我国学者与海外合作者在弹热制冷系统研究方面取得进展
|
图 多模式弹热制冷系统的：（A）主动回热循环模式；（B）单级循环模式；（C）多模式运行；（D）制冷性能图谱
在国家自然科学基金项目（批准号：51976149、51721004）等资助下，西安交通大学能源与动力学院钱苏昕副教授与马里兰大学竹内一郎教授团队合作，在弹热制冷系统研究方面取得进展。相关成果以“高性能多模式弹热制冷系统（High-performance multimode elastocaloric cooling system）”为题，于2023年5月19日发表在《科学》（Science）杂志上，论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg7043。
据统计，制冷行业的碳排放占全球总碳排放的7.8%，因高GWP（温室效应指数）制冷剂泄露至大气产生的直接碳排放约占其中的20%。具有零GWP特性的弹热制冷为实现制冷行业的双碳目标提供了新的技术途径。弹热制冷是利用形状记忆合金在单轴应力作用下发生可逆相变，并使用该相变潜热制冷的新型固态制冷技术，具有高体积能量密度、理论效率高、易于回收利用等突出优势。自2014年首次面世以来，弹热制冷机主要采用单级循环和主动回热循环两种技术路线：单级循环在低制冷温差条件下效率高、制冷量大，但无法获得高制冷温差；主动回热循环是获得高制冷温差的主要途径，但代价是受限的效率和制冷量。如何同时高效获得高制冷温差和大制冷量，是弹热制冷技术走向产业化必须要解决的关键问题。
为此，该研究团队提出了多模式弹热制冷的新流程，通过传热流体管网流路的切换，实现单级循环和主动回热循环两种模式的切换（图A、B），扩大了最佳利用因子的范围：主动回热循环需要更多的弹热效应维持温度梯度，最佳利用因子在0.6左右；单级循环可将大部分弹热效应用于制冷，最佳利用因子大于6（图C）。通过拓展最佳利用因子的范围，该制冷机实现了22.5 K的最大制冷温差和260 W的最大制冷量，相比仅运行单级循环8 K的制冷温差和仅运行主动回热循环不足30 W的制冷量取得了显著的提升（图D），保证了弹热制冷机在大范围工况变化时可保持高效运行。
本文是《科学》（Science）杂志首次刊登的关于弹热制冷机的论文。多模式弹热制冷机的新型循环流程及系统架构可为弹热制冷及其它固态相变制冷（caloric cooling）领域的研究提供新的思路，有望推进固态相变制冷技术的产业化应用进程。
