211service.com
Miljövänliga kylskåp
Moderna kylare och kylskåp kanske inte orsakar hål i ozonskiktet som deras motsvarigheter före 1994, men de använder fortfarande växthusgaser som värmer planeten. Deras kompressorer förbrukar också mycket energi: luftkonditioneringsapparater och kylskåp använde cirka 340 miljarder kilowattimmar 2005 – nästan 30 procent av den totala energin som användes i amerikanska hem.
Coolt verktyg: Denna preliminära version av ett energieffektivt magnetiskt kylskåp visar en ringformad 1,2-tesla-magnet. Magneten kan omfatta en rörlig cylinder som innehåller material som värms upp i närvaro av ett magnetfält och kyls ner när fältet tas bort. När det svalnar absorberar materialet värme från omgivningen.
Forskare vid Risoe National Laboratory, i Roskilde, Danmark, är nu ett steg närmare att bygga ett magnetiskt kylsystem som lovar energieffektiva, miljövänliga och helt tysta kylskåp. Temperaturerna i konventionella kylskåp varierar mellan −20 och 20 ºC. Att uppnå detta temperaturintervall på 40 ºC är en av de viktigaste utmaningarna med magnetisk kylning. De danska forskarna har byggt ett kylskåp som kan variera temperaturen med nästan 9 ºC.
Detta är ett viktigt steg mot praktiska temperaturområden på 40 ºC, säger Nini Pryds , en senior forskare vid Risoe som leder arbetet. Forskargruppen arbetar nu med Danfoss , en av de största kompressortillverkarna i världen, att bygga en kommersiell prototyp; företaget säger att det ska vara klart 2010.
Magnetisk kylningsteknik utnyttjar material som värms upp när de utsätts för ett magnetfält och kyls ner när magnetfältet avlägsnas. När materialet svalnar, drar det värme ur omgivningen. Ju större skillnad det är mellan de varmaste och kallaste temperaturerna som uppnås under påverkan av ett magnetfält, desto bättre är materialet på att kyla.
Magnetiska kylare har använts i flera år i laboratorier för kryogena temperaturer tiotals minusgrader. 1995 demonstrerade Ames Laboratory i Iowa det första magnetiska kylskåpet som kylde innehållet i rumstemperatur. Företaget använde metallen gadolinium.
Sedan dess har forskare hittat många andra material som fungerar i rumstemperatur. Problemet är att temperatursvängningarna i alla dessa ämnen bara är några grader. Att uppnå en stor temperaturförändring är lätt om man använder en supraledande magnet, säger Pryds. Men supraledande magneter är stora och kräver själva kylning, vilket gör dem opraktiska för vardagliga apparater som hushållskyl och luftkonditionering. För dessa applikationer, säger han, är den enda vägen att gå en permanent magnet. Helst ska det vara en liten, billig magnet med ett fält på mindre än en tesla.
Att få stora temperaturomfång med en permanent magnet kräver lite smart teknik. Vanligtvis innebär det att man använder kylvätskor som vatten. Materialet, med vatten som cirkulerar runt det, placeras växelvis in och ut ur ett magnetfält. När den är på fältet blir den varm. Det cirkulerande vattnet drar värme från materialet och överför det till en kylfläns. Då tas magnetfältet bort, och materialet, som redan kyldes av vattnet, kyls ner ännu mer. När det svalnar absorberar det värme från vattnet, vilket gör det tillräckligt kallt för att användas som kylskåp. Denna varm-kall-cykel upprepas om och om igen.
Att sätta ihop de olika delarna – material, magneter, vätskekylning – i ett praktiskt magnetiskt kylskåp är tufft. Forskare måste designa ett system som får en temperaturförändring på minst 40 ºC och tillräckligt med kyleffekt – kylskåp har för närvarande effekt på så mycket som 150 watt – med hjälp av en permanent magnet med ett magnetfält som är mindre än en tesla. Det kräver en delikat balans mellan systemets parametrar. Till exempel, när forskare utökar temperaturintervallet, kan kyleffekten sjunka, eller så kan systemet behöva mer energi. Det är en teknisk mardröm, säger Ames Laboratory-forskare Karl Gschneidner , en pionjär inom magnetisk kylning.
Men belöningarna kommer att vara många. Magnetiska kylskåp kommer att vara mycket mer energieffektiva än konventionella kylskåp eftersom de bara behöver energi för att cirkulera vattnet. Energiförbrukningen för magnetiska kylskåp [bör] vara så mycket som 60 procent lägre än traditionell kylning, säger Pryds. Dessutom, till skillnad från konventionella kylskåp, behöver magnetiska system inte köldmedier som fluorkolväten, som är potenta växthusgaser.
Pryds är övertygad om att hans grupps arbete kommer att leda till kommersiella magnetiska kylskåp. Liksom andra forskarlag använder Risoe-gruppen vattenkylningsdesignen. Men medan de flesta forskarlag använder gadoliniumpulver, använder de danska forskarna tallrikar gjorda av ett keramiskt material som innehåller lantan, strontium, kalcium och mangan. Pryds säger att keramik är kemiskt stabil; de korroderar inte i frätande vätskor som vatten. De keramiska plattorna ska också vara lättare att tillverka i stor skala. Kombinationen av keramiskt material och forskarnas slutliga kylskåpsdesign – som ännu inte är offentlig – skulle kunna leda till praktisk framgång, säger han.
Forskarna möter dock några tuffa konkurrenter. Forskare från Ames Laboratory, som arbetar med Milwaukee-baserade Aeronautics Corporation of America, har tillverkat system med temperaturomfång på 25 ºC och 95 watt kyleffekt med hjälp av magneter på 1,5 tesla. Andrew Rowe och hans kollegor vid University of Victoria, i Kanada, har tillverkat 15-watts kylsystem med temperaturomfång på 30 ºC. Samtidigt har forskare vid Chubu Electric Power och Toshiba, i Japan, gått ner till cirka 0,8 tesla för att få en spännvidd på 10 ºC.
Saker och ting ser upp, säger Gschneidner, och om ytterligare 5 till 10 år borde magnetiska kylskåp finnas på marknaden. Många forskargrupper arbetar nu med magnetiska kylskåp, gör bättre material och kommer med bättre systemdesigner. Dessutom, tillägger Rowe, permanentmagneter blir mindre och billigare. Grundprinciperna har visats och demonstrerats, säger han. Magnetisk kylning fungerar. Nu behöver vi lite hårt tänkande [och] bra design, och förhoppningsvis kommer dessa saker att gå ihop.