Development of a ptototyp of a sustainable magnetocaloric cooling device
| creativework.keywords | prototype sustainable magnetocaloric ,cooling device | en |
| dc.contributor.author | Fatima Muhammed Husain Al-Battat | en |
| dc.contributor.author | فاطمة محمد حسين البطاط | ar |
| dc.date.accessioned | 2023-01-16T13:06:25Z | |
| dc.date.available | 2023-01-16T13:06:25Z | |
| dc.date.issued | 2022-03-26 | |
| dc.description.abstract | Magnetic Refrigeration (MR) is a new cooling technology using a solid refrigerant instead of a gaseous refrigerant used in conventional cooling technics. The solid refrigerant is magnetocaloric material (MCM), its temperature increases when exposed to an external magnetic field causing magnetization of MCM, and the demagnetization happens to MCM by removing the external magnetic field which decreases the temperature of MCM. The magnetocaloric effect (MCE) is the phenomenon that describes the change of temperature of an MCM which is considered the basis of magnetocaloric refrigeration technologies. Compared to the conventional vapor compression cycle, the magnetocaloric cooling cycle is more energy-efficient and more environmentally friendly because it does not make use of greenhouse gases. In this thesis, we develop a prototype of a sustainable magnetocaloric cooling device. A suitable design for the prototype was chosen and performed using the Autodesk inventor professional 2021 3D design program. The components of our magnetic refrigeration device were selected and divided into four sub-systems: Magnetic Field Generator (MFG) consisting of the magnet and its mechanism, Active Magnetic Regenerator (AMR) containing the Magneto-Caloric Material, Fluid flow/heat transfer system, and the Control system. An initial magnetic field generator was selected, which consists of two concentric 90 mm long Halbach cylinders, made of 16 permanent magnet segments, which were integrated with a support structure in optimized orientation, the outer cylinder is fixed and the inner one rotates with respect to the outer one producing two areas of maximum (1.3 T) and minimum (0.0002 T) magnet flux densities used to magnetize and demagnetizing the MCM to produce the cooling cycle. The greatest effort expended in this master's thesis was to design an MFG at a low price. Various designs of the MFG were implemented on Autodesk inventor and simulated on Faraday simulation software. We decrease the number of segments to half (8 segments) and replaced the other 8 with soft magnetic low-carbon steel. The simulation results showed that the new design can generate a 0.8 T magnetic field, and thus the price of the magnet was halved, but its price remained very expensive we were limited by budget money.Magnetic Arrangement for Novel Discrete Halbach Layout (Mandhalas)consisting of the final MFG. The final Mandhalas MFG produced a magnetic field of 0.82 T at the center of the magnet fined by simulation results and 0.6 T calculated by equations. The support structure for the magnet circuit was designed with the program Autodesk inventor and the components were subsequently manufactured at the JCNS2 workshop. The housing was designed for the final mandhala magnet by the Autodesk Inverter program, then these designs were printed at the JCNS2 Institute, and the strong magnets were purchased and arranged in a certain way according to the simulation results.The Mandhala produced a magnetic field of 0.6 T at the center of the magnet measured by the axial Hall probe and transverse flowmeter.The magnet design was improved and developed, as we were able to reduce the price of the magnet by 90%, while the decrease in the magnetic field of the magnet circuit was 36%.The AMR was selected by choosing the type and the geometry of the MCM used to place into the inner magnet cylinder. We used Calorivac material from Vacuum schmelze company. A mixture of 80% water and 20% ethylene glycol is used as heat transfer fluid.The control system was planned and relies on individual components which are easily accessible and are already available. The fluid flow/heat transfer system was also designed and the components were ordered. | en |
| dc.identifier.uri | https://dspace.alquds.edu/handle/20.500.12213/7600 | |
| dc.language.iso | en_US | |
| dc.publisher | Al-Quds University | en |
| dc.title | Development of a ptototyp of a sustainable magnetocaloric cooling device | en |
| dc.title | تطوير نموذج اولي لجهاز تبريد مغناطيسي مستدام | ar |
| dc.type | Thesis | |
| dcterms.abstract | هي تقنية تبريد جديدة تستخدم المبردات الصلبة بدلاً من المبردات الغازية المستخدمة في تقنيات التبريد التقليدية. المبرد الصلب هو مادة مغناطيسية (MCM) ، عندما تتعرض المادة المغناطيسية لمجال مغناطيسي خارجي فانها تزداد حرارتها، وبالتالي عند ازالة المجال المغناطيسي الخارجي تقل درجة حرارة المادة المغناطيسية. تسمى الظاهرة التي تصف تغير درجة حرارة المادة المغناطيسية والتي تعتبر أساس تقنيات التبريد المغناطيسي بالتأثير المغناطيسي (MCE). بالمقارنة مع دورة ضغط البخار التقليدية ، فإن دورة التبريد المغناطيسية أكثر كفاءة في استخدام الطاقة وأكثر صداقة للبيئة لأنها لا تستخدم غازات الدفيئة. في هذه الأطروحة ، قمنا بتطوير نموذج أولي لجهاز تبريد مغناطيسي مستدام. من خلال اجراء دراسة شاملة لنماذج التبريد المغناطيسي التي تم بناؤها قبل العام 2020 وتم الاتفاق على الشكل الاولي والمواصفات الاولية للنموذج المنوي بناؤه. تم اختيار التصميم المناسب للنموذج الأولي وتم تنفيذه على برنامج Autodesk inventor 2021. تم اختيار مكونات نموذج التبريد المغناطيسي الخاص بنا وتقسيمها إلى أربعة أقسام رئيسية على النحو التالي: مولد المجال المغناطيسي (MFG) يتكون من المغناطيس والية عمله) ، المجدد المغناطيسي النشط (AMR) الذي يحوي المادة المغناطيسية ، نظام تدفق السوائل / نقل الحرارة، و نظام التحكم. تم الاتفاق على المكونات الرئيسية لهذه الانظمة والبدء بجمعها لبناء النموذج. بما ان مولد المجال المغناطيسي هو اغلى جزء في نموذجنا الاولي فقد تم بذل كل الجهد لتحسينه وتطويره وخفض سعره الذي فاق ميزانيتنا. تم اختيار مولد مجال مغناطيسي (هالباخ)، الذي يتكون من اسطوانتين متداخلتين، داخلية متحركة وخارجية ثابتة، مثبت في وسط الاسطوانة الداخلية حامل سنقوم بتثبيت المادة المغناطيسية بداخله، ونتيجة لدوران الاسطوانة الداخلية بالنسبة للخارجية يتم توليد مجالين مغناطيسيين مسلطين على المادة المغناطيسية، مما يؤدي لتغير درجة حرارتها مولدا فرق بالحرارة يتم استغلاله في عملية التبريد. تم تنفيذ تصميمات مختلفة لمولد المجال المغناطيسي MFGعلى برنامج inventorAutodesk وتمت محاكاتها على برنامج Faraday ، كان التصميم الاولي عبارة عن مغناطيس هالباخ يتكون من اسطوانتين متداخلتين بطول 90 مم تتكونان من قطع مغناطيسية صغيرة وكثيرة، يستخدم مغناطيس هالباخ لتوليد مجال مغناطيسي في مكان معين والغائه في الاماكن الاخرى، استطاع هذا النموذج انتاج مجال مغناطيسي كثافته 1.4 تسلا في مركز الاسطوانة الداخلية حيث يتم تثبيت المادة المغناطيسية هناك، ولكن في نفس الوقت كان سعرهذا التصميم غاليا جدا. الجهد الاكبر الذي تم بذله في رسالة الماجستير هذه انصب على تصميم مولد مجال مغناطيسي MFG بسعر قليل. قمنا بعمل تصميمات اخرى تحوي قطع مغناطيسية اقل بمقدار النصف عن النموذج الاول ، وقمنا بعمل محاكاة لهذه التصاميم بحيث اظهرت نتائج المحاكاة ان التصميم الجديد يمكنه توليد مجال مغناطيسي كثافته 0,5 تسلا وبالتالي تم خفض سعر المغناطيس الى النصف، ولكن للاسف بقي سعره غاليا جدا ونحن محكومون بميزانية اقل بكثير من سعر المغناطيس. في التصميم النهائي قمنا باستبدال مغناطيس هالباخ Halbach المثالي بـ الـMandhalas، وهو عبارة عن مغناطيس هالباخ ولكن يتم بناؤه من قطع مغناطيس مصنعة وجاهزة تباع باشكال اسطوانية او مكعبات او متوازي مستطيلات، قمنا بتصميم جديد للمغناطيس المتكون من هذه المغناطيسات جاهزة الصنع وبعد عمل محاكاة لتصميمنا النهائي استطعنا الحصول على مجال مغناطيسي يعادل 0.8 تسلا اي ما يعادل نقص في المجال المغناطيسي الذي حصلنا عليه بنسبة 36%، ولكن الشيء الجميل الذي حصل معنا اننا خفضنا سعر المغناطيس بنسبة 90 %، هذا النزول الكبير بالسعر يجعلنا نغض اطرف عن النزول القليل في المجال المغناطيسي. في التصميم النهائي قمنا باستبدال مغناطيس هالباخ تم تصنيع مصفوفة Mandhala المتداخلة المحسَّنة نتيجة لنتائج المحاكاة. تم التحقق من صحة تصميم مصفوفة MandhalaHalbach المُحسَّنة ومقارنتها. تم التأكيد على أن مصفوفة Halbach المُحسَّنة أكثر فاعلية لنموذج MR الأولي الخاص بنا من مصفوفة Halbach المغناطيسية المتداخلة الأولية. قمنا ببناء هذا المغناطيس الاخير بعد ان صممنا هيكل داعم له على برنامج اوتودسك انفنتور، وقمنا بطباعته على طابعة 3D في معهد يوليش لعلوم النيوترون، قمنا بشراء قطع المغناطيس مكعبة الشكل ومتوازية مستطيلات، وقمنا ببناء المغناطيس النهائي. قمنا بقياس المجال المغناطيسي في مركز الاسطوانة الداخلية للمغناطيس النهائي بوساطة جهاز قياس التدفق المغناطيسي فوجدنا ان النتيجة قريبة جدا من نتيجة عملية محاكاة المغناطيس. قمنا بمضاعفة طول اسطوانة المغناطيس (من 90 مم الى 180 مم) مما زاد الهوموجينتي داخل الاسطوانة، وكانت الزيادة في المجال بسيطة جدا. تم اختيار AMR عن طريق اختيار نوع وهندسة MCM المستخدمة لوضعها في أسطوانة المغناطيس الداخلية قمنا بشراء المادة المغناطيسية من شركة Vacuumschmelze والتي تسمى مادة Calorivac. تم تخطيط نظام التحكم ويعتمد على المكونات الفردية التي يمكن الوصول إليها بسهولة والمتاحة بالفعل في معهد يولش للابحاث. تم أيضًا تصميم نظام تدفق السوائل / نقل الحرارة وكما تم شراء المكونات. | ar |