap lingkungan. Sebagian besar penelitian pendinginan magnet yang berhasil dilakukan pada titik ini diselesaikan oleh Ames Laboratory di University of Iowa dan oleh Astronautics

2 Corporation of America di Madison, Wisconsin. Karl Gschneidner dan Vitalij Pecharsky dari Ames Laboratory dan Carl Zimm dari Astronautics Corporation telah memimpin penelitian ini.ini Timtelah mengembangkan sistem kerja yang menggunakan dua tempat tidur yang berisi bubuk bola dari Gadolinium dengan air yang digunakan sebagai fluida perpindahan panas. Medan magnet untuk sistem ini adalah 5 Tesla, menyediakan rentang suhu 38 K. Nilai maksimum yang diperoleh dari unit ini termasuk daya pendinginan 600 Watt, Koefisien Kinerja mendekati 15, dan efisiensi sekitar 60% dari efisiensi Carnot. Karena medan magnet yang tinggi, bagaimanapun, sistem ini tidak berlaku untuk digunakan di rumah. Tujuan akhir dari teknologi ini adalah mengembangkan kulkas standar untukrumah digunakan di. Penggunaan refrigerasi magnetik memiliki potensi untuk mengurangi biaya operasi dan biaya pemeliharaan bila dibandingkan dengan metode konvensional pendinginan berbasis kompresor. Dengan menghilangkan biaya modal yang tinggi dari kompresor dan tingginya biaya listrik untuk mengoperasikan kompresor, pendinginan magnetik dapat secara efisien dan ekonomis menggantikankompresor pendinginan berbasis. Keuntungan utama teknologi pendinginan magnetik dibandingkan pendinginan berbasis kompresor adalah teknologi desain, dampak lingkungan, danoperasi penghematan biaya. Diagram alir proses untuk sistem pendingin magnetik ditunjukkan pada Gambar 1. Campuran air dan etanol berfungsi sebagai cairan transfer panas untuk sistem. Cairan pertama melewati heat exchanger panas, yang menggunakan udara untuk mentransfer panas ke atmosfer. Cairankemudian melewati lempeng tembaga yang melekat pada non-magnetmagnetocaloric dingin tidurdan kehilangan panas. Sebuah kipas meniup udara melewati cairan dingin ini ke dalam freezer untuk menjagafreezer temperatursekitar 0 ° F. Cairan pemindahan panas kemudian dipanaskan hingga 80 ° F ketika melewati pelat tembaga yang disatukan oleh magnet magnetororik tempat tidur magnetis, dimana

3

4 terus berputar mengelilingi loop. Namun, tempat tidur magnetocaloric secara bersamaan bergerak naik dan turun, masuk dan keluar dari medan magnet. Posisi kedua dari tempat tidur ditunjukkan pada Gambar 2. Gambar 3 menunjukkan bagaimana udara dingin dari freezer tertiup ke dalam kulkas oleh kipas freezer, F-102. Suhu bagian lemari es disimpan sekitar 39 ° F. Biaya untuk produksi massal dapat diperkirakan menggunakan kurva belajar.4 Persamaan yang digunakan ditunjukkan sebagai Persamaan 1. Y (N) = ANn (1) Di mana: Y (N) = Jumlah untuk unit produksi N A = Jumlah untuk 1 st

unit produksi B = Eksponen peningkatan Mengikuti asumsi bahwa melayani satu setengah dari pasar lemari es akan menghasilkan produksi 7 juta lemari es per tahun, dan dengan asumsi biaya prototipe $ 1000, ditemukan bahwa biaya per unit akan sekitar $ 500. Hubungan ini disajikan pada Gambar 4.

5

Fo

F 1 0 F 1 0 P 1 0 D 1 0

n E 1 0 E 1 0 M 1 0 V 1 0

B 1 0 B 1 0 1 F r e e z e r F a n 2 R e f r i g e r

t o r F

1

H o t H e

2 C o l d H e

1 F l u i d P u m p 1 D r i v 1 E l e c t

r 1 V e s s e l 2 C o l 1 H o t E x c h a n g e r t e x c h a n g e r

e s h a f t o M

g n e t d M

g n e t o c sebuah l o r i t M

g n e t o

c sebuah l o r i c b e d s c B e d s

0 R o o m A i r

F o3

9 n R o o m A ir

6

F i g u r e 3: R e f r i g e r a

t o r C o n f i g u r a t i o n F

o r M a g n e t i c R e f r i g e

r a t i o

tin U re P tnep S srallo D 1200 1000 800 600 400 200 0 01234567 Number of Units Produced (jutaan)

Gambar 4: Pengeluaran Perubahan Karena Produksi Massal

8 Pendinginan magnetik memanfaatkan efek magnetocaloric. Efek ini menyebabkan perubahan suhu ketika logam tertentu terkena medan magnet. Semua logam transisi dan elemen seri lanthanida mematuhi efek ini. Logam-logam ini, yang dikenal sebagai ferromagnet, cenderung memanas sebagai medan magnet diterapkan. Saat medan magnet diterapkan, momen magnetik dari atom sejajar. Ketika medan dilepas, feromagnet mendinginmagnetik saat momenmenjadi berorientasi secara acak. Ferromagnet lunak adalah yang paling efisien dan memilikisangat rendah kehilangan panas yangkarena proses pemanasan dan pendinginan. Gadolinium, logam tanah langka, menunjukkan salah satu efek magnetokalorik terbesar yang diketahui. Kebanyakan desain pendinginan magnet modern menggunakan paduan meleleh gadolinium, silikon, dan germanium, yang memberikansuhu yang lebih besar rentangpada suhu kamar. Desain yang disajikan menggunakan paduan seperti itu dengan rumus Gd 5

(Si 0.455

Ge 0.545

) 4

. Paduan ini memiliki rentang suhu –12 ° F hingga 80 ° F.5 Kulkas rumah tangga biasa memiliki volume internal 21 ft3, di mana freezer mewakili sekitar 30% dari volume ini. Freezer dirancang untuk mempertahankan suhu 0 ° F. Lemari es menjaga suhu 39 ° F. Lemari es akan diinsulasi dengan busa poliuretan, salah satu bentuk isolasi yang paling umum tersedia. Kulkas disimpan dingin dengan memaksa udara dingin dari freezer ke kulkas dengan menggunakan kipas kecil. Sistem kontrol untuk mempertahankan suhu internal yang diinginkan terdiri dari dua termostat dengan switch on / off. Thermostat freezer mengatur suhu dengan mematikan kompresor

ketika suhu di bawah 0 ° F. Termostat kedua mengatur kipas yang mendinginkan lemari es hingga 39 ° F. Untuk menjaga lingkungan yang bebas embun beku di dalam freezer, penghitung waktu pencairan akan mengirim daya kepembeku pemanaspada koil untuk periode waktu lima belas menit setiap delapan jam. Dalam enampertama menit, dinding freezer akan dicairkan. Air kemudian akan dialirkan ke dalam panci di

9 dasarlemari es. Sembilan menit berikutnya melibatkan faktor keamanan tidak mencapai suhu di freezer yang terlalu tinggi. Selain itu, termostat pengaman menjaga air cair dari pembekuan saat mengalir. Cairan transfer panas untuk sistem pendingin magnetik adalahalkohol-air cair campuran. Campuran yang digunakan dalam desain terdiri dari 60% etanol dan 40% air. Campuran ini memiliki titik beku -40 ° F6, memastikan bahwa campuran tidak membeku padaoperasi yang diatur suhu. Cairan transfer panas ini lebih murah daripada refrigeran tradisional dan juga menghilangkan kerusakan lingkungan yang dihasilkan dari refrigeran ini. Suhu cairan di seluruh siklus berkisar dari –12 ° F hingga 80 ° F.panas Cairan transferpada sekitar 70 ° F didinginkan hingga -12 ° F oleh setdingin yang tidak termagnetisasi tempat tidur. Cairan didinginkan ini kemudian dikirim ke penukar panas dingin, E-102, di mana ia menyerap kelebihan panas dari freezer. Cairan ini meninggalkan freezer pada 0 ° F. Cairan hangat kemudian mengalir melalui set tempat tidur magnet yang berlawanan, di mana dipanaskan hingga 80 ° F. Aliran panas ini sekarang didinginkan oleh udara suhu ruangan dalam penukar panas panas, E-101, hingga 70 ° F. Siklus tersebut kemudian berulang dengan sendirinya setiap tiga detik setelah tempat tidur berganti posisi. Pipa tembaga digunakan di seluruh loop dan di dua penukar panas. Dua set tempat tidur, B-101 dan B-102, mengandung lingkup kecilmagnetocaloric bahan. Ukuran tempat tidur menyerupai setengah dari kaleng soda.7 Tempat tidur bergantian masuk dan keluar dari medan magnet menggunakan rantai dan poros penggerak sprocket. Poros kandil memutar tempat tidur ke belakang dan ke depan sambil mempertahankannya agar tetap bersentuhan dengan pelat transfer panas.

10 Referensi 1. Gschneidner, Karl, Vitalij Pecharsky dan Carl Zimm, "Pendinginan Magnetik untuk Peranti," International Appliance Technical Conference Proceedings, hal. 144, Mei, 1999. 2. Gschneidner, Karl, dan Vitalij Pecharsky: "Efek Magnetocaloric Raksasa di Gd 5

(Si x

Ge 1-x

) 4

Bahan untuk Pendinginan Magnetik" Kemajuan dalam Teknik Kriogenik, Pleno Press, New York, p . 1729, 1998. 3. Gschneidner, Karl, Vitalij Pecharsky dan Carl Zimm, "Pendinginan Magnetik untuk Peranti," International Appliance Technical Conference Proceedings, hal. 144, Mei, 1999. 4. Creese, Robert C., M. Adithan, dan BS Pabla, Estimasi dan Penentuan Biaya untukLogam Industri Manufaktur, Marcel Dekker, Inc., New York, Ch. 13, 1992. 5. Gschneidner, Karl, Vitalij Pecharsky dan Carl Zimm, "Bahan Baru untuk Pendingin Refrigerasi Magnetik Biaya Efektif, Pendingin Udara yang Ramah Lingkungan, Lemari Es / Pembeku, dan Pembersih Gas," Teknologi Bahan, hal. 143, 1997. 6. Long, Robert A. Lange's Handbook of Chemistry McGraw Hill, New York, hal. 10-75. 7. Wilkinson, Sophie L. “Memainkannya Keren,” Sains / Teknologi, April 2000.