【物理科普】夏天保命的空调，有望被弹性系统所取代

murillo

我们都知道，制冷是现代生活中不可或缺的一部分，从空调到食品保存，都离不开制冷技术。目前，所有的制冷技术都是基于蒸汽压缩循环的，它占据了全球能源消耗的约20%。然而，蒸汽压缩循环使用的制冷剂是一种超级污染的温室气体，它们的全球变暖潜能比二氧化碳高出几百到几千倍，而且它们的泄漏预计到2050年将占全球二氧化碳排放的11%以上。但目前还没有理想的替代制冷剂。
为了解决这个问题，一种可能的方案是使用热致冷技术，它是一种利用固体材料在外场作用下发生相变而产生温度变化的效应来实现制冷的技术。根据外场的不同，热致效应可以分为四种：电热致效应、磁热致效应、弹性热致效应和巴罗热致效应。这些效应都可以实现无氟制冷，并且具有高效率、低噪音、可靠性高等优点。然而，要将这些效应从实验室扩展到工业应用仍然面临着很多挑战，比如材料选择、循环设计、换热优化等。
最新发表在《科学》杂志上的论文中，作者介绍了一种基于弹性热致效应（ECE）的制冷系统，它可以克服上述挑战，并且达到了非常高的性能指标。ECE是指当某些形状记忆合金在机械应力作用下发生马氏体相变时，会产生温度变化的效应。这种效应最早在2013年被发现，并且在近年来得到了快速的发展。
ECE的优点是具有高的热致系数、低的循环疲劳、低的成本和易于加工等。作者使用了一种镍钛合金作为ECE材料，它是一种最常用的形状记忆合金，具有很好的机械和热性能。作者将镍钛合金制成了一种管束结构，可以实现高效的换热和压缩。作者还设计了一种多模式的换热结构，可以根据不同的需求切换不同的循环模式，从而实现高制冷功率或者大温差。下面，我将详细介绍这种系统的工作原理和性能特点。
系统原理
首先，我们来看看ECE材料的工作原理。当镍钛合金受到机械应力时，它会从奥氏体相变为马氏体相，这个过程中会吸收周围的热量，使材料温度降低，这就是ECE的冷却阶段。当机械应力释放时，它会从马氏体相变回奥氏体相，这个过程中会释放出热量，使材料温度升高，这就是ECE的加热阶段。通过对镍钛合金进行周期性的压缩和释放，就可以实现制冷循环。
为了提高制冷效率和性能，作者将镍钛合金制成了一种管束结构，每个管束由多根直径为1.5毫米、长度为100毫米的镍钛管组成。这样做的好处是可以增加表面积和换热系数，同时减少压缩力和应变。作者使用了一种液压驱动系统来对管束进行压缩和释放，可以实现高速、稳定和可控的循环。

作者还使用了一种多模式的换热结构，可以根据不同的需求切换不同的循环模式。具体来说，有两种模式：主动再生模式和最大利用模式。在主动再生模式模式下，每个管束都有一个专用的换热器，在冷却阶段将热量传递给一个储热罐，在加热阶段从储热罐吸收热量。这样可以实现大温差和高效率，但制冷功率较低。在最大利用模式模式下，所有的管束共享一个换热器，在冷却阶段将热量传递给一个冷端，在加热阶段从一个热端吸收热量。这样可以实现高制冷功率和高利用率，但温差较小。通过改变换热器之间的阀门开关状态，就可以在两种模式之间切换。
系统性能
作者对这种系统进行了详细的测试和分析，结果表明，这种系统具有非常高的性能指标。在主动再生模式模式下，系统可以达到22.5开尔文的最大温差，并且保持了较高的制冷效率。在最大利用模式模式下，系统可以达到260瓦的最大制冷功率，并且保持了较高的利用率。这些数值都是目前为止任何热致冷系统中最高的。
作者还对系统的稳定性和可靠性进行了测试，结果表明，系统可以在长时间的循环中保持稳定的性能，没有出现明显的疲劳或退化现象。系统在1000次循环后的，温度变化幅度和周期性都没有发生变化。
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