ZNANSTVENE OBJAVE - Laboratorij za hlajenje in daljinsko energetiko

Termomagnetna pretvorba nizkotemperaturne odpadne toplote: pomen izbire permanentnih magnetov

admin — Mon, 31 Aug 2026 08:36:52 +0000

Velik delež energije, uporabljene v industrijskih in drugih toplotnih procesih, se na koncu sprosti v okolico v obliki nizkotemperaturne odpadne toplote. Pretvorba vsaj dela te energije v uporabno električno energijo bi lahko prispevala k večji skupni energijski učinkovitosti in trajnostnejši rabi energetskih virov. Učinkovita pretvorba toplote, ki je na voljo pri razmeroma nizkih temperaturah, pa še vedno predstavlja pomemben tehnološki izziv.

Termomagnetna pretvorba energije predstavlja eno izmed alternativnih možnosti za izkoriščanje nizkotemperaturne odpadne toplote. Temelji na izraziti temperaturni odvisnosti magnetnih lastnosti termomagnetnih materialov. S cikličnim segrevanjem in ohlajanjem materiala v območju njegovega magnetnega faznega prehoda se spreminja njegova magnetizacija, kar omogoča spreminjanje magnetnega pretoka in posledično proizvodnjo električne energije.

V novi raziskavi, objavljeni v znanstveni reviji iScience (Cell Press), smo se osredotočili na pomemben sestavni del termomagnetnega generatorja (TMG), ki je bil doslej deležen razmeroma malo pozornosti – na permanentne magnete, ki predstavljajo vir magnetnega polja. Njihove lastnosti neposredno vplivajo na magnetno polje, ki mu je izpostavljen termomagnetni material, in s tem na delovanje celotnega sistema. Hkrati je pri izbiri permanentnih magnetov treba upoštevati tudi njihovo ceno, temperaturno stabilnost, dostopnost materialov ter uporabo kritičnih surovin.

Z numeričnim modelom termomagnetnega generatorja smo sistematično primerjali konfiguracije s tremi tehnološko pomembnimi vrstami permanentnih magnetov: neodim-železo-borovimi (NdFeB), Alnico in feritnimi magneti. Analiza zajema interakcijo med virom magnetnega polja in termomagnetnim materialom ter ovrednoti električni odziv generatorja, vključno z izhodno močjo, napetostjo in tokom med cikličnim delovanjem.

Rezultati pokažejo, da ima izbira permanentnega magneta pomemben vpliv na delovanje termomagnetnega generatorja. Visokozmogljivi permanentni magneti omogočajo doseganje močnejših magnetnih polj in s tem višjega električnega izhoda, medtem ko alternative brez redkih zemelj, kot sta Alnico in ferit, ponujajo drugačno kombinacijo magnetnih lastnosti, temperaturne stabilnosti, dostopnosti in cene. Izbire optimalnega vira magnetnega polja zato ni smiselno obravnavati zgolj z vidika največje magnetne jakosti, temveč kot del celovite zasnove termomagnetnega generatorja.

Raziskava prispeva k razvoju učinkovitejših in praktično izvedljivih sistemov za termomagnetno pridobivanje energije ter podaja smernice za izbiro permanentnih magnetov glede na zahteve posamezne aplikacije. Dolgoročno bi lahko tovrstni sistemi predstavljali dodatno možnost za pretvorbo danes večinoma neizkoriščene nizkotemperaturne odpadne toplote v električno energijo, zlasti tam, kjer je uporaba konvencionalnih tehnologij za pretvorbo toplote v elektriko otežena.

Članek je dostopen v reviji iScience: povezava.

The post Termomagnetna pretvorba nizkotemperaturne odpadne toplote: pomen izbire permanentnih magnetov first appeared on Laboratorij za hlajenje in daljinsko energetiko.

Materiali s faznim prehodom za učinkovitejše gospodinjsko hlajenje

admin — Tue, 18 Aug 2026 08:27:30 +0000

V reviji Strojniški vestnik – Journal of Mechanical Engineering je bil objavljen pregledni znanstveni članek Phase Change Materials for Performance Enhancement in Household Refrigeration: A Review, ki obravnava uporabo materialov s faznim prehodom (PCM) za izboljšanje delovanja gospodinjskih hladilnikov.

Materiali s faznim prehodom omogočajo shranjevanje in sproščanje toplotne energije med faznim prehodom ter s tem povečujejo toplotno vztrajnost hladilnega sistema. Njihova ustrezna uporaba lahko prispeva k stabilnejšim temperaturam, učinkovitejšemu delovanju hladilnega sistema, zmanjševanju koničnih obremenitev ter daljšemu ohranjanju ustreznih temperatur ob izpadih električne energije.

V članku so predstavljeni kriteriji za izbiro primernih PCM ter analizirane različne možnosti njihove vključitve v hladilni sistem – ob uparjalniku, kondenzatorju, v hladilnem prostoru in v kombiniranih konfiguracijah. Pregled kaže tudi, da so za temperaturna območja, značilna za gospodinjsko hlajenje, ustrezni PCM že komercialno dostopni. Ključnega pomena za doseganje želenih učinkov pa sta pravilna izbira temperature faznega prehoda in ustrezna integracija materiala v sistem.

Delo je bilo izvedeno v okviru projekta GreenTech in je rezultat sodelovanja raziskovalcev Fakultete za strojništvo Univerze v Ljubljani ter podjetja Gorenje, Hisense Europe.

Članek so pripravili Urban Tomc, Katja Klinar, Luka Porenta, Marko Kralj, Tomaž Bregar in Andrej Kitanovski.

Članek: Phase Change Materials for Performance Enhancement in Household Refrigeration: A Review

DOI: 10.5545/sv-jme.2026.1670

The post Materiali s faznim prehodom za učinkovitejše gospodinjsko hlajenje first appeared on Laboratorij za hlajenje in daljinsko energetiko.

Termodinamični pregled mešanic hladiv z nizkim potencialom globalnega segrevanja za mikro parno-kompresijske hladilnike in toplotne črpalke

admin — Tue, 14 Jul 2026 18:16:25 +0000

Z naraščanjem povpraševanja po visokozmogljivi mikroelektroniki in močnostni elektroniki postajajo mikro parno-kompresijski hladilni sistemi (VCR) in parno-kompresijske toplotne črpalke (VCHP) ključne tehnologije za aktivno ogrevanje in hlajenje. Vendar postopno opuščanje fluoriranih ogljikovodikovih hladiv v skladu z mednarodnimi okoljskimi predpisi zahteva opredelitev alternativ z nizkim potencialom globalnega segrevanja, ki so posebej optimizirane za specifične omejitve, kot sta omejena prostornina kompresorja in majhna polnitev hladiva.

Ta študija predstavlja celovit in sistematičen termodinamični pregled približno 30.000 mešanic hladiv, vključno s čistimi snovmi ter binarnimi in ternarnimi zmesmi, in je usmerjena v tri ključne scenarije uporabe: gospodinjske in komercialne mikro-naprave, osebne hladilne sisteme za zahtevna okolja ter toplotne črpalke za klimatizacijo potniške kabine in toplotno upravljanje baterij električnih vozil. Z večkriterijskim pristopom odločanja, ki temelji na metodi razvrščanja glede na podobnost z idealno rešitvijo (TOPSIS), sta bila sočasno optimizirana učinkovitost ter grelna in hladilna moč. Optimalni kandidati so bili določeni za štiri praktične scenarije: visoko zmogljivost, varnostno kritične aplikacije z nizko vnetljivostjo (A1), nizkotlačno delovanje ter kombinirani scenarij nizkega tlaka in nevnetljivosti.

Rezultati kažejo, da dodatna kompleksnost ternarnih zmesi pri aplikacijah na mikro ravni ne zagotavlja pomembne termodinamične prednosti v primerjavi s preprostejšimi binarnimi zmesmi. Končna priporočila za naslednjo generacijo mikro-VCR/VCHP-sistemov vključujejo: R1270 in R290/RE170 (60/40) % za največjo zmogljivost; R1234yf/R1224yd(Z) (72/28) % za varnostno kritične aplikacije razreda A1; RE170/R600 (65/35) % in R600/R1270 (28/72) % za naravno, nizkotlačno delovanje; ter R1234ze(E)/R1233zd(E) (72/28) % ali R1234ze(E)/R1224yd(Z) (68/32) % za aplikacije s kombiniranimi omejitvami. Študija tako vzpostavlja strukturiran načrt za obvladovanje kompleksnega področja izbire trajnostnih hladiv za mikro-VCR/VCHP-sisteme.

Povezava: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2026.132282

The post Termodinamični pregled mešanic hladiv z nizkim potencialom globalnega segrevanja za mikro parno-kompresijske hladilnike in toplotne črpalke first appeared on Laboratorij za hlajenje in daljinsko energetiko.

Neposredna karakterizacija elektro- in magnetokaloričnega odziva v večkaloričnih kompozitnih filmih

admin — Wed, 01 Jul 2026 05:52:36 +0000

Raziskovalci Instituta »Jožef Stefan«, Univerze v Ljubljani, Univerze v Barceloni, IFW-Dresden ter partnerskih institucij smo v reviji Journal of the European Ceramic Society objavili članek z naslovom Direct observation of room-temperature electrocaloric and magnetocaloric responses in multicaloric composite films.

V raziskavi smo združili elektrokalorično keramiko PMN-10PT in magnetokalorično zlitino La-Fe-Si-Co (LFSC) ter z uporabo tehnologije aerosolnega nanašanja prahu (Powder Aerosol Deposition – PAD) izdelali približno 5 μm debele večkalorične kompozitne filme. Tehnologija PAD omogoča izdelavo gostih funkcionalnih plasti pri sobni temperaturi in predstavlja zanimiv pristop za integracijo naprednih funkcionalnih materialov v prihodnje hladilne naprave.

Pomemben dosežek raziskave je neposredna karakterizacija elektrokaloričnega in magnetokaloričnega efekta v istem večkaloričnem kompozitnem filmu pri sobni temperaturi. Kompozitni filmi so pokazali približno 32 % večji elektrokalorični temperaturni odziv v primerjavi s čistimi PMN-10PT filmi. Izboljšanje je povezano z Maxwell–Wagnerjevo polarizacijo, ki jo povzročijo vključeni magnetokalorični delci.

Poleg izboljšanega elektrokaloričnega efekta smo v istem filmu neposredno izmerili tudi magnetokalorični efekt, s čimer smo eksperimentalno potrdili večkalorično delovanje kompozita ter pokazali možnost združevanja elektrokaloričnega in magnetokaloričnega pojava v eni sami aerosolno naneseni strukturi.

Rezultati predstavljajo pomemben korak k razvoju večfunkcionalnih materialov za prihodnje trdninsko hlajenje ter mikrohladilne sisteme za elektroniko, zaznavala in druge miniaturizirane aplikacije, kjer postaja učinkovito upravljanje toplote vse pomembnejše.

Link: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0955221926004607

The post Neposredna karakterizacija elektro- in magnetokaloričnega odziva v večkaloričnih kompozitnih filmih first appeared on Laboratorij za hlajenje in daljinsko energetiko.

Objavljen članek Roadmap for electrocaloric films characterization

admin — Thu, 28 May 2026 08:03:51 +0000

Članek Roadmap for electrocaloric films characterization, objavljen v reviji iScience (Cell Press), predstavlja numerično analizo vpliva substratov in IR-prevlek na karakterizacijo elektrokaloričnih tankih in debelih plasti za mikrohladilne sisteme prihodnosti.

Raziskovalci Laboratorija za hlajenje in daljinsko energetiko na Fakulteti za strojništvo Univerze v Ljubljani smo v sodelovanju z Institutom Jožef Stefan raziskovali vpliv toplotnih lastnosti substrata ter debeline črnega visoko-emisivnega premaza na natančnost infrardečih (IR) temperaturnih meritev elektrokaloričnih materialov. Cilj raziskave je bil določiti smernice za optimizacijo karakterizacije elektrokaloričnih struktur na mikro- in nano-skali.

S pomočjo numeričnih simulacij smo pokazali, da substrati z nizko termično efuzivnostjo in nizko toplotno prevodnostjo bistveno zmanjšajo toplotne izgube med meritvami ter omogočajo natančnejšo določitev elektrokaloričnega odziva. Poleg tega smo analizirali vpliv debeline elektrokalorične plasti in črnega premaza na korekcijski faktor pri IR-meritvah. Rezultati kažejo, da je mogoče doseči nizke korekcijske faktorje, kadar je elektrokalorična plast debelejša od črnega premaza.

Raziskava predstavlja pomemben korak k razvoju zanesljivih metod za karakterizacijo elektrokaloričnih materialov ter podaja smernice za načrtovanje prihodnjih mikrohladilnih sistemov na osnovi kalorikov.

Povezava: https://www.cell.com/iscience/fulltext/S2589-0042(26)01340-4

The post Objavljen članek Roadmap for electrocaloric films characterization first appeared on Laboratorij za hlajenje in daljinsko energetiko.

Visoko-temperaturna elektrokalorična toplotna črpalka

admin — Mon, 05 Jan 2026 08:58:22 +0000

Raziskovalci iz Laboratorija za hlajenje in daljinsko energetiko (LAHDE) so v reviji Energy Conversion and Management, enem vodilnih svetovnih znanstvenih časopisov na področju energetike, objavili prvo študijo o visokotemperaturni elektrokalorični toplotni črpalki.

Skoraj četrtina odpadne toplote nastaja pri temperaturah nad 300 °C, vendar so obstoječe tehnologije toplotnih črpalk pri izkoriščanju in uporabi toplote iz tako visokotemperaturnih virov še vedno neučinkovite. V tej študiji predstavljamo novo elektrokalorično toplotno črpalko, zasnovano za obratovanje z viri toplote in ponori pri izjemno visokih temperaturah. Predlagan sistem toplotne črpalke vključuje aktivni elektrokalorični regenerativni izmenjevalnik s PZT večslojnimi tankimi filmi (PbZr_0.52Ti_0.48O₃), ki izkazujejo izjemno elektrokalorično adiabatsko temperaturno spremembo 11,03 K pri 402 °C (675 K), ter stisnjen helij kot delovni medij. Izvedli smo parametrično analizo, s katero smo simulirali delovanje visokotemperaturne elektrokalorične toplotne črpalke, in določili optimalne pogoje za enostopenjske in večstopenjske konfiguracije. Enostopenjska zasnova je dosegla največji grelni COP 7,8 pri temperaturnem razponu 30 K čez regenerator pri temperaturi toplotnega vira 660 K. V primerjavi s tem je večstopenjska konfiguracija dosegla najvišjo grelno moč 113,3 W/kg_EC in največji COP 2,7 med 630 in 690 K. Ta študija postavlja temelje za pomemben napredek na področju visokotemperaturnih toplotnih črpalk z uporabo elektrokalorične pretvorbe energije.

Povezava: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S019689042501338X

The post Visoko-temperaturna elektrokalorična toplotna črpalka first appeared on Laboratorij za hlajenje in daljinsko energetiko.

Pojavljajoče se priložnosti za visokotemperaturne trdninske in plinske toplotne črpalke

admin — Sun, 21 Dec 2025 12:49:01 +0000

Raziskovalci iz Laboratorija za hlajenje in daljinsko energetiko (LAHDE) so skupaj z mednarodno ekipo objavili raziskavo v reviji Nature Energy (Springer Nature), ki velja za vodilno znanstveno publikacijo na področju energetike. V članku so prvič celovito ovrednotili doslej spregledan potencial alternativnih tehnologij visokotemperaturnih toplotnih črpalk, ki bi lahko v industriji in energetiki nadomestile neučinkovito kurjenje fosilnih goriv ter neposredno električno ogrevanje. S tem bi bistveno zmanjšali rabo energije, emisije in toplotno obremenjevanje okolja.

Toplota je srce energetskega problema: za ogrevanje in hlajenje uporabimo približno 50 % končne rabe energije, hkrati pa se približno 50 % končne rabe energije pretvori v odpadno toploto – toploto, ki jo danes pogosto preprosto zavržemo v okolje prek hladilnih stolpov, segrevanja rek ali morja in drugih izpustov. Raziskava pokaže, da lahko visokotemperaturne toplotne črpalke to odpadno toploto učinkovito zajamejo in jo nadgradijo na bistveno višje temperature, primerne za najzahtevnejše industrijske procese.

Današnje tržne rešitve visokotemperaturnih toplotnih črpalk so praviloma omejene na temperature približno do 250 °C, medtem ko številni industrijski procesi zahtevajo več –tudi do ali celo prek 1000 °C. Objavljena raziskava zato sistematično predstavi in primerja alternativne pristope, ki bi lahko omogočili preboj: kalorične, termoelektrične, termoakustične tehnologije ter mehanske procese na osnovi Stirlingovega in Braytonovega krožnega procesa.

Povezava: https://www.nature.com/articles/s41560-025-01908-4

The post Pojavljajoče se priložnosti za visokotemperaturne trdninske in plinske toplotne črpalke first appeared on Laboratorij za hlajenje in daljinsko energetiko.

Numerical study of macroscopic thermal diodes: influence of interface topography and contact resistance

admin — Mon, 13 Oct 2025 12:59:51 +0000

V LAHDE nadaljujemo z raziskovanjem trdninskih toplotnih diod – kompaktnih in povsem pasivnih naprav za napredno upravljanje s toploto.

Naš najnovejši članek »Numerical study of macroscopic thermal diodes: influence of interface topography and contact resistance« je pravkar izšel v reviji iScience (IF 4.1).

🔍 Ključne ugotovitve:
• Topografija stika med materiali nima velikega vpliva na rekrifikacijo, kadar je kontaktni toplotni upor zanemarljiv. Vendar lahko razširi temperaturno območje rektifikacije za do 10 K.
• Konstanten kontaktni toplotni upor običajno zmanjša rektifikacijo. Vendar pa lahko temperaturno odvisen kontaktni upor pri nizkih temperaturah znatno izboljša rektifikacijo. V enem primeru se je rektifikacijski faktor povečal od skoraj nič do ena.

Te ugotovitve črtajo nove smernice za optimizacijo trdninskih toplotnih diod in odpirajo možnosti za njihovo uporabo v praktičnih sistemih za upravljanje s toploto.

The post Numerical study of macroscopic thermal diodes: influence of interface topography and contact resistance first appeared on Laboratorij za hlajenje in daljinsko energetiko.

AI-Driven Monte Carlo Uncertainty Analysis of Curie Temperature Effects on Active Magnetic Regenerator Performance

admin — Mon, 06 Oct 2025 08:47:42 +0000

V članku AI-Driven Monte Carlo Uncertainty Analysis of Curie Temperature Effects on Active Magnetic Regenerator Performance, objavljenem v reviji International Journal of Refrigeration (IF = 3.8), smo raziskovalci Laboratorija za hlajenje in daljinsko energetiko ponovno preizkusili metodologijo preizkovanja vpliva statistične variacije Curie-jeve temperature na zmogljivost večslojnih magnetokaloričnih regeneratorjev, ki smo jo utemeljili v nedavni objavi [link]. Raziskavo smo izvedli v sodelovanju s kolegi iz brazilske Univerze v Santa Catarini, le da smo tokrat uporabili njihova numerična modela večslojnega aktivnega magnetnega regeneratorja (AMR) ter strojnega učenja. Poleg tega pa smo se, namesto na materiale drugega reda, osredotočili na magnetokalorične materiale LaFeSiH, ki so prvega reda in so še toliko bolj občutljivi na porazdelitev Curie-jevih temperatur.

Tudi v tej raziskavi se je izkazalo, da odstopanje Curie-jevih temperatur nad 1 K drastično zniža verjetnost doseganja načrtovanih hladilnih moči. Glede na trenutne tolerance, ki jih navajajo dobavitelji magnetokaloričnih materialov (standardni odklon med 1,5 in 2 K) ter verjetno število slojev AMR (med 10 in 15), bi morala biti hladilna moč naprave zasnovana za delovanje od 30 % do 80 % nad želeno vrednostjo, da bi zagotovili 90-95% verjetnost doseganja le-te. V realnosti bi to dosegli s predimenzioniranim magnetilnim sistemom in AMR-jem, kar bi drastično povečalo stroške izdelave.

Velikoserijska proizvodnja magnetnih hladilnikov je torej z obstoječimi LaFeSiH materiali neizvedljiva, saj bi standardi zagotavljanja kakovosti zahtevali bistveno nižje negotovosti Curie-jevih temperatur, kot jih proizvajalci trenutno zagotavljajo. Za uspešen prehod magnetokaloričnih naprav na trg se bodo morali proizvajalci magnetokaloričnih materialov torej nujno osredotočiti na zmanjšanje negotovosti Curiejevih temperatur v njihovih materialih.

Slika: a) Shematski prikaz večslojnega AMR in odstopanja Curiejeve temperature. Polne črte predstavljajo izvirne krivulje, črtkane črte pa tiste, dosežene v proizvodnem procesu; b) Vpliv negotovosti Curiejeve temperature na zmogljivost 10-slojnega AMR; c) Kumulativna porazdelitvena funkcija za 10-slojni AMR; d) Vpliv stopnje gotovosti na doseženo zmogljivost 10-slojnega AMR.

The post AI-Driven Monte Carlo Uncertainty Analysis of Curie Temperature Effects on Active Magnetic Regenerator Performance first appeared on Laboratorij za hlajenje in daljinsko energetiko.

Influence of Layering and Curie Temperature Uncertainty on the Performance of Magnetocaloric Regenerators

admin — Fri, 19 Sep 2025 14:38:11 +0000

V članku Influence of Layering and Curie Temperature Uncertainty on the Performance of Magnetocaloric Regenerators, objavljenem v prestižni reviji Advanced Functional Materials (IF = 19.0), smo raziskovalci Laboratorija za hlajenje in daljinsko energetiko predstavili vpliv statistične variacije Curiejeve temperature na zmogljivost večslojnih magnetokaloričnih regeneratorjev. Raziskavo smo izvedli v sodelovanju s kolegi iz Univerze v Santa Catarini (Brazilija) ter Danske Tehnične Univerze.

Magnetokalorična tehnologija velja za okoljsko sprejemljivo alternativo klasičnim parno-kompresijskim hladilnim sistemom, vendar se sooča z omejitvami, kot sta ozko temperaturno delovno območje magnetokaloričnih materialov (MCM) in odvisnost od redkih zemelj. Rešitev predstavlja uporaba več slojev MCM z različnimi Curiejevimi temperaturami, kar omogoča doseganje večjih temperaturnih razponov.

V raziskavi smo s pomočjo 1D numeričnega modela in uporabe nevronskih mrež analizirali vpliv negotovosti Curiejevih temperatur na delovanje večslojnih magnetokaloričnih regeneratorjev iz materiala La-Fe-Co-Si. Ugotovili smo, da povečanje števila slojev sicer izboljša hladilno moč, vendar hkrati tudi poveča občutljivost na variabilnost Curiejeve temperature. Že odstopanja nad 1 K lahko bistveno zmanjšajo zanesljivost doseganja načrtovanih hladilnih moči.

Raziskava poudarja pomen natančne kontrole magnetokaloričnih lastnosti pri izdelavi materialov in predstavlja pomemben korak k večji robustnosti in komercialni uveljavitvi magnetokaloričnih hladilnih naprav in toplotnih črpalk.

Slika: Verjetnost, da bodo Curiejeve temperature porazdeljene tako, da bo normalizirana hladilna moč enaka ali večja od 0.9, glede na standardni odklon in pri treh različnih temperaturnih razponih za različno število MCM slojev.

The post Influence of Layering and Curie Temperature Uncertainty on the Performance of Magnetocaloric Regenerators first appeared on Laboratorij za hlajenje in daljinsko energetiko.