Study on Magnetic Refrigeration System Using Gadolinium and La(Fe,Mn,Si)13Hy

Abstract

프레온 냉매에 대한 국제 규제와 자연 냉매의 화염성으로 인해 기존의 증기 압축식 냉동 시스템을 대체할 기술의 필요성이 대두된다. 또한, 공조 냉동 시스템에서의 높은 CO2 배출량은 대안적인 냉동 시스템을 필요로 한다. 한편, 자기 냉동 시스템은 기존의 증기 압축식 냉동 시스템을 대체할 비압축식 냉동 시스템 중 하나로 평가받는다. 그러나 자기 냉동 시스템은 그 구성과 작동 방법이 기존의 증기 압축식 냉동 시스템과 다르므로 시스템 운전 변수에 관한 포괄적인 연구가 필요하다. 또한, 자기 냉동 시스템에서 펌프에 의한 전력 소모는 열전달 유체의 질량 유량이 크고 자석 어셈블리의 작동 주파수가 높을 때 더욱 증가한다. 위의 두 운전 변수는 자기 냉동 시스템의 냉방 용량을 높이기 위해 필수적이므로 시스템 압력 강하를 줄이는 것은 적은 소모 동력과 향상된 COP를 위해 중요하다. 한편, 자기 냉동 시스템에 대한 다양한 시뮬레이션 모델이 개발되었음에도 능동형 자기 재생기에 대한 에너지 방정식과 누셀 수가 대응되지 않는 경우가 많다. 마지막으로 자기 냉동 시스템에서의 보편적인 자기 칼로리 물질인 가돌리늄은 희토류이다. 따라서 자기 냉동 시스템의 상용화를 위해서는 궁극적으로 대안적인 소재로 대체되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 자기 냉동 시스템의 운전 변수에 관한 연구를 시작으로 COP 향상을 위한 방안을 제시한다. 또한 자기 냉동 시스템에 대한 새로운 시뮬레이션 모델을 제안하고 La(Fe,Mn,Si)13Hy 합금의 질량 비율을 달리하는 성능 향상 방안을 소개한다. 본 연구의 2장에서는 자기 냉동 시스템의 운전 변수에 관한 연구가 진행되었다. 먼저, 자석과 능동형 자기 재생기의 상대적인 위치를 제어하는 위상 이동 변수를 제시하고, 전체 사이클에서 유체가 흐르는 시간에 대한 유량 비율 변수를 소개하였다. 또한 활용 계수, 운전 주파수 및 작동 온도의 시스템에 대한 영향을 평가하였다. 마지막으로 제2 법칙 효율을 구하기 위해 열원 온도의 영향을 확인하였다. 실험 결과, 자기 냉동 시스템 실험 장치는 11.5 K의 무부하 온도 차이를 보였다. 최대 냉방 성능은 1.128 Hz의 운전 주파수에서 4.82 W이며 시스템의 최고 COP는 2.40으로 나타났다. 또한 실험 결과를 토대로 최적의 작동 온도를 통해 자기 냉동 시스템의 소모 동력을 유지하며 냉방 출력 및 COP를 향상시킬 수 있는 것으로 확인되었다. 3장에서는 자기 냉동 시스템에서 능동형 자기 재생기 내부의 압력 강하를 감소시키기 위한 새로운 자기 칼로리 물질 배열 방법을 제시하였다. 먼저, 비정형 가돌리늄을 능동형 자기 재생기에 충전할 때 외부 자기장을 가하여 소재를 배열시켰다. 그리고 기존의 방법으로 충전된 능동형 자기 재생기와의 비교 실험을 진행하였다. 먼저 X선 단층 촬영 결과에 따르면 배열형 능동형 자기 재생기 내부에서는 가돌리늄 소재가 유동 방향과 평행하게 배열된 것을 확인하였다. 반면, 비 배열 능동형 자기 재생기의 경우 소재가 무작위로 배열되며 유동 방향과 상당히 수직한 것으로 보였다. 또한 마찰 계수는 배열형 능동형 자기 재생기에서 더 적은 것으로 나타났으며 이는 상당직경의 구형 소재 충전층보다 그 값이 작았다. 결론적으로 배열형 능동형 자기 재생기는 0.56Hz의 작동 주파수, 부하 조건 및 4.5K의 시스템 온도 차이에서 COP를 비 배열 능동형 자기 재생기 대비 최대 37.3%까지 향상시켰다. 4장에서는 능동형 자기 재생기 충전층에 대한 누셀 수에 대응하는 에너지 방정식을 활용하여 새로운 자기 냉동 시뮬레이션을 개발하였다. 또한 자기 냉동 시스템에서 양방향 유동에 의한 내부 냉방 부하를 고려하기 위해 부가 컴포넌트에 대한 시뮬레이션 모델링도 추가하였다. 시뮬레이션 결과는 실험 결과와 상당히 유사한 것으로 확인되었으나 시스템 내부 튜브에 의한 열용량 차이, 튜브 연결부의 접촉 저항 및 단순화된 형상으로 인한 차이도 분석되었다. 또한 본 시뮬레이션을 통해 열 전달 물질을 통해 측정된 능동형 자기 재생기 양단에서의 온도가 고체의 자기 칼로리 물질 평균 온도를 상당히 유사하게 표현하는 것으로 확인되었다. 마지막 장에서는 퀴리 온도가 다른 La(Fe,Mn,Si)13Hy 합금의 최적 질량 비율을 통한 자기 냉동 시스템 성능 향상 방안을 제시하였다. 무부하 시험에서는 중간의 퀴리 온도 소재의 질량이 증가할수록 시스템 온도 차가 증가하는 것을 확인하였다. 반면 해당 소재가 감소하면 시스템 최소 온도가 상승하며 이는 시스템 온도 차를 감소시켰다. 부하 실험을 통해서 최적의 질량비를 갖는 능동형 자기 재생기가 4.8 K의 시스템 온도 차에서 2.23 W의 냉방 출력과 0.8의 COP를 나타내었다. 결론적으로 퀴리 온도가 287.9, 292.7 및 297.6 K인 La(Fe,Mn,Si)13Hy 합금을 활용한 능동형 자기 재생기에서 최적 질량비는 각각 13.5, 58.0 및 41.4 g으로 확인되었다. 본 연구를 통해 저자는 자기 냉동 시스템에 대한 포괄적인 이해를 제시하고 그 상용화에 이바지하고자 한다.

Global regulation on halocarbon refrigerants and intrinsic problems of natural refrigerants demand an alternative to the conventional vapor compression refrigeration system. Moreover, high CO2 emission from the air-conditioning system brings about the necessity for replacement. The magnetic refrigeration (MR) system, in this circumstance, is evaluated as one of the solutions. However, due to the completely distinguished configuration of the system and operating method, the MR system is required to be studied, especially for the operating parameters. Furthermore, the power consumption by the pump in the MR system is significant when the mass flow rate of the heat transfer fluid (HTF) is large and the operating frequency of the magnet assembly is high. Because these parameters are essential to increase the MR system's cooling capacity, it is necessary to find a method to reduce the pressure drop in the MR system for a better coefficient of performance (COP). Moreover, even though the simulation model was developed by a great number of researchers, the energy equation was not correctly applied using the Nusselt number for the packed bed of the active magnetic regenerators (AMRs). Lastly, the Gadolinium in the MR system should eventually be substituted by an economical material for commercialization because the material is one of the rare-earth materials. Therefore, in this study, the methods for improving the cooling capacity and COP of the MR system are suggested. In chapter 2, a comprehensive parametric study of the MR system is presented. In addition, the experimental setup and the operating method of the MR system are explained. In this chapter, the new parameter quantifies the synchronization between the magnet assembly and the AMRs, which are called phase shift and blow fraction. The utilization factor, operating frequency, and operating temperature were also evaluated to figure out their effect on the cooling capacity and COP of the MR system. Lastly, the second law of efficiency of the MR system was obtained. According to the experimental results, the best temperature span of the system was 11.5 K in 1.151 Hz in the no-load test. The maximum cooling capacity was 4.82 W in 1.128 Hz, and the highest COP of the system was 2.40. It was also proved that the most effective way for better performance of the MR system was to operate it at the proper operating temperature. It is because the parameter hardly affects the power consumption despite the better cooling capacity. In chapter 3, a novel approach to reduce the pressure drop of the MR system is suggested. The irregular Gadolinium particles were aligned in the AMR by using the external magnetic field. This AMR was compared to the traditional AMR including randomly packed Gadolinium. The X-ray computed tomography presented that the particles were fairly aligned inside AMR parallel to the flow direction. In contrast, the non-aligned AMR contained irregular particles which were positioned almost perpendicular to the direction of the flow. Moreover, the aligned AMR showed less friction factor than the non-aligned AMR, which was even smaller than the packed bed with spheres obtained by the Carman correlation. In conclusion, this alignment of the irregular particles inside AMR improved the COP of the MR system up to 37.3% with 4.5 K of the temperature span in load condition in 0.56 Hz of the operating frequency. In Chapter 4, the simulation model is developed, which utilizes the proper energy equation for the Nusselt number correlation for the packed bed. The modified dispersion-concentric model was used for the AMR. Moreover, the modeling of the auxiliary parts was added to the simulation modeling to consider the intrinsic cooling load in the MR system. This thermal load was induced by the bidirectional flow of the HTF which cooled down and heated up the surrounding tubes, repetitively. The simulation results followed the tendency of the temperature span from the experiments. However, the difference in the heat capacity of tubes in the MR system, thermal contact resistance, and simplified geometries resulted in differences between the simulation and experiment. Furthermore, it was verified that the discrepancy between the temperature measured by the HTF and the average temperature of the solid refrigerant is negligible. In the last chapter, the optimal ratio of the La(Fe,Mn,Si)13Hy alloys in the AMR with different Curie temperatures is investigated. In the no-load tests, the higher mass ratio of the moderate Curie temperature provided a better temperature span. On the other hand, the less mass ratio of it presented a deficient temperature span to reduce the cold-end temperature. In the load tests, the best mass ratio of the La(Fe,Mn,Si)13Hy alloys produced 2.23 W of cooling capacity with 4.8 K of the temperature span and 0.8 of the COP. In conclusion, the optimal mass ratios of the La(Fe,Mn,Si)13Hy alloys with 287.9, 292.7, and 297.6 K of Curie temperature were 13.5, 58.0, and 41.4g, respectively. This study is expected to give an understanding of the MR system to improve its performance for commercialization in the near future.