《單級彈熱製冷循環性能最佳化研究》是依託西安交通大學，由錢蘇昕擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：單級彈熱製冷循環性能最佳化研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：錢蘇昕
- 依託單位：西安交通大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
彈熱製冷是基於記憶合金馬氏體相變的新型固態製冷技術。相比目前廣受重視的磁熱及熱電材料，以鎳鈦合金為代表的記憶合金的單位質量製冷量可達其數倍，且材料研發更為成熟，使得彈熱製冷技術具有良好的套用前景。目前彈熱製冷的基本原理已經明確，已有可實現5K系統溫升的原型機，相比超過20K的理論溫升，系統性能仍有巨大的提升空間。本項目擬從循環流程設計、材料性能的綜合篩選、減小系統傳熱及交變損耗三方面展開理論分析與實驗研究。分析記憶合金相變及傳熱相耦合的物理過程，得到彈熱製冷系統的理論極限運行頻率的解析表達式；從動態特性角度重新審視記憶合金的評價方法，完善目前以相變潛熱等靜態參數為主的評價體系，找到綜合性能最優的材料；建立研究彈熱製冷系統運行規律的動態模型，探尋制約彈熱製冷系統性能提升最關鍵的參數或條件，明確增大系統性能的方向；在此基礎上提出切實可行的系統集成設計方案，為下一代彈熱製冷原型機的研發奠定基礎。
結題摘要
彈熱製冷是基於記憶合金馬氏體相變過程的潛熱製冷的新型固態製冷技術，具有高能量密度、低噪聲、可用於回收動能或低品位熱能等突出優勢，在17項非蒸氣壓縮製冷技術中被美國能源部評定為最具潛力。現有彈熱製冷裝置的製冷溫差尚不能達到製冷產品的需求，究其原因，減小彈熱工質在相變潛熱釋放的同時涉及交變流動傳熱，減小該部分損耗是提升系統製冷溫差的關鍵。基於上述背景，本項目開展了以下三部分研究工作：（1）通過理論分析建立了描述耦合相變與傳熱的彈熱工質在交變流動條件下的規律：提出了描述傳熱速率與相變釋放速率比值的相似準則數Φ，揭示了彈熱工質在耦合相變與傳熱過程的溫度變化與相似準則數Φ的關係，理論推導出彈熱工質理論運行周期的表達式，在此基礎上進一步發現了彈熱工質在交變流動傳熱過程中傳熱係數的時域相關性，提出了對流傳熱係數與雷諾數、普朗特數、交變雷諾數的新關聯式（2）通過數值仿真系統性地描述了彈熱工質涉及的六種損耗並提出了最佳化方向：基於相變動力學理論，建立了彈熱工質及彈熱製冷系統的動態仿真模型，通過實驗測試了鎳鈦合金管在不同溫度下的應力-應變特性和出口水溫變化特性，驗證了模型精度（±10%），仿真結果表明彈熱工質長度、水力直徑、流體置換量是制約彈熱製冷系統溫差的三個最主要參數，最佳化後彈熱製冷系統溫差可達70K。上述參數中流體置換量最為重要，反映了流體儲熱損失和系統回熱損失的平衡關係，該參數與系統製冷溫差和循環頻率均相關。在極端工況下，工質的相變溫度和驅動器驅動力會成為限制系統溫差的因素。（3）以減小損耗為目標提出了兩種新型彈熱製冷系統集成方式：熱驅動型彈熱製冷系統集成方式使用了形狀記憶合金熱機替代機械驅動器，可將驅動器與製冷劑的質量配比從500:1減小至10:1，是未來彈熱製冷系統緊湊化的一個發展方向。固-固傳熱單電機驅動的集成方式可以充分利用載入相變階段固-固接觸高散熱熱流密度的特性，實驗結果表明該方案製冷溫差可達8K。
