Vorwort - Lichtenbergschule

Magnetokalorische Wärmepumpe
Ekaterina Tristan, Markus Peier, Milan Dlabal
18.3.2009
Weird Science Club, Lichtenbergschule,
tig auszurichten, was jedoch oberhalb der Curietem-
Ludwigshöhstraÿe 105, 64285 Darmstadt
peratur durch die thermische Energie verhindert wird.
Es etabliert sich ein Gleichgewicht zwischen der ther-
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mischen inneren Energie und der Energie des intrin-
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sischen Magnetfeldes. Beim Eintreten in ein äuÿeres
Magnetfeld ordnen sich die Spins entsprechend dem
Magnetfeld. Im geordneten Zustand benötigen sie we-
Zusammenfassung
niger Energie um ihre Richtung zu halten, weshalb
Der magnetokalorische Eekt ist eine magnetisch-
Leitet man die Wärme, welche beim Eintritt in das
thermodynamische Stoeigenschaft, die sich in ei-
Magnetfeld frei wird ab, so wird der Sto beim Ver-
ner reversiblen Temperaturänderung eines geeigneten
lassen des Magnetfeldes wesentlich kälter, als er zum
Materials in Abhängigkeit eines veränderlichen Ma-
Zeitpunkt des Eintrittes in das Magnetfeld war. Um
gnetfeldes zeigt. Der Eekt ist auch als adiabatische
die abgegebene Energie wieder zurück zu bekommen
Entmagnetisierung in der Tieftemperaturphysik be-
und somit seine ursprüngliche Temperatur zu errei-
kannt. In Umkehrung der verbreiteten Technik des
chen, entnimmt der Sto die fehlende Energie seiner
Kühlens haben wir mit Gadolinium-Blech einen Pro-
Umwelt - er kühlt sie ab. Mit dem solchermaÿen wie-
totypen einer magnetokalorischen Wärmequellenan-
der erwärmten Material lässt sich nun der Kreislauf
lage als Vorstufe einer klassischen Wärmepumpe rea-
erneut durchfahren[2]. Die Intensität des magnetoka-
lisiert. Ein einfacher Kreisprozess ermöglicht es uns
lorischen Eekts ist von der Temperatur, der Stärke
einen Puerspeicher auf ca. 18°C zu erwärmen. Ers-
des äuÿeren Magnetfeldes und vom verwendeten Ma-
te Experimente zeigen, dass dies mit einer COP von
terial abhängig. Gadolinium ist zur Zeit das einzige
mindestens 5 in der Praxis realisierbar ist. Diese neue
Material, was nicht nur einen vergleichsweise starken
Art einer magnetischen Wärmepumpe kommt kon-
magnetokalorischen Eekt zeigt, sondern dessen Cu-
überschüssige Energie in Form von Wärme frei wird.
struktionsbedingt ohne Abtauphase aus und die Leis-
rietemperatur von 16°C einen Einsatz bis etwa 20°C
tung kann beliebig verändert werden. Unsere Wärme-
ermöglicht. Abhängig von den Verunreinigungen des
pumpe kann klassische Luft/Wasser-Wärmepumpen
Gadoliniums ist ein Temperaturanstieg von maximal
und geothermische Wärmequellenanlagen ersetzen.
25K pro Tesla beobachtet worden.
Vorwort
In vielen Labors wird der magnetokalorische Eekt
genutzt um sehr niedrige Temperaturen im Bereich
von unter einem Kelvin zu erreichen. Als magnetokalorischen Eekt bezeichnet man das selbstständige Erhitzen eines Stoes beim Eintreten in ein Magnetfeld. Das Erhitzen kommt durch Änderung der
Entropie zustande, die mit dem Spin der Elektronen zusammenhängt. Durch die sieben ungepaarten
Elektronen in der f-Schale ist Gadolinium stark paramagnetisch und unterhalb der Curietemperatur von
?
16°C ferromagnetisch [ ]. Die magnetischen Momente
Abbildung 1: magnetokalorischer Zyklus
der ungepaarten Elektronen versuchen sich gegensei-
1
Zielsetzung
Basierend auf dem magnetokalorischen Eekt bei Gadolinium wollten wir einen funktionierenden Prototypen einer magnetischen Heizung entwickeln. An diesem Prototypen sollte die COP gemessen werden und
Erfahrungen gesammelt werden, ob eine solche Technologie sinnvoll im Alltag Verwendung nden könnte.
Prototypisierung
1
Abbildung 2: CD mit eingebauten Gd-Stücken
Erster Prototyp
Um das Gadolinium vor der Luft und Feuchtigkeit
zu schützen (Korrosion) haben wir die CD beidseitig
Die Abbildung 1 zeigt das Prinzip eines magnetoka-
mit einer Kupferfolie überzogen, die der Wärmeüber-
lorischen Zyklus. Um die einzelnen Phasen periodisch
tragung kaum einen Widerstand entgegen setzt. Die
durchfahren zu können bietet sich ein Aufbau als ro-
freiwerdende Wärme wurde mit einem wassergekühl-
tierende Scheibe an. Mehrere Aspekte machen dies
ten Wärmetauscher abgeführt. Als Rahmenkonstruk-
deutlich:
tion wählten wir Weicheisen mit 8 mm Dicke, auf
dem wir zunächst Neodym-Magnetwürfel aufbrachten. Nachdem sich die gewünschte Magnetdichte auch
ˆ
mit Gewalt nicht erreichen lieÿ, lieÿen wir uns zwei
Erstens muss das Gadolinium zeitweise in einem
Neodymmagnete in der benötigten Gröÿe herstellen.
Magnetfeld sein, welches vernüngerweise durch
Permanetmagneten erzeugt wird. Die Magneten
sollten einen möglichst geringen Abstand zueinander haben, damit die magnetische Flussdichte
im Spalt möglichst hoch ist.
ˆ
Das Gadolinium muss die eingespeicherte Wärme, die im Magnetfeld frei wird schnell abgeben
können. Ebenso schnell muss das Material aus
der Luft wieder Wärme aufnehmen können. Darum darf die Dicke nicht zu groÿ sein.
Abbildung 3: CD auf Achse vor dem Magneten
Als Träger haben wir eine CD genommen, da sie sehr
gleichmäÿig geformt ist, dabei relativ stabil und etwa
einen Millimeter dick. In die CD wurden Gd-Stücke
1
aus 1mm dickem Gd-Blech eingesetzt .
Um die CD zu drehen verwenden wir einen Scheibenwischermotor, dessen Leistung zwar überdimensioniert ist, den wir aber kostenlos vom Schrottplatz
erhalten haben. Die Aluminumachse mit den CD-
Gd 99,6%, produziert von Metal Rare Earth Limited, 1528
Guojishitshang, Jiaoliuzhongxin, China.
1
Befestigungen wurde zunächst in konventionellen Kugellagern gelagert und vom Motor direkt angetrieben.
2
Den schematischen Aufbau der gesamten Anordung
und erwärmt den Puerspeicher. Eine Aquarienpum-
mit Wasserspeicher zeigt die folgende Abbildung.
pe fungiert hier als Kühlmittelpumpe. Der Wärmeübergang ist zunächst durch einen kleinen Luftspalt
realisiert, soll aber später durch einen Öllm bzw.
ein Ölbad verbessert werden. Die Kugellager wurden
durch Teonlager mit Glaskugeln ersetzt.
Abbildung 4: Schematischer Aufbau des Prototyps
Abbildung 5: Pertinaxplatte mit ausgefrästen Segmenten und Teonlager mit Glaskugeln
Zur Simulation einer kalten Umgebungstemperatur
bauten wir einen handelsüblichen Kühlschrank um, in
den die Apparatur mit Energieversorgung und Mess-
Messungen
technik eingebaut werden konnte.
2
Der zweite Prototyp
Mit dem ersten Prototyp führten wir nur genau ei-
Der erste Prototyp hatte etliche Probleme verursacht,
ne Messung durch, gefolgt von einer Reibungsmes-
die einer vernünftigen Messung im Wege standen:
sung ohne Gadolinium. Das Ergebnis zeigt die fol-
ˆ
gende Grak.
Die Kugellager waren völlig unbrauchbar, weil
die Stahlkugeln durch die Magnete blockiert wurden und eine sehr starke Reibung verursachten.
ˆ
Die CD war zu exibel, so dass die magnetisierten Gd-Stücke die CD verbogen.
ˆ
Dadurch wurde die CD in der Wärmetauscherkassette an die Wand gepresst, was einen weiteren massiven Reibungseekt verursachte.
Wir ersetzten daraufhin die CD durch eine 1,5 mm
Pertinaxplatte, die erheblich steifer ist. In diese Platte
frästen wir die Aussparungen für die Gd-Stücke. Nun
läuft die glatte Seite des glasfaserverstärkten KunstAbbildung 6: Messung mit Prototyp 1
stoes mit einem Spalt von ca. 0,5mm an dem einen
der beiden Magneten vorbei. Um diesen Abstand konstant zu halten, haben wir drei Reiblager aus Tef-
Obwohl der erste Prototyp extreme Reibungsein-
lon eingebaut. Auf der Gd-Seite wurde wiederum eine
üsse zu verzeichnen hatte, wurde das grundlegende
Kupferfolie aufgeklebt. Eine wassergekühlte Wärme-
Konzept bestätigt: Die Erwärmung durch den magne-
tauscherplatte nimmt die Wärme von der Platte ab
tokalorischen Eekt.
3
Der zweite Prototyp war so reibungsarm ausgelegt,
dass erste vernünftige Messungen durchgeführt werden konnten. Zunächst wurde die eektive Leistung
des überdimensionierten Scheibenwischermotors gemessen. Dazu wurde die Motorkennlinie in Abhängigkeit von der Drehfrequnez bestimmt. Die Frequenz
wurde mit einer Lichtschranke und LabPro von Vernier gemessen, die Kennlinie mit dem Cassy von Leibold/Heraeus. Aus der Dierenz der Kennlinien konnte die drehzahlabhängige, eektive Leistung ermittelt
werden.
Abbildung 9: Verlustleistung der Anlage
Daraufhin wurde die Anlage in ihrer Kühlschrankumgebung hochgefahren. Dabei wurden die folgenden Temperaturänderungen beobachtet:
Abbildung 7: Eektive Motorleistung
Um Aussagen darüber machen zu können, wieviel
Wärme das System in Abhängigkeit von der Auÿentemperaturdierenz verliert, wurde die Verlustleistung gemessen.
Abbildung 10: Messung Prototyp 2
Da für die Messung nur 2 präzise Temperaturfühler zur Verfügung standen, musste die Temperatur
des Wasserspeichers approximiert werden. Die Vorlauftemperatur wurde am Einlass in die Wärmetauscherkassettte am Kupfer gemessen, wodurch sich ein
grundsätzlich zu hoher Wert ergibt, da die Kupferplatte ja eben durch den magnetokalorischen Eekt
des Gadoliniums erwärmt wird. Wir konnten aber
zum Zeitpunkt der Messung die Vorlauftemperatur
nicht exakt einkoppeln und verwenden darum für eine
Abschätzung der COP unter den oben bereits skiz-
Abbildung 8: Abkühlkurven mit Fit
zierten ungünstigen Bedingungen für eine Wärmeübergabe (Luftspalt), die simulierte Wassertemperatur als Vorlauftemperatur.
4
Für
unsere
1 10−3 m
Maschine
mit
Gd-Stücken
von
l =
ergibt sich somit eine ungefähre Wärme-
übergabezeit von maximal
∆t = 0, 17 s.
Die Zeit ist
kleiner, da ja nicht die gesamte Wärme in einer Tiefe von 1 mm gespeichert ist, sondern sich gleichmäÿig über das Volumen verteilt. Die Kontaktäche zwischen Wärmetauscher und Gadolinium ist konstruktionsbedingt etwa ein Drittel der Kreisscheibe, was zu
einer maximalen Umlaufzeit von
3∆t = 0, 51s und daf = 2 Hz
mit zu einer maximalen Drehfrequenz von
U
min führt. Die Kupferfolie vor dem
Gadolinium verzögert wegen der sehr hohen Wärbzw.
fmax = 120
meleitfähigkeit und der geringen Dicke diesen Wert
kaum. Würde die Kreisscheibe in einem Ölbad lau-
Abbildung 11: Erste COP-Werte für Prototyp 1
fen, könnte die Wärmeübergabe annähernd der obigen Rechnung entsprechen.
Wenn wir von einem Magnetfeld von ca. einem Tes-
Berechnungen
la ausgehen und einer maximalen Temperaturerhö-
Basierend auf den physikalischen Eigenschaften von
tisch eine Leistung von 80 Watt erreichen. Dies wür-
Gadolinium [3] haben wir eine prinzipielle Abschät-
de allerdings voraussetzen, dass wir der Luft genauso
zung der Leistungsfähigkeit unserer Maschine durch-
schnell Wärme entziehen können. Für den derzeiti-
geführt.
gen Prototyp, der ohne Ventilator arbeitet, ist dieser
Dichte:
ρGd = 7901
hung von 20K, einer Frequenz von einem Hertz und
vier Gd-Stücken mit einem Energiespeicherpotential von 1J/K, dann könnte unsere Maschine theore-
kg
m3
Wert sicher unrealistisch hoch. Andererseits zeigt die
W
λGd = 10, 6 mK
J
cpGd = 230 kgK
Wärmeleitfähigkeit:
Überschlagsrechnung die prinzipielle Leistungsfähig-
Wärmekapazität:
keit selbst kleiner Aufbauten.
Alle Stoeigenschaften sind von der Temperatur
Diskussion
und dem Reinheitsgrad abhängig. Unsere Gadoliniumstücke mit den Maÿen 2 cm mal 3 cm bei 1 mm
Dicke haben demzufolge eine Masse von 4,74 g und
ein Wärmespeichervermögen von
1, 09
j
K.
Verwendungsmöglichkeit im All-
Aus der Wärmeleitungsgleichung
λ
∆Q
= A ∆T
∆t
l
tag
(1)
Das gröÿte Problem bei einer magnetokalorischen
Heizung ist die Curie-Temperatur. Nicht zuletzt auf-
und der in den Gadoliniumstücken bei einer Ma-
grund fehlender Forschung in dieser Richtung zeigt
gnetfeldänderung freigesetzten Wärmemenge
bislang einzig Gadolinium einen magnetokalorischen
∆Q = cp m ∆T(B)
(2)
Eekt mit einer Curietemperatur im Bereich der Zimmertemperatur (16°C). Wir konnten zeigen, dass es
errechnet sich die Zeit, die eine Wärmeabgabe bei
prinzipiell unkompliziert möglich ist, einen Puer-
gegebener Dicke der Gadoliniumstücke benötigt:
∆t =
ρGd cpGd l2 ∆T(B)
λGd
∆T
speicher mit Gadolinium bei einer COP von mindestens 5 auf etwa 20°C zu erwärmen. Dieses Temperaturniveau ist zwar nicht geeignet, um damit eine
(3)
Heizungsanlage in Form einer Niedertemperaturheizung zu betreiben - es ist aber exzellent als Wärme-
Die durch den magnetokalorischen Eekt erreich-
quellenanlage für eine Wärmepumpe geeignet. Dabei
te Temperaturänderung der Gadoliniumstücke ent-
lässt sich die Maschine beliebig vergröÿern und mehr-
spricht der Temperaturdierenz zwischen Gadolinium
stug betreiben. Somit kann der Luft selbst bei sehr
und Wärmetauscher, womit sich Gleichung3 vereinfacht:
ρGd cpGd l2
∆t =
λGd
kalten Auÿentemperaturen Wärme entzogen werden.
Eine konventionelle Wärmepumpe, die dann im Be-
(4)
reich von 20°C bis 55°C mit einer sehr hohen COP
5
laufen könnte, würde unsere magnetokalorische Wär-
nach magnetischen Materialien, die ein möglichst ho-
mepumpe komplettieren.
hes Energieprodukt aufweisen.
Für den Aufbau eines dritten Prototyps mit signikanter Leistung suchen wir einen Kooperationspart-
Das Vereisungsproblem
ner aus der Industrie, der uns bei der Finanzierung
und beim Bau unterstützen möchte.
Eine konventionelle Luft/Wasser-Wärmepumpe vereist ab ca. 6°C [4], da die Luftfeuchtigkeit auf den
Danksagung
kalten Teilen anfriert. Dies führt dazu, dass die Maschine jede Stunde etwa 2 Minuten lang rückwärts
laufen muss, um den Reif abzutauen und dann eine
Wir möchten uns besonders bei Herrn Uli Veith von
Ruhephase hat, in der das Wasser abläuft. Zusätzlich
der TU Darmstadt für seine Unterstützung beim Bau
müssen in einigen Fällen die Ventilatoren durch eine
des Gehäuses bedanken und bei Frau Dr. Natalia Tris-
Heizung vor dem Vereisen geschützt werden.
tan, die uns ihren Kühlschrank gegeben hat, den wir
leidenschaftlich zersägen durften.
Unsere Maschine kann mit hoher Wahrscheinlichkeit kontinuierlich betrieben werden, wenn ein Ölbad
als Wärmetauscher verwendet wird. Am Ausgang der
Literatur
Drehscheibe begrenzen zwei Gummilippen das an der
Scheibe anhaftende Öl auf einen dünnen Film, auf
[1] S. Yu Dan'kov, A. M. Tishin, V.K. Pecharsky
dem dann an der Luft die Luftfeuchtigkeit zwangs-
and K. A. Gscheidner: Magnetic phase transiti-
weise ausfriert und eventuell anhaftet. Die Luft wird
ons and the magnetothermal properties of gadoli-
von Ventilatoren parallel zu den Scheiben geblasen,
nium, Physical Review B (Condensed Matter and
die dem Luftstrom wenig Widerstand entgegenstel-
Materials Physics), Volume 57, Issue 6, February
len, was einen hohen Durchsatz garantiert. Beim Ver-
1, 1998, pp.3478-3490
lassen des Luftraumes sorgen zwei Teonschneiden
dafür, dass angesetzte Eiskristalle vom Öllm abge-
[2] O. Tegus et al: Transition-metal-based magne-
schabt werden. Dies verursacht auÿer dem Vorteil des
tic refrigerants for room-temperature applicati-
kontinuierlichen Betriebs zwei Probleme:
ons, Nature 415, 150 - 152 (10 Jan 2002)
Erstens wird das abgeschabte Eis geringfügig mit
[3] http://de.wikipedia.org/wiki/Gadolinium
Öl kontaminiert sein. Damit dies nicht zu einem Umweltproblem wird, muss das Öl biologisch abbaubar
[4] http://www.luft-waermepumpe.net/
sein. Auÿerdem wird die Maschine im Verlauf einer
Heizperiode Öl verlieren, das wieder nachgefüllt werden muss.
Zweitens wird wahrscheinlich ein geringer Anteil an
Feuchtigkeit in das temperierte Öl eingebracht werden, was dann zum Emulgieren neigen könnte. Hier
muss je nach Ölqualität dann über eine Abscheidevorrichtung, eine chemische Trocknung oder ein anderes
Verfahren nachgedacht werden.
Ausblicke
Nachdem wir zeigen konnten, dass unser Ansatz prinzipiell funktioniert und eine hohe COP erwarten lässt
sind viele Leute darauf aufmerksam geworden. Am
Hochfeld-Magnetlabor in Dresden untersuchen wir
zur Zeit Möglichkeiten die Curietemperatur einer magnetokalorischen Legierung zu erhöhen und Materialien zu entwickeln, die den riesenmagnetokalorischen
Eekt in der Nähe der Curietemperatur des Gadoliniums zeigen. Für unser Konzept der Sandwichbauweise von gestackten Magneten und Ölkammern für
ein modularen Upscaling der Apparatur suchen wir
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