弹热制冷：一种新型固态制冷技术

在制冷空调新技术会议上，钱苏昕教授介绍了近些年最新发展起来的一种被称作弹热制冷的固态制冷技术。在报告中，钱教授首先重点介绍了弹热制冷的基本特点，包括材料层面的弹热效应到系统层面其工作原理，其次介绍了目前该技术的发展现状，最后钱教授结合自己在该领域数年的经验谈了一些自己对该技术未来发展的思考。以下是钱教授的演讲内容：

为什么人们会对弹热制冷技术感兴趣呢？我们都熟悉蒸气压缩制冷系统中制冷剂的发展历史，早期的制冷剂主要是天然工质，上个世纪初人们发现了CFC类制冷剂，具有出众的热力性能、无毒性、不可燃，被广泛应用与空调、制冷设备中，然而，CFC及其替代HCFC类制冷剂都导致了臭氧层危机，均已被蒙特利尔协定限制使用。目前的HFC类制冷剂虽然没有臭氧破坏效应，但却有非常高的温室气体效应，NASA的一项最新研究表明HFC也具有一定的臭氧破坏效应。因此，人们开始立法逐步削减HFC类制冷剂的使用，发达国家已同意2036年削减85%的HFC类制冷剂，因此在未来的二十年，绝大部分的空调、制冷设备中的制冷剂都需要替代产品，这可能是HFO或其混合物，也有可能是天然工质，如R290，但这些替代产品都有各自的局限性，是目前蒸气压缩制冷技术面临的主要挑战。

这些非蒸气压缩制冷技术可以分为几大类，我们今天介绍的弹热制冷技术属于固态制冷技术的范畴，与它类似的大家更熟悉的技术就是磁热制冷，我国的海尔公司、美国宇航公司和欧洲CoolTech公司均已有商业化的磁制冷产品。弹热制冷是近几年发展起来的新技术，下面我们就开始介绍该技术的基本原理。

弹热制冷对应了其英文名词的构词，顾名思义，就是基于弹性势能和热能之间热、功转化带来的制冷效应。自上个世纪以来，人们在多种形状记忆合金中发现，施加外力可导致材料温度显著的变化，具有热效应。基于大量的实验观测结果，英国布里斯托大学首次提出利用该热效应的热力学制冷循环。经过一系列的研究和尝试，美国马里兰大学在2015年发布了世界上首台利用记忆合金弹热效应的制冷机。值得一提的是，在记忆合金中观测到的温度变化可以超过20K，远大于在磁热材料中观测到的温度变化。

刚才提到了弹热效应，它和我们熟悉的气液相变非常类似。在气-液两相系统中，当我们使用压缩机对气体施加压力高于其饱和压力时，气体工质会冷凝相变为液体，同时释放潜热；类似的，在我们刚才提到的形状记忆合金中，存在有两种固态，一种马氏体态，一种奥氏体态，当我们对奥氏体施加超过其相变应力的外力时，奥氏体相变转化为马氏体，同时释放潜热，使其自身温度升高；当我们撤掉力时，马氏体重新变回奥氏体，逆向相变吸热，对应了制冷过程，这就是弹热制冷效应。在实验室，我们可以通过对样本的轴向加载外力，观测到材料自身的温度变化delta T。

刚才提到了记忆合金中存在两个固态的相，我们可以从相图中更清晰的看到。左图是工程热物理课本上的p-V-T图，我们传统的气-液制冷利用的就是压缩气体冷凝排热，提供低压驱动液体蒸发制冷。普通材料的固相就是一个曲面，在记忆合金中固态相更复杂，还有额外两个两相界面，分别可以在上面画出施加应力排热的过程，和去除应力吸热的过程。有两个两相界面的本质原因是相变过程的不可逆因素，在同一温度下需要更大的应力驱动相变和更小的应力回复初始相，这样的相变回滞，反映为等温线和两相区的分离，是弹热制冷技术和传统蒸气压缩制冷最本质的区别之一。

具有两相相变滞后特性的记忆合金就是弹热制冷系统中的固态制冷剂，类似于评价常规制冷剂，在工程角度对记忆合金也需要综合评价其性能，包括决定材料单位质量或体积制冷能力的能量密度，材料COP，反映材料可持续利用时间的寿命，驱动场强大小则决定了驱动材料装置的大小和系统设计复杂程度，造价最终决定了该技术是否能被市场快速接受。可以看出，相比其它固态制冷技术，弹热材料最显著的优点就是较高的能量密度和低廉的造价，在寿命上还需提高。

有了固态制冷剂仅仅是实现制冷机的第一步，系统中最重要的部件是驱动装置，驱动装置的功能类似蒸汽压缩制冷系统中的压缩机。我们都知道描述热工设备的核心就是热力学第一定律的方程。P-v示功图是我们都理解的描述气体压缩过程耗功大小的方法，针对记忆合金，具有相同量纲的应力-应变图也可用于描述驱动记忆合金耗功量大小。当耗功量接近的时候，我们可以比较两种制冷技术的广义位移（即比容变化和材料形变），两者相差50倍，带来的结果就是气体压缩机普遍压力较低，记忆合金压力较高。因此，弹热制冷需要开发具有小位移、大压力特性的“压缩机”，这是弹热制冷技术与蒸气压缩制冷技术的第二点本质区别。

在能实现驱动制冷剂相变后，最重要的一环是如何将热量、冷量从固态工质带到需要制冷、制热的地方，这就涉及了热力学循环和系统的流程设计。上面三个图是一个运行单级制冷循环的传热流体网络示意图，其中有两组记忆合金，以保证系统实现不间断供冷。循环开始，第一组记忆合金被施加外力相变释放潜热，温度上升，第二组记忆合金被卸载，吸收潜热，温度下降。接下来使用两路可控传热流体，红色的环路冷却第一组记忆合金，将热量由热汇释放，类似于空调器的室外冷凝器，蓝色环路将冷量带至需要制冷的空间，同时加热记忆合金。之后我们可以进一步利用两组记忆合金剩余的温差来驱动一个回热过程，以达到进一步预冷第一组记忆合金，预热第二组记忆合金的目的，回热可以有效提高系统温差，提升系统COP。总而言之，由于采用了固态工质，我们需要设计满足以上功能的热交换流体网络以实现设计的热力学循环，这是和传统使用制冷剂本身直接传热的主要不同。

通过我们上面的介绍，一个弹热制冷系统应该具有“三大件”：具有两相分离回滞特性的固态记忆合金，具有“大压力，小位移”特性的驱动装置，可控的包含热源换热器和热汇换热器的热交换流体网络。除此之外，还应具有回热设计，回收功设计，以及系统中的其它配件。这样我们就介绍完了弹热制冷技术的基本工作原理及其主要特点。

在介绍完了弹热制冷的基本原理后，接下来我们通过两个例子讲弹热制冷技术的发展现状。第一个例子是我自己参与的美国能源部的项目，设计并搭建测试了世界上首个弹热制冷原型机。我们采用的是压缩记忆合金管材的技术路线，管材的好处是可以让热交换流体在管内流动换热，我们的设计是轴向压缩驱动管材相变，因此还要通过增加外围约束解决管材压曲变形的问题，设计了可均匀布液的装置，通过线性轴承实现高精度定位以减小系统内摩擦，为了测试方便，热交换流体网络中使用了管翅式热汇和电加热热源，系统由机械装置驱动。

我们有两组记忆合金床，机械驱动装置可前后移动分别加载、卸载这两组记忆合金，下面的照片是实机图片，长度约为两米。

为了验证前面提到的热力学循环设计是否可以工作，我们在系统中进行了对比试验。首先关闭了驱动装置，只按设计周期性的开启、关闭阀门和水泵，观测热汇、热源两侧水温变化规律，发现它们温度基本一致；之后开启驱动装置，那么按照我们的设计，每个周期记忆合金向热汇排热，导致热汇温度升高，从热源吸热，导致热源温度降低，产生了可观测的系统温差，证明了我们制冷系统的设计是成功的。

在正常运行时，系统会进入周期性稳态阶段，可以看到，每个周期内初始的温度跃变是由于绝热加载、卸载相变导致的，其次是传热和回热环节。对比试验与模拟结果，两者趋势基本相同，可以认为动态模型较好地反映了实际的热物理过程。

我们还进行了一系列的改进测试。首先分析寻找可能导致系统内部摩擦的地方并通过调整校直等方法减小摩擦损耗，其次引入塑料导管，达到减小布液器内的流体传热损耗，第三点，使用变速箱进一步增大驱动电机的输出扭矩，以加载更多的记忆合金提高系统制冷量，最后，通过减小管内的流体滞留质量，减小无用的流体热质量导致的系统损耗。

进一步地，我们分析了传热流体网络的损耗。通过对比在热源侧和记忆合金侧测量得到的平均功率，热源就是我们之前提到的实际提供制冷的换热器，类似空调的室内换热器，我们可以发现在多种工况下，在热源侧得到的制冷量总比从记忆合金带走的制冷量低10~20W，进一步地定量分析表明，水泵的产热约为12W，布液器与记忆合金的导热约占8W，还有一部分热量通过管路耗散到空气中。

总结一下，马里兰大学的原型机实现了4.7K的系统温差，以及65W的最大制冷量。在考虑上面提到的20W传热流体网络损耗后，可以估计出85W的制冷量和6.1K的系统温差。

第二个例子是德国KIT设计的小型展示机。采用了固-固接触换热的设计，无任何传热流体，驱动电机负责周期性的移动记忆合金，驱动其形状变化-也就是发生了相变。在上面的单个SMA设计中，当记忆合金变形时，正向相变放热，热量传递给固态热汇，恢复原始形状时吸热，对固态热源制冷。在对偶SMA设计中，当记忆合金变形时，热量被传递给空气，变回原始形状时从两侧的固态热源中吸热制冷。

使用红外照相机的测试结果表明，在采用单个SMA设计时，系统可实现7.3K的最大温差，然而，当采用对偶SMA设计时，系统并未测得任何有效的系统温差，这主要是由于金属与空气间的换热量十分有限，在操作频率为0.66Hz时，排热根本无法散到空气中，因此仍然高温的记忆合金在卸载时无法达到有效的制冷温度，导致该种设计无法成功运行。

我们刚才只是介绍了两个例子，目前，美国、德国、丹麦多个研究机构参与了政府出资的关于弹热制冷机的研究项目，这里没有列出的还有更多材料层面的研究项目。总的来看，由于该技术目前仍然处于起步阶段，资金来源主要还是各国政府。

接下来我们简要介绍弹热制冷技术未来的发展。之前的介绍我们主要关注的是系统温差大小，从产品角度考虑，需要满足制冷量、温差、COP三方面的要求。从长远来看，系统效率COP必须达到和蒸气压缩技术相似甚至更高才有应用价值，因此下面主要从COP角度来做分析。

我们提出了使用热力完善度，也就是COP和卡诺循环COP比值作为评价系统性能的指标，并用损耗分拆图来分析今后提升弹热制冷系统性能的方向。在这张图中，我们可以得到每一项损耗占的比例，以导引我们从哪一项入手加以改进。

根据损耗分析结果可以看出，要想提高系统的COP,弹热制冷技术需要解决的主要问题为减小材料的不可逆损耗，减小绝热加载损耗，减小传热、交变损耗。当然，对系统的结构设计进行优化也是提高系统COP的主要途径之一。

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