高性能多模彈熱制冷系統(tǒng)

來源 | Science，西安交通大學(xué)

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背景介紹

從空調(diào)到食品保鮮，制冷是現(xiàn)代生活中無處不在且不可或缺的一部分。蒸汽壓縮循環(huán)主導(dǎo)著所有冷卻技術(shù)，占全球能源消耗的20%左右。在蒸汽壓縮系統(tǒng)中用作制冷劑的氫氟碳化物是超級污染的溫室氣體——它們的全球變暖潛能值(GWP)是CO2的數(shù)百到數(shù)千倍，但目前沒有理想的低GWP制冷劑替代品，需要在環(huán)境影響和安全問題（例如易燃性）之間進(jìn)行權(quán)衡。

在零GWP、不易燃和無毒的蒸汽壓縮替代品中，熱量冷卻（和加熱）是潛在的領(lǐng)跑者。其中彈熱制冷是利用形狀記憶合金在單軸應(yīng)力作用下發(fā)生可逆相變，并利用該相變潛熱制冷的新型固態(tài)制冷技術(shù)。與傳統(tǒng)蒸氣壓縮制冷相比，彈熱制冷具有零溫室氣體排放、高體積能量密度、易于回收利用等突出優(yōu)勢。

目前，全世界有20余臺公開報道的彈熱制冷機(jī)，它們主要采用單級循環(huán)和主動回?zé)嵫h(huán)兩種技術(shù)路線：單級循環(huán)在低制冷溫差條件下效率高、制冷量大，但無法獲得高制冷溫差；主動回?zé)嵫h(huán)是獲得高制冷溫差的主要途徑，但代價是受限的效率和制冷量。

02

成果掠影

西安交通大學(xué)錢蘇昕副教授和美國馬里蘭大學(xué)Ichiro Takeuchi教授等研究者，使用4組管內(nèi)流動、軸向加載的抗疲勞彈性鎳鈦合金管（NiTi）管束，研制的多模式彈熱制冷機(jī)實(shí)現(xiàn)了22.5 K的最大制冷溫差和 260 W的最大制冷量。通過傳熱流體管網(wǎng)流路的切換，可以充分發(fā)揮單級循環(huán)和主動回?zé)嵫h(huán)兩種技術(shù)路徑的優(yōu)勢。本文的研究有望推進(jìn)彈熱制冷及其它固態(tài)相變制冷（caloric cooling）技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程。研究成果以“High-performance multimode elastocaloric cooling system”為題發(fā)表于《Science》。

03

圖文導(dǎo)讀

圖1. 多模彈熱制冷機(jī)的工作原理圖、核心部件及實(shí)物圖。

為了在單級原型中捕捉主動再生循環(huán)和大利用率操作的最佳性能，研究人員開發(fā)了一種多模式彈性冷卻系統(tǒng)，利用主動回?zé)崮Ｊ降拇鬁乜缍龋▓D1A）和單級循環(huán)模式的高效冷卻（圖1B）。

彈性材料的理想幾何形狀不僅在循環(huán)壓縮下表現(xiàn)出強(qiáng)大的機(jī)械完整性，還有利于材料與傳熱流體（蒸餾水）之間的熱交換。在設(shè)計彈熱材料的場驅(qū)動和循環(huán)壽命時，需要考慮與彈熱材料相變相關(guān)的偏應(yīng)力狀態(tài)。彈熱材料在壓縮模式下可承受大于1000萬次循環(huán)，即每天12小時和每年180天的使用模式下，0.1 Hz運(yùn)行和1000萬次循環(huán)相當(dāng)于12.8年，超出了商用電器的標(biāo)準(zhǔn)使用壽命。

圖2. 多模彈性高熱量制冷系統(tǒng)的性能。

相比僅運(yùn)行單級循環(huán)8 K的制冷溫差和僅運(yùn)行主動回?zé)嵫h(huán)不足30 W的制冷量取得了顯著的提升。研究表明，利用因子決定了管束工質(zhì)中彈熱效應(yīng)兩種釋放途徑的比例，其中一部分彈熱效應(yīng)可被傳熱流體帶走用于制冷，而另一部分彈熱效應(yīng)需要留在管束工質(zhì)內(nèi)部，用于維持工質(zhì)在傳熱流體流動方向的溫度梯度，而最佳利用因子反映了兩者之間的競爭關(guān)系。

主動回?zé)嵫h(huán)需要更多的彈熱效應(yīng)維持溫度梯度，最佳利用因子在0.6左右；單級循環(huán)可將大部分彈熱效應(yīng)用于制冷，最佳利用因子大于6。多模式彈熱制冷機(jī)可顯著拓展最佳利用因子的范圍，使其可在大范圍工況變化時保持高效率。在此基礎(chǔ)上，可以通過調(diào)節(jié)管狀彈熱工質(zhì)內(nèi)插組件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，優(yōu)化管狀彈熱工質(zhì)內(nèi)固、液相的熱容比，有望實(shí)現(xiàn)40 K以上的制冷溫差和500 W的制冷量。

圖3. 已報道的彈熱、磁熱和電熱冷卻原型的比較及其性能。

多模彈性制冷概念也可以擴(kuò)展到級聯(lián)多個NiTi管束，從而實(shí)現(xiàn)模式的變化。如在主動回?zé)嵫h(huán)模式或單級循環(huán)模式下級聯(lián)兩束有望填補(bǔ)圖2A中的性能差距，并可以實(shí)現(xiàn)兩種模式之間的平滑過渡。因此，多功能性是這種零GWP技術(shù)成功商業(yè)化的關(guān)鍵；此外，希望能夠?qū)崿F(xiàn)銅基彈熱材料，其需要的應(yīng)力比NiTi小得多，從而能夠以更小的致動器實(shí)現(xiàn)更高效的系統(tǒng)運(yùn)行。

END

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