磁制冷技术改进电动汽车设计

2014年 10月 21日

之前的一篇文章中,我们重点介绍了磁制冷技术这种更安全、更加环保的制冷方法正被越来越多地使用。在本篇文章中,我们介绍了一组研究人员如何分析这一技术在电动汽车设计中的潜在用途。

磁制冷运动

某段时间,人们非常重视能源效率和可持续性,在这一契机下,磁制冷作为一种新技术开始应用于从工业到家用电器等各个领域。这种冷却技术基于磁热效应,包含以下现象:向磁热材料施加磁场时,它的温度会改变。所施加的磁场使磁偶极对齐,从而带来温度的升高。移除磁场后,原子重新变得无序,材料随即冷却。

随着这一技术在研究中不断被优化,利用它的潜力来降低全球家庭和办公室能耗的目标变得更加实际可行。这也使得一组研究人员开始思考,能否将这种技术应用于另一个高能耗来源 – 即电动汽车中的供暖和空调系统。

电动汽车依赖电池来提供供暖和空调所需的能量。
电动汽车实例 (乘坐及驾驶电动汽车 Plug’n Drive,安大略,图片由 Mariordo 拍摄,已获得 Creative Commons Attribution-Share Alike 2.0 授权、通过 Wikimedia Commons分享。

模拟电动汽车中的磁制冷技术

国家应用科学研究院的一组研究人员使用 COMSOL Multiphysics 设计了电动汽车的磁制热暖通空调(HVAC)系统

在电动汽车中,除汽车运行外,供暖和空调系统同样依靠电池提供能量。由于缺乏可供使用的热机废热,汽车所需的能量水平被进一步推高,因为利用废热可以更容易地加热传统汽车的内部空间。同时,为防止汽车电池过热还需要额外的制冷机制,这又导致了能耗的进一步提升,也突出了一个适宜的制冷系统的重要性。

在他们的设计中,研究人员们使用二维模型分析了磁制冷系统中的主动式磁回热器的制冷循环。这里,磁热回热器由平行薄板组成,进行传热的流体通过特有的微通道在板间交替流过。
用于模拟电动汽车中磁制冷技术的主动式磁回热器几何。
主动式磁回热的几何图片。来自 “模拟电动汽车的磁热系统” 演示文稿,由 A. Noume, C. Vasile 和 M. Risser 提供。

作为优化系统效率的一种方法,研究小组对耦合了循环流体的磁热回热器的行为进行了仿真。他们尤其关注与磁热材料和冷却剂之间传热相关的对流传热系数,在总体设计中,这是一个非常重要的参数。

在制冷循环仿真中,研究人员分析了热端和冷端的温度变化。温度跨度,即最高和最低温度之差,大约为 8 K。在这些系统的未来设计中,增加新材料和合金被认为是一种优化传热属性的潜在方法。

结束寄语

本研究成果为在电动汽车中使用磁制冷技术提供了一个宝贵的基础。这两项创新技术都植根于降低能源消耗,因此二者的结合可以极大地提升电动汽车的自主性,并使磁制冷技术更具移动性。

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