Kaskat aktif manyetik rejenerasyonlu (AMR) soğutma sistemlerinin uygulama potansiyelinin araştırılması ve sayısal modellenmesi

Abstract

Aktif manyetik rejenerasyonlu (AMR) soğutma sistemleri çevreye duyarlı sistemler oldukları için, geleneksel (genleşmeli-sıkıştırmalı) soğutma sistemlerine alternatif sistemlerdir. Bu çalışmada, AMR soğutma sistemlerinin yönetici denklemleri sayısal ve analitik metotlarla çözülerek sıcaklık dağılımı belirlenmiş ve bu sistemlerin performansı, enerji, ekserji, eksergoekonomik ve sürdürülebilirlik analiz yöntemleri kullanarak değerlendirilmiştir.Kaskat AMR sisteminde manyetik alan şiddeti, 1.5 T, 1.75 T ve 2 T olarak değişmektedir. AMR soğutma sisteminde manyetik alanın değeri arttıkça, soğutma yükünde ve COP değerinde de artış gözlenmiştir.Isı atma veya ısı çekme süreçlerinin süresi (t2=t4) arttıkça soğutma kapasitesi azaldığından, kaskat AMR sisteminin soğutma yükünde COP değeri ve ekserji verimi düşmektedir. Bu çalışmada, kaskat AMR soğutma çevriminde, üç farklı manyetokalorik malzemenin (Gd, GdxTb1-x ve GdxDy1-x) performans değerlendirmesi sayısal olarak yapılmış ve manyetokalorik malzeme seçiminin çok önemli bir unsur olduğu gözlenmiştir. Elde edilen sonuçlara göre, 275 K ile 295 K sıcaklık aralığında, Gd manyetokalorik malzeme kullanılması diğer ikinci dereceden manyetik geçişli manyetokalorik malzeme kullanılmasına göre daha yüksek ekserji verim değerine sahiptir. Analitik AMR soğutma sistemin çözümü, sayısal yöntem ile karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma sonuçlarına göre yüzdesel hatanın en fazla olduğu kaynak sıcaklık, Curie sıcaklığın civarındadır.AMR soğutma sistemlerin ekonomikliği, eksergoekonomik analiz ile incelenmiştir. Bunun için, özgül ekserji maliyeti (specific exergy cost (SPECO)) metodu kullanılmıştır. Yapılan analiz sonucunda, bu sistemlerin eksergoekonomik faktörü ve ekserji yıkım maliyetinin, sistemin ana parametrelerine bağlı olarak sırasıyla 0.02 ile 0.12 ve 0.01 ile 10 ($/h) arasında değiştiği hesap edilmiştir.Bir sonraki aşamada, kaskat AMR sistemindeki pareto optimum noktayı elde edebilmek için çok hedefli optimizasyona başvurulmuştur. Optimizasyon sonucunda, %14.53 oranında daha yüksek ekserji verimli ve %12 oranında düşük maliyetli bir sistem açığa çıkmıştır.

Active magnetic regenerative (AMR) refrigeration systems are an emerging and promising alternative to vapor compression refrigeration systems due to being an environmentally benign technology. The governing equations of AMR system which is solved analytically and numerically in order to obtain sufficient data for the energy, exergy, exergoeconomic and sustainability analyses.The temperature span (∆Tfark ) vary to be 2 K, 5 K and 15 K. An increase in temperature span decreases cooling power and decreases the COP of the system.The magnetic field vary to be 1.5 T, 1.75 T and 2 T. An increase in magnetic field increases cooling power and the COP of the system.An increase in the cold or hot flow period (t2=t4) decreases cooling power and decreases cooling power, the COP and exergy efficiency of the system. The performance evaluation of three magnetocaloric material candidates (Gd, GdxTb1-x ve GdxDy1-x) for cascade AMR refrigeration system was carried out numerically and the choice of the magnetocaloric material was observed to play a crucial role in the performance of the system.Gd is the best magnetic material among second order magnetic transition materials in the range of 275-295 K for cascade AMR refrigeration system with a significantly higher exergy efficiency than the other magnetic materials.AMR refrigeration system are simulated by using analytical and numerical methods and predicted results are compared together. Highest discrepancies between the numerical and analytical results are observed near the curie temperature.In addition, economical feasibility of AMR refrigeration system is examined through exergoeconomic analysis. Therefore, specific exergy cost (SPECO) methods is employed. The results of this study confirm that exergoeconomic factor and the cost rate of exergy destruction varies from 0.02 to 0.12 and 0.01 to 10 ($/h), respectively.Moreover, multi-objective optimizations are conducted in order to provide the respective Pareto optimal curve for the cascade AMR system. Based on the optimizations, it is determined that the exergy efficiency could be increased by up to 14.53% using exergy-based optimization, the cost can be reduced by up to 12% using cost-based optimization.