室温磁制冷技术被国际社会公认为是应对HFCs淘汰的技术路线选择之一,增加室温磁制冷系统在大温跨下制冷量的输出,对于室温磁制冷技术研究及应用具有重要意义。在有限磁场强度下,室温磁制冷绝热温变小的特质决定了室温磁制冷循环须采用回热的方式对加退磁过程中的有限温变进行累积,从而实现大温跨下合理制冷量的输出。本课题探索室温磁制冷循环难以达到大温跨制冷的制约因素,明确回热过程存在的流固耦合强制对流换热时的传热温差、材料自身回热热量不平衡、床层残留换热流体热势容等不可逆因素对回热过程造成的不可逆损失,研究磁制冷回热循环有限温变的合理积累方式,通过对以下几方面的分析探索:最优磁微元逆向循环构建、室温磁制冷系统能效指标建立、主动式回热器参数匹配研究、主动式回热器不可逆因素分析,得出磁逆向回热循环制冷潜力巨大,而在现有可选择的换热流体热物性参数和对主动式回热器回热过程进行匹配优化,却难以减少主动式回热器内固有的不可逆?损。因此,必须在回热方式上加以改进和创新。而将磁逆向循环内回热过程分解为多级微元回热时,将有效减少回热过程不可逆损失,在以上研究基础上构造新型微元多级自主回热循环,从高效回热机理、回热器设计、回热器性能优化等不同侧面全面诠释对主动式回热器循环新的理解。本论文的主要工作包括:对磁制冷理论循环进行构建分析,准确评价磁制冷回热循环潜力及掌握高效磁回热循环的构建方法;对室温磁制冷系统能量分析,提出?性能和?效率评价室温磁制冷系统,为回热器优化设计提供目标和标准;建立二维流体往复式回热器磁热耦合数值分析模型,结合微元循环理论对主动式回热器进行的匹配优化,探索主动式回热器内性能提升潜力;建立二维流体单向回热器磁热耦合数值分析模型,对回热循环的回热机理进行研究,分析造成系统在大温跨下制冷量衰减的不可逆因素;针对在主动式回热器固有回热不可逆因素难以完全克服的问题,提出微元回热循环并设计执行该循环的微元回热器,通过数值优化回热器的结构,为大温跨下高制冷量输出提供一种可行的技术方案;最后,通过实验手段,探究非极性分子在磁场能量场的作用下,热物性性质和流固耦合换热性质是否改变,从而为精细化优化设计回热器提供理论基础。磁Brayton/Ericsson循环构建及性能优化研究表明,磁制冷循环在特定的冷热源温度下,通过控制加、退磁前温度T1/T3的大小,可以采用制热量弥补循环内材料的回热不平衡量,减少回热不平衡量对制冷量造成的(?)损,从而获得磁逆向最优制冷性能循环的构建思路。对构建的最优理论循环性能分析,采用一级相变材料Gd及1.5T磁场强度的磁制冷系统,在20K温跨下,1.3L的Gd工质可以获得30W冷量(?),接近450W的制冷量。在当前的材料和永磁体磁场强度提升遇到瓶颈时,回热器潜力明显,磁制冷回热循环优化是提高回热效率有效途径。基于热力学第二定律和对室温磁制冷系统能量组成进行分析,建立适合现阶段室温磁制冷系统评价指标,是磁制冷回热循环优化的前提。本文在此方面取得一定进展:同时考虑磁制冷系统输入和输出的能量“数量”和“质量”的情况下,在目前无法统一给出室温磁制冷系统冷热端温度的情况下,采用(?)指标评判系统(回热器)效能,更为合理地反映出室温磁制冷系统(回热器性能)优劣。通过对旋转式室温磁制冷系统测试,实验证实(?)性能/(?)效率指标具有可量化、对比性,这部分研究成果也成回热器优化研究提供优化指标。本文对平板床层/多孔介质主动式回热器建立二维磁热势场耦合模型,通过实验验证模型的有效性后,明晰主动式回热器内部回热机理:以换热流体为介质,通过泵送换热流体的方式解决磁逆向循环中回热过程时间(流体往复流动)或者空间上(流体单向流动)的不统一。在明晰回热机理后,分析主动式回热器内部的不可逆因素,确定换热流体与磁热性材料之间的传热温差、冷热流动切换时,回热器内残留余液造成的?损、床层自身导热造成冷热端热短路造成的(?)损以及材料自身回热不平衡为限制主动式回热器不能在大温跨下高冷量(?)输出的原因。部分不可逆损失可以通过换热流体导热系数增加,换热流体比热容减少,床层孔隙率减少将等参数设置可以有效减少,但并不能完全消除。而材料自身回热不平衡量在主动式回热器内客观存在,回热不平衡量需要牺牲一部分的制冷量去弥补,从而造成大温跨和高制冷量?输出成为不可调和的矛盾。因此,磁制冷系统需要在大温跨下获得大制冷量输出,需要在回热方式设计上取得突破。在新型回热器设计工作方面,本文基于最优磁逆向循环理论,提出微元回热循环并设计出执行该逆向循环的微元回热器,从而实现小温差驱动下的高效回热。回热过程通过磁热性材料运动的方式解决回热空间上的不统一。通过数值模拟证明采用单居里温度磁热性材料回热器系统,可以解决在小温跨下高制冷量输出,采用多材料和单材料串联系统通过高低温级质量配比实现有效减少循环的不完全回热量,提高制冷量输出。采用微元回热器串联系统,在20K温跨下,最大冷量?为21.42W,折合环境温度300K时,向280K冷源提供制冷量超过280W;在40K温跨下,最大冷量?为4.81W,折合环境温度为300K时,可以提供超过30W的制冷量,而系统EER和R*可分别提高到7.0以上及0.8。为室温磁制冷系统在大温跨下高制冷量输出目的提供一种有效的技术方案。最后针对主动式回热器内部磁场作用下的流体换热,开展磁场作用下换热流体换热/流动阻力特性实验研究,对精细化的微元回热器设计提供依据。通过对非极性分子R141b和R134a在磁场内外进行流动沸腾换热、流动阻力、池沸腾气泡动力学可视化实验,磁处理后R141b的红外光谱测试、纵向弛豫时间测试。最终对磁场内外测试的宏观物理量对比结果可以反映出:1.5T的磁场能量并不能有效改变非极性分子的分子结构,而对流体的流动阻力和沸腾换热强度宏观上的影响可以忽略不计。