Lei, Tian

Emnet for denne ph.d. afhandling er numerisk modellering af den aktive magnetiske regenerator (AMR) samt eksperimentelle tests af passive regeneratorer med periodisk varierende væskestrømning. Det primære formål med dette arbejde er at udforske og forbedre nye koncepter og teknologier indenfor magnetisk køling. Den numeriske diskretisering af en endimensionel (1D) AMR model er blevet forbedret, således, at ufysiske temperaturvariationer i den numeriske løsning elimineres. Yderligere tilføjelser til den transiente AMR model er blevet implementeret, således, at modellen nu kan håndtere trapez formede regeneratorer, varmetab gennem regeneratorvæggen samt regeneratorer med varierende materialer. Magnetokaloriske materialer (MCM) klassificeres typisk som 1. eller 2. ordens (efter ordenen af deres faseovergang). De magnetokaloriske egenskaber, isoterm entropiændring, ∆Siso , samt adiabatisk temperaturændring ∆Tad er markant forskellige for de to klasser af MCMer. Via et teoretisk studie vises det i afhandlingen, at disse egenskaber bør betragtes med lige stor vægt. Et dybdegående studie omhandlende hvordan man organiserer regeneratorer med hhv.1. og 2. ordens materialer baseret på eksperimentelle målinger af hhv. La(Fe,Mn,Si)13Hy (1. ordens) og Gd (2. ordens) præsenteres i afhandlingen. Det vises, at regeneratorens ydeevne er en funktion af arbejdstemperaturen samt Curie (overgangs-) temperaturvariationen i materialerne. En konceptuel regenerator med en kombination af 1. og 2. ordens materialer foreslås som en potentiel fremtidig regenerator kandidat. Den aktive magnetiske regenerator evalueres ydermere på basis af en entropiminimeringsstrategi, hvor entropigeneration fra utilstrækkelig varmetransport, viskøs opvarmning samt aksial termisk ledning inkluderes. Betydningen af varmetab fra regeneratorens indkapsling samt såkaldt dødt volumen kvantificeres. Endelig udføres en multiparameter optimering med hensigten at finde de optimale operations- og geometriske parametre for en AMR. Et testapparat til evaluering af passive regeneratorer opbygges, testes og valideres. Dette eksperimentelle udstyr bruges til at sammenligne forskellige regeneratorgeometrier inklusive de nye innovative regeneratorer, som er delvist limet sammen med epoxy, samt forskellige varmetransportvæsker. Væske- og varmetransport egenskaberne evalueres på basis dels af målte størrelser (tryktab, regenerator effektivitet samt tilført varme) og afledte størrelser (friction factor samt Nusselt-tallet). Endelig perspektiveres forskningen præsenteret i denne afhandling og forslag anvises til fremtidigt arbejde.This thesis presents numerical modeling of active magnetic regenerator (AMR) and passive regenerator tests with oscillating flow. The work serves to investigate and improve the understanding of emerging concepts and technologies in the area of magnetic refrigeration. The discretization scheme of a one dimensional (1D) AMR model is improved for decreasing spurious temperature oscillations in the numerical solution. This transient AMR model is further modified for simulating tapered regenerators, heat loss through the housing wall and regenerators using mixed materials. Magnetocaloric materials (MCM) with a first or second order phase transition (FOPT or SOPT) exhibit different characteristics in isothermal entropy change ∆Siso , adiabatic temperature change ∆Tad  and temperature dependence of the magnetocaloric effect (MCE). A theoretical study quantifies the impact of these parameters, showing that all of them are equally important. Based on measured magnetocaloric properties of La(Fe,Mn,Si)13Hy and Gd, a thorough investigation on how to layer typical FOPT or SOPT materials is implemented. For those regenerators, the sensitivity to the working temperature and the Curie temperature variation is evaluated. A concept of mixing FOPT and SOPT materials is also investigated. Furthermore, the entropy production rates due to insufficient heat transfer, viscous dissipation and axial conduction, as well as the total entropy production rate, are calculated and compared for analyzing different loss mechanisms and optimizing AMRs. The impacts of the heat loss through the regenerator housing and the dead volume are also quantified. A multiparameter optimization reveals the optimal dimensions and operating parameters for different regenerator geometries. In order to evaluate different regenerator geometries, including the emerging epoxy bonded bed and different heat transfer fluids, a passive regenerator test apparatus is constructed and an experimental investigation is presented. The flow and heat transfer characteristics of different regenerators are estimated by presenting the measured and deduced indicators, including the pressure drop, friction factor, effectiveness, heating power and overall Nusselt number. Finally, based on the research in this thesis, the perspectives and some suggestions for the future work are given

Online Research Database In Technology

Modeling of active magnetic regenerators and experimental investigation of passive regenerators with oscillating flow

http://orbit.dtu.dk/ws/files/127460945/Modeling_of_active_magnetic_regenerators.pdf

Modeling of active magnetic regenerators and experimental investigation of passive regenerators with oscillating flow

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Online Research Database In Technology