مقدمه

بازار فناوری تبرید بسیار وابسته به صنایع غذایی ،صنایع شیمیایی و دارویی وهمچنین صنایع خودرو سازی وغیره می باشد. بعضی از این صنایع دارای بازارهای به شدت درحال رشد ، به لطف افزایش درآمد کشورهای شرق اروپا ، هند و چین هستند. به علت آنکه تعداد تاسیساتی که بر مبنای فناوری های تبرید جایگزین سیکل تراکمی ساخته شده مانند سیستم های جذبی ،ادزورپشن ،الکتریک-گرمایی ،صوت-گرمایی و غیره ناچیز هستند هنوز سیکل تراکمی به عنوان اصلی ترین فناوری تبرید به کار می رود.
بنابراین تمایل به استفاده از سیستم های تراکمی برای تبرید خانگی نیز افزایش می یابد. بر اساس گزارش کمیسیون اروپا میزان گازهای HFC تولید شده در جهان از سال 1995 تا سال 2010 میلادی 62 درصد افزایش داشته است. که تهویه مطبوع و تبرید عامل 43 درصد آن بوده اند.
تقریباً زمان آن رسیده است که به جایگزین های سیکل تراکمی ، به عنوان مثال تبرید مغناطیسی توجه شود.
تبرید مغناطیسی بر مبنای خواص” مغناطیس-گرمایی ” بعضی از مواد فرومغناطیس عمل می- کند.با این که این فناوری در دهه سی میلادی برای اولین بار استفاده شد ولی از آن زمان تا دهه اخیر صرفاً کاربرد آزمایشگاهی یا به ندرت صنعتی برای کاربرد های خاص و دماهای مافوق سرد داشته است .تا اینکه اخیراً با توجه به کشف مواد با خاصیت مغناطیس گرمایی بالاتر از عناصر ساده متخصصان به این نتیجه رسیده اند که می توان از این فناوری به طور گسترده و در دماهای نزدیک به دمای محیط استفاده نمود و با توسعه این فناوری در بسیاری از کاربرد های رایج امروزی حتی تهویه خانگی می تواند جایگزین سیکل های تبرید و تراکمی گردد.
اساس کار تبرید مغناطیسی به طور خلاصه به این ترتیب است که اگر جسمی از جنس ماده با خواص مغناطیس-گرمایی در معرض میدان مغناطیسی حاصل از سیم پیچ الکتریکی یا آهنربای دایمی قرار گیرد ،درجه حرارت آن بالا می رود ،حال اگر در همان شرایط اقدام به خنک کردن جسم تا دمای محیط یا حتی سرد تر از آن کنیم پس از آن که جسم از معرض میدان مغناطیسی خارج شود دمای آن به نسبت کاهش می یابد. به همین ترتیب می توان سیال عامل یک سیکل تبریدی دلخواه مانند سردخانه را با عبور از روی جسم مغناطیس-گرمایی سرد کرد و در سیکل به کار برد.
فناوری تبرید مغناطیسی بدون سیال عامل (مبرد) گازی عمل می کند و ضریب عملکرد آن (COP) می تواند بالاتر از سیستم های سنتی باشد.در نتیجه کاربرد آن در برخی زمینه باعث کاهش تولید گازهای مخرب می شود.

سیکل تبرید مغناطیسی به عنوان فناوری نوظهور در کشورهای پیشرفته شناخته می شود و مطالب منتشر شده در مورد آن نسبتاً اندک می باشد. با این حال می توان گفت که در کشورمان حتی برای بسیاری این فناوری کاملاً ناشناخته است و تمامی مطالب منتشر شده در مورد آن بسیار اندک و سطحی و گذرا می باشد و کاربرد آن نیز بسیار محدود می باشد.در نتیجه برای تهیه این پایان نامه به ناچار تقریباً فقط متکی به منابع خارجی زبان اصلی بودیم.

خانواده های مختلف از مواد مغناطیس-گرمایی که در نمودار تغییرات آنتروپی مغناطیسی نسبت به درجه حرارت

خانواده های مختلف از مواد مغناطیس-گرمایی که در نمودار تغییرات آنتروپی مغناطیسی نسبت به درجه حرارت

برای دانلود رایگان قسمت های بیشتراز فایل به انتهای مطلب مراجعه کنید

عنوان مطلب

چکیده…………………………………………………………………………………….1
مقدمه…………………………………………………………………………………..2

 فصل اول – معرفی سیکل تبرید مغناطیسی

امیل گابریل واربورگ یک فیزیکدان آلمانی بود که در طول دوره کاری خود استاد فیزیک دانشگاه های استاسبورگ فرایبورگ و برلین بوده است.او در زمینه های تئوری سینتیک گازها، رسانایی الکتریکی، تخلیه های گازی، فرو مغناطیس و شیمی نور پژوهش هایی را انجام داد.در سال 1881 میلادی او اثر مغناطیس-گرمایی را در یک نمونه از آهن خالص کشف کرد، او مشاهده کرد که نمونه آهن وقتی در معرض میدان مغناطیسی قرار می گیرد به اندازه چند هزارم کلوین گرم تر می شود و وقتی که از میدان مغناطیسی خارج می شود دوباره به سمت دمای قبلی خنک می شود.

خیلی زود پس از این کشف تسلا و ادیسون به صورت جداگانه و ناموفق در سال 1890 سعی کردند از این اثر برای راه اندازی موتورهای گرمایی برای تولید توان بهره ببرند. در سال 1918 وایس و پیکارد پدیده اثر مغناطیس-گرمایی را توضیح دادند. پیشرفت قابل توجه در این زمینه ابتدا در دهه 1920 میلادی تحقق یافت. در آن زمان تبرید به وسیله حذف آدیاباتیک خاصیت مغناطیسی در ماده فرومغناطیس به صورت مستقل توسط پیتر دبیه در سال 1926 و ویلیام ژیاک در سال 1927 ارائه شد.فناوری تبرید مغناطیسی به طور آزمایشگاهی برای اولین بار توسط شیمیدان برنده جایزه نوبل ویلیام ژیاک و همکارش دی.پی. مکدوگال در سال 1933 برای مقاصد فوق سرد سازی با موفقیت به انجام رسید.در این آزمایش آنها موفق شدند به دمای 25/0 درجه کلوین دست یابند. بین سال های 1933 و 1997 پیشرفت هایی در زمینه اثر مغناطیس-گرمایی به وقوع پیوست .و این فناوری به عنوان یک روش استاندارد برای فوق سردسازی در آزمایشگاه های فیزیک مرسوم شد.در سال 1997 اولین نمونه عملی تبرید مغناطیسی برای سرد سازی تا دماهای نزدیک به دمای محیط توسط کارل گشنایدر از دانشگاه ایالتی آیووا به نمایش درآمد.در سال 2001 اولین یخچال با دمای نزدیک به دمای محیط با استفاده از آهنربا های دائمی توسط موسسه فضانوردی آمریکا ساخته شد.

ساختار ABO3 پروسکایت چپ: ساختار مکعبی پروسکایت با کاتیون A در گوشه ها و کاتیون B در مرکز هشت وجهی BO6 . راست: ساختار خوشه ای ABO3 ها

ساختار ABO3 پروسکایت
چپ: ساختار مکعبی پروسکایت با کاتیون A در گوشه ها و کاتیون B در مرکز هشت وجهی BO6 . راست: ساختار خوشه ای ABO3 ها

تاریخچه………………………………………………………………………………..6
مبانی تبرید…………………………………………………………………………….9
مبانی مغناطیس……………………………………………………………………..11
اثر مغناطیس-گرمایی………………………………………………………………..17

فصل دوم – فاکتورهای مهم در طراحی سیکل تبرید مغناطیسی

معرفی مواد مغناطیس-گرمایی:
چندین کلاس قابل توجه از مواد با قابلیت مغناطیس-گرمایی بالا و دمای کوری قابل تنظیم وجود دارند. وهمه آنها پتانسیل بالایی برای فعالیت های نزدیک به دمای اتاق(محیط) از خود نشان می دهند. خواصی که عملکرد خوب یک ماده مغناطیس-گرمایی را نشان می دهند، بسته به نوع سیستم و محدوده درجه حرارتی که در آن کار می کند، با هم متفاوت می باشند. دو خاصیتی که می توانند معیار خوبی برای سنجش مواد مغناطیس-گرمایی باشند یکی تغییر دمای آدیاباتیک و دیگری تغییر آنتروپی مغناطیسی در دمای ثابت می باشد. یک دسته بندی عمومی مواد مغناطیس-گرمایی، آنها را با توجه به طبیعت تغییر فاز مغناطیسی که برای بهره بری از اثر مغناطیس-گرمایی استفاده میشود، به دو نوع تقسیم بندی می کند. چرا که اثر مغناطیس-گرمایی در حین تغییر فاز مغناطیسی در بالاترین حالت قرار دارد، رفتار مواد در حوالی این تغییرات فاز برای عملکرد مبرد حیاتی می باشد.
این مواد به دو دسته تقسیم می شوند: مواد تغییر فاز مغناطیسی نظام نخست ( FOMT) و مواد تغییر فاز مغناطیسی نظام ثانوی ( SOMT). مواد FOMT در حال حاضر به عنوان امید وار کننده ترین نوع به شمار می روند، چرا که بالاترین میزان اثر مغناطیس-گرمایی را در اندازه گیری ها از خود به نمایش گذاشته اند. مواد FOMT به این میزان بالا از اثر مغناطیس-گرمایی دست می یابند به علت اینکه مغناطیس شدن آن ها نسبت به تغییر دما بسیار ناگهانی و شدید می باشد. مشتق تابع مغناطیس سازی با تغییر آنتروپی مغناطیسی متناسب است و این مسئله به

اضافه تغییر فاز های شدید و ناگهانی میزان بالایی اثر مغناطیس-گرمایی در محدوده های دمایی باریک (کوچک) به شما می دهد. از طرف دیگر مواد SOMT تغییر فازهای گسترده تر انجام می دهند و مقدار کوچکتری از اثر مغناطیس-گرمایی را دارا می باشند.
تغییر فاز های نظام نخست(FOPT) عموماً مربوط به تغییر هایی هستند که در آن ها گرمای نهان وجود دارد. در این نوع تغییر فاز جسم مقداری انرژی (عموما زیاد) را به یک باره رها می سازد مثل تبخیر. در تغییر فازهای نظام دوم (SOPT) که تغییر فاز پیوسته نیز نامیده می شوند، انرژی نهان وجود ندارد.
به علت آنکه در کاربرد های مربوط به زمینه فناوری خصوصیات دیگری از مواد نیز مطرح می-باشد، انتخاب بین مواد نظام نخست و نظام ثانوی، آنچنان که به نظر می رسد آسان نیست. نظام نخست ها عموماً دارای سینتیک کند تری نسبت به نظام ثانوی ها دارند، چرا که به تغییرات ساختاری وابسته اند. این مسئله معمولاً به پدیده های مختلفی از هیسترزیس (پس ماند مغناطیسی) منجر می شود که در کاربرد های فناوری عامل ناخواسته می باشد. در نتیجه در کلاس مواد نظام نخست، مجبور به استفاده از عناصر گران قیمت (مثل گالودینیوم) یا سمی (مثل آرسنیک) یا مواد با ساختار پیچیده و تولید پر هزینه (مثل La-Fe-Si-H) هستیم. از دسته مواد نظام ثانوی نیز انواعی از مواد با اجزا گران قیمت یا با فرایند تولید پیچیده وجود دارند. به علت برتری های زیاد کاربردی، علاقه زیادی به استفاده از نوع منگانیت های با والانس مخلوط که در ساختار پروسکایت کریستالیزه می شوند وجود دارد.اگر چه اثر مغناطیس-گرمایی ضعیف تری نسبت به مواد FOMT دارا می باشند.

. دستگاه آزمایش نمونه های مواد منگانیت آلوده به مس

. دستگاه آزمایش نمونه های مواد منگانیت آلوده به مس

معرفی مواد مغناطیس-گرمایی…………………………………………………..23
منگانیت ها………………………………………………………………………….28

پیشینه منگانیت ها: منگانیت های کانی های پروسکایت و حاوی عناصر مختلف از دهه پنچاه میلادی مورد بررسی بوده اند. جانکر و ون سنتن[1] دو دانشمندی بودند که بر روی ترکیبات   (La1-x -A’x MnO3)    کار کردند که در آن A کلسیم و استرانتیوم[2] . باریم می باشد. آن ها دریافتند که برای مقادیر (x=0  و x=1 ) این مواد ضد فرومغناطیس و عایق می شوند. اگر چه برای مقادیر میانی از x ((0<x<1 این مواد نظام فرومغناطیسی به خود می گیرند. مشاهده شد که خواص فرو مغناطیسی در (x=2/3) قوی ترین هستند. و با شروع خاصیت فرومغناطیس، رسانایی الکتریکی شدیداً افزایش می یابد. بعدها زنر[3]  مدل تبادل دوگانه را برای توضیح رابطه بین فرومغناطیس و خواص فلزی ارائه داد. اثر مقاومت مغناطیسی[4] در 1954 میلادی توسط ولگر[5] کشف شد. کشف مقاومت مغناطیسی عظیم[6] و مقاومت مغناطیسی بسیار عظیم[7]  در سال       1990باعث جلب توجه زیادی به پروسکایت های آلوده[8] (حاوی عناصر) شد.

از دانشمندانی که بیشترین خدمت را در زمینه پروسکایت های آلوده کردند باید به ولان و کوهلر[9] اشاره کرد که در سال 1955 محدوده های فرو و ضد فرو مغناطیس را در (La1-x -A’x MnO3) نمایش دادند. بعد از کشف های انجام شده در سال 1990 در زمینه مقاومت مغناطیسی یکی از

معروف ترین مقاله ها توسط جین و دیگران[10] در سال 1994 منتشر شد. که در آن مقدار قابل توجه 000/127% برای مقاومت مغناطیسی یک فیلم نازک از (La-Ca-Mn-O) در دمای 77 کلوین و میدان مغناطیسی اعمالی 6 تسلا انجام شد. اگرچه مقاومت مغناطیسی تنها کاربرد این ماده نبود. منگانیت های آلوده کاربرد گسترده ای در زمینه سلول های سوختی اکسید جامد به عنوان ماده الکترود دارند. علاوه بر آن مرلی و دیگران[11] نتایج کار خود را بر روی مواد مغناطیس-گرمایی از نوع La0:67Ca0:33MnO3 منتشر کرد. در آن مقاله نشان داده شد که تغییرات آنتروپی مغناطیسی در این سیستم از لحاظ اندازه مطابق با گادولینیوم می باشد. گادولینیوم امروزه مرجع مقایسه برای سیکل های تبرید مغناطیسی نزدیک دمای محیط می باشند.
گادولینیوم…………………………………………………………………………..47
تحلیل ترمودینامیکی سیکل تبرید مغناطیسی…………………………………50
سیکل برایتون………………………………………………………………………67
سیکل اریکسون…………………………………………………………………..69
سیکل کارنو………………………………………………………………………..74

 

دیاگرام فازی منگانیت

دیاگرام فازی منگانیت

فصل سوم –انواع و کاربرد ها و مزایا و معایب تبرید مغناطیسی

نتیجه گیری………………………………………………………………………………………..82

بدون شک تبرید مغناطیسی فناوری نوید بخشی می باشد که باید به خاطر مزایای بی شمار آن به خصوص صرفه جویی انرژی و حفاظت محیط زیست تشویق به توسعه شود. اکنون باید نمونه های پر بازده برای کاربرد های خاص ساخته شود که بتواند صنایع تبرید را متقاعد به وارد شدن و سرمایه گذاری برای تولید انبوه آن بنماید تا هزینه تمام شده اولیه کاهش یابد.

منابع و مآخذ………………………………………………………………………………………83



  مقطع کارشناسی ارشد

بلافاصله بعد از پرداخت به ایمیلی که در مرحله بعد وارد میکنید ارسال میشود.


فایل pdf غیر قابل ویرایش

قیمت25000تومان

خرید فایل word

قیمت35000تومان