تحلیل ترمودینامیکی و طراحی سیکل تبرید مغناطیسی

مشخصات فایل

مقطع:کارشناسی
رشته تحصیلی:مهندسی مکانیک
نوع ارائه:پایان نامه
تعداد صفحات:87
قالب بندی:word قابل ویرایش

نحوه خرید

دانلود رایگان فایل
شما میتوانید تنها با یک کلید به راحتی فایل مورد نظر را دریافت کنید. 🙂

برای دسترسی به این فایل ابتدا باید اشتراک خریداری کنید. برای خرید اشتراک بر روی لینک زیر کلیک کنید.

ارتقاء عضویت

در صورت بروز هر گونه مشکل در روند خرید اینترنتی، بخش پشتیبانی کاربران آماده پاسخگویی به مشکلات و سوالات شما می باشد

چکیده

چکیده…………………………………………………………………………………………………1

هم اکنون تلاش زیادی برای توسعه مواد مغناطیس-گرمایی، که مبرد های یخچال های مغناطیسی هستند در بخش پژوهش در حال انجام است. این امر منجر به توسعه مداوم مواد جدید با عملکرد بهتر و تغییرات آنتروپی بالاتر، تغییرات دمای آدیاباتیک بالاتر و هیسترزیس پایین تر شده است. تمامی این فعالیت ها منجر به بالا رفتن پتانسیل این فناوری در بازار تبرید شده است. بازار های دیگری نیز در زمینه تهویه مطبوع، فراوری غذا، اتومبیل سازی، پزشکی و حتی گرمایش وجود دارند. با وجود اینکه این فناوری تا به حال برای دماهای بسیار پایین به کار می رفته است ولی همانطور که گفته شد در آینده نزدیک کاربرد آن در دماهای نزدیک به محیط نیز بسیار مورد توجه قرار خواهد گرفت به همین ترتیب در این مقاله محوریت با دماهای نزدیک به محیط است.

مقدمه………………………………………………………………………………………………….2

این پروژه به منظور پایان نامه رشته کارشناسی پیوسته مهندسی مکانیک گرایش حرارت و سیالات دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب، با عنوان تحلیل ترمودینامیکی و طراحی سیکل تبرید مغناطیسی، زیر نظر استاد علی ابجدی به عنوان استاد راهنما،توسط اینجانب وحید نادرزاده انجام گردیده است. با موضوع تبرید مغناطیسی در کلاس مبانی تبرید و سردخانه آشنا شدم و پس از مطالعات اضافی در یافتم که موضوع مناسبی برای پایان نامه می باشد.

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.

فصل اول فصل اول معرفی سیکل تبرید مغناطیسی……..5

تاریخچه…………………………………………………………………………………….6

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.

 در سال 2002 تحول بزرگی در این زمینه از فناوری رخ داد. در این سال گروهی از دانشگاه آمستردام اثر مغناطیس-گرمایی عظیم را در آلیاژهایی از آهن و منگنز کشف کردند، که در کره زمین به وفور یافت می شوند. در حقیقت این کشف باعث ایجاد امید بالایی برای آینده این فناوری شد.

یخچال های بر مبنای اثر مغناطیس-گرمایی تا به حال در آزمایشگاه ها با میدان های مغناطیسی از 6/0 تسلا تا 10 تسلا ساخته شده اند. قابل توجه است که میدان مغناطیسی بالاتر از 2 تسلا با استفاده از آهنربای دائمی قابل تحقق نمی باشد و به طریق مغناطیس ابر رسانا ایجاد می شوند.مغناطیس ابر رسانا یک نوع آهنربای الکتریکی است که در سیم پیچ خود به جای سیم معمولی از ابر رساناهایی که تا دماهای بسیار پایین سرد شده اند استفاده می کند.نمونه هایی از یخچال های نزدیک دمای محیط در زیر آورده شده است:

مبرد جامد میدان مغناطیسی(T) Max ΔT حداکثر توان برودتی(w) نوع سال موسسه/شرکت
Gd 5 10 600 نوسانی 1997 دانشگاه آیووا
Gd 95/0 5   دورانی 2000 ماتر بارسلون
Gd 4 21 100 نوسانی 2000 شرکت توشیبا
Gd & Gd1−xTbx L.B. 2 14 2 نوسانی 2001 دانشگاه ویکتوریا
Gd 5/1 25 95 دورانی 2001 فضانوردی آمریکا
Gd 4/1 23   نوسانی 2002 دانشگاه نانجینگ
Gd 2 5   نوسانی 2004 دانشگاه واشنگتن
Gd and GdEr 5/1 25 95 دورانی 2004 فضانوردی آمریکا
Gd, Gd0.74Tb0.26 and Gd0.85Er0.15 2 50 15 نوسانی 2006 دانشگاه ویکتوریا

امروزه تمایل برای تحقیق و پژوهش در زمینه تبرید مغناطیسی بر ارتقای مواد مغناطیس-گرمایی، آهنرباها و جنس آنها، ترمودینامیک و دینامیک سیالات مربوط به این زمینه و بهینه سازی ساختمان دستگاه ها متمرکز می باشد.

تبرید

می دانیم گرما در جهت کاهش درجه حرارت انتقال می یابد. یعنی از محیط گرم به محیط سرد. در طبیعت بدون نیاز به تجهیزات خاصی این فرایند انجام می پذیرد. ولی از جهت دیگر معکوس این فرایند به خودی خود انجام نمی شود. انتقال گرما از محیط سردتر به محیط گرم نیازمند تجهیزات خاصی به نام یخچال می باشد.

یخچال ها مانند موتورهای گرمایی دارای سیکل هستند و ماده عمل کننده در این سیکل (ماده عامل) مبرد نامیده می شود. پرکاربرد ترین نوع سیکل تبرید ،سیکل تراکم بخار می باشد شامل چهار جز می باشد: کمپرسور، کندانسور، شیر انبساط و اواپوراتور. همانطور که در شکل2.الف. نشان داده شده است. مبرد به صورت بخار وارد کمپرسور می شود و تا فشار کندانسور فشرده می شود. کمپرسور را با دمای نسبتاٌ زیادی ترک می نماید و در طول لوله های کندانسور با انتقال حرارت به محیط پیرامون خنک شده و مایع می شود. سپس وارد یک لوله مویین می شود که فشار و دمای آن به شدت به علت پدیده خفقان افت می کند. مبرد دمای پایین سپس وارد اواپراتور می شود که با جذب گرما از محیط سرد تبخیر می شود. سیکل وقتی بخار مبرد وارد کمپرسور می شود تکمیل می شود.

مبانی تبرید………………………………………………………………………………..9

مبانی مغناطیس………………………………………………………………………….11

اثر مغناطیس-گرمایی………………………………………………………………..17

فصل دوم – فاکتورهای مهم در طراحی سیکل تبرید مغناطیسی..22

معرفی مواد مغناطیس-گرمایی…………………………………………………..23

منگانیت ها……………………………………………………………………..28

گادولینیوم………………………………………………………………………47

تحلیل ترمودینامیکی سیکل تبرید مغناطیسی…………………………….50

سیکل برایتون…………………………………………………………………67

سیکل اریکسون………………………………………………………………69

سیکل کارنو…………………………………………………………………….74

فصل سوم –انواع و کاربرد ها و مزایا و معایب تبرید مغناطیسی………………77

انواع : استفاده از اثر مغناطیس-گرمایی بر مبنای تغییر میدان مغناطیسی استوار است. در نتیجه از اصول زیر پیروی می کند:

  • میدان های مغناطیسی متغیر و ماده مغناطیس-گرمایی استاتیک با آهنربای الکتریکی
  • حرکت مستقیم الخط ماده مغناطیس-گرمایی با آهنربای دائم استاتیک
  • حرکت مستقیم الخط آهنربای دائم با ماده مغناطیس-گرمایی استاتیک
  • حرکت دورانی ماده مغناطیس-گرمایی با آهنربا های دائمی استاتیک
  • حرکت دورانی آهنربا های دائمی با ماده مغناطیس-گرمایی استاتیک

شکل 1. یک یخچال مغناطیسی طبقه ای را نشان می دهد.

مزایا و معایب

مزایای بالقوه تبرید مغناطیسی در مقایسه با سیستم های تبخیری به شرح زیر هستند:

  • فناوری سبز: هیچ مبرد سنتی مورد استفاده نیست.
  • فناوری بدون صدا (بدون کمپرسور): در بعضی کاربرد ها مانند کاربرد پزشکی مفید است.
  • بازده انرژی بالاتر. سیکل نزدیک به کارنو در آن قابل اجرا است چراکه اثر مغناطیس گرمایی، بازگشت پذیر است.
  • طراحی ماشین ان ساده است.
  • هزینه نگهداری پایین است.
  • فشاری که وسیله در ان ار می کند نزدیک به محیط است که در کاربرد هایی مثل تهویه مطبوع و کولر اتومبیل مفید است.

از طرف دیگر بعضی معایب نیز وجود دارند:

  • مواد با خاصیت مغناطیس-گرمایی عظیم هنوز جای زیادی برای توسعه دارند و در مراحل ابتدایی خود هستند.
  • محافظت از تجهیزات الکترونیکی از میدان مغناطیسی ضروری است. البته این مسئله براحتی انجام می شود.
  • آهنربا های دائمی دارای شدت میدان مغناطیسی محدودی هستند و آهنرباهای الکتریکی و ابر رسانا بسیار گران قیمت هستند.
  • تغییرات دما محدود است. به همین جهت باید از ماشین های طبقه ای استفاده شود که باعث کاهش برگشت پذیری به خاطر تبادل حرارت بین طبقات می شود که این امر منجر به کاهش بازده می شود.
  • ماشین های متحرک نیازمند دقت ساخت بالایی برای کاهش فاصله بین ماده مبرد و مغناطیس، هستند چرا که این مسئله موجب افت میدان می شود.

کاربرد ها

کاربرد های بسیار گسترده ای برای تبرید مغناطیسی وجود دارند که در اینجا به بعضی از آنها اشاره می شود:

  • استفاده به عنوان یخچال خانگی .
  • استفاده به عنوان تهویه مطبوع هم به صورت یک پارچه و هم از اسپلیت در ساختمان ها
  • سیستم سرمایش مرکزی با سردسازی آب یا محلول آب نمک
  • تبرید در پزشکی، نگهداری پلاسمای خون، کروماتوگرافی و کاربرد های آزمایشگاهی دیگر یا سردخانه.
  • سرد سازی در صنایع غذای: تبرید سیلوها، مخازن یا میکسرها مانند صنایع لبنی.

     دستگاه های تخمیر و گازدار کردن نوشیدنی ها

  • عملیات برای ذخیره غذا: سردسازی سبزی و میوه با اب سرد، سرد سازی سبزی و گل ها با هوای سرد فشرده، سرد سازی گوشت با اسپری آبسرد یا آب نمک سرد، سرد سازی گوشت با هوای سرد.
  • ذخیره غذا: نگهداری میوه ها و سبزیجات و گل ها در محیط سرد، نگهداری کوتاه مدت فراورده های گوشتی، سرد خانه ها
  • تهویه مطبوع وسایل نقلیه زمینی، قطارها، کشتی ها. در کشتی ها می توان از اب دریا برای دفع گرما در سیکل استفاده کرد.
  • استفاده در سوپرمارکت ها:برای تهویه در مقیاس بزرگ و نگهداری غذا
  • خنک سازی تجهیزات الکترونیکی: برای این مورد بهتر است تا از سرمایش مرکزی بهره برده شود چراکه وجود ماشین مغناطیسی در نزدیکی وسایل الکترونیکی نیازمند صرف هزینه برای عایق کردن آن و جلوگیری از قرار گفتن وسایل الکترونیکی در معرض میدان مغناطیسی می باشد.

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

نحوه خرید

دانلود رایگان فایل
شما میتوانید تنها با یک کلید به راحتی فایل مورد نظر را دریافت کنید. 🙂

برای دسترسی به این فایل ابتدا باید اشتراک خریداری کنید. برای خرید اشتراک بر روی لینک زیر کلیک کنید.

ارتقاء عضویت

در صورت بروز هر گونه مشکل در روند خرید اینترنتی، بخش پشتیبانی کاربران آماده پاسخگویی به مشکلات و سوالات شما می باشد

راهنمای سایت

برخلاف سایت های دیگر که فایل ها را به صورت تکی می فروشند روال سایت ما این است که شما با عضویت در سایت ما میتوانید از تمام فایل های موجود استفاده کنید.

تمام مطالب سایت فقط برای اعضای سایت رایگان است.

نحوه عضویت در سایت