來(lái)源 | Science,西安交通大學(xué)
01
背景介紹
從空調(diào)到食品保鮮,制冷是現(xiàn)代生活中無(wú)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(jí)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(méi)有理想的低GWP制冷劑替代品,需要在環(huán)境影響和安全問(wèn)題(例如易燃性)之間進(jìn)行權(quán)衡。
在零GWP、不易燃和無(wú)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(shì)。
目前,全世界有20余臺(tái)公開報(bào)道的彈熱制冷機(jī),它們主要采用單級(jí)循環(huán)和主動(dòng)回?zé)嵫h(huán)兩種技術(shù)路線:?jiǎn)渭?jí)循環(huán)在低制冷溫差條件下效率高、制冷量大,但無(wú)法獲得高制冷溫差;主動(dòng)回?zé)嵫h(huán)是獲得高制冷溫差的主要途徑,但代價(jià)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(guó)馬里蘭大學(xué)Ichiro Takeuchi教授等研究者,使用4組管內(nèi)流動(dòng)、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(guò)傳熱流體管網(wǎng)流路的切換,可以充分發(fā)揮單級(jí)循環(huán)和主動(dòng)回?zé)嵫h(huán)兩種技術(shù)路徑的優(yōu)勢(shì)。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(jí)原型中捕捉主動(dòng)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(dòng)回?zé)崮J降拇鬁乜缍龋▓D1A)和單級(jí)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(jì)彈熱材料的場(chǎng)驅(qū)動(dòng)和循環(huán)壽命時(shí),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(wàn)次循環(huán),即每天12小時(shí)和每年180天的使用模式下,0.1 Hz運(yùn)行和1000萬(wàn)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(jí)循環(huán)8 K的制冷溫差和僅運(yùn)行主動(dòng)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(dòng)方向的溫度梯度,而最佳利用因子反映了兩者之間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。
主動(dòng)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(jí)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(shí)保持高效率。在此基礎(chǔ)上,可以通過(guò)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(bào)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(jí)聯(lián)多個(gè)NiTi管束,從而實(shí)現(xiàn)模式的變化。如在主動(dòng)回?zé)嵫h(huán)模式或單級(jí)循環(huán)模式下級(jí)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(guò)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(dòng)器實(shí)現(xiàn)更高效的系統(tǒng)運(yùn)行。
END
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