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制冷技术的应用已经渗透到人类社会生产生活的方方面面,目前占据传统制冷模式主流的仍然是以压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器为主要结构的压缩气体工质制冷模式。该模式存在制冷效率低下和制冷工质对环境有害两个明显缺陷,不符合现代科技社会的节能和环保趋势。
电卡效应制冷是一种利用铁电材料的电卡效应的新型制冷方式,其原理为对电卡材料施加电场,材料温度上升;撤去电场,则材料温度下降。电卡效应制冷具有制冷效率高、无环境污染、易于小型化、稳定可靠等特点,具备取代蒸汽压缩式制冷的潜力。
由于早期电卡材料的绝热温变数值较低,严重制约了电卡制冷技术的应用发展。随着近年来宾夕法尼亚大学的章启明教授领导的课题组发现高聚物聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)材料的电场热效应温变接近20K,引发了对电卡材料研究的新一轮热潮。此重大突破为电卡效应的研究开启了新的篇章,为电卡效应制冷的实际应用奠定了基础。
与电卡材料的研究形成对比的是,学术界对电卡效应制冷系统结构的研究仍处于起始阶段,因而对新型电卡制冷模型的研究以跟进电卡材料的研究进展,促进电卡制冷的实际应用是非常有必要的。
本文中作者基于章启明教授发现的高温变电卡材料,设计了一种基于热开关传热的新型电卡效应制冷模型,该模型由电卡材料与热开关交替平行排列构成。热开关要求通状态的热导远大于断状态的热导,由外部控制热开关的通断以实现热量的单向传递,热开关的应用可以有效加强传热效率及速度。相邻的电卡材料在制冷半周期内处于相反的电场状态-极化/非极化,以产生温度差进行传热,每半周期状态交换,实现热量由冷端向热端的传递。
作者通过数值模拟计算了该模型的制冷性能表现,计算结果在制冷效率和制冷功率方面均表现出对蒸汽压缩式制冷的巨大优势。
同时,作者还计算了该电卡制冷模型的制冷性能表现对系统设定参数的响应情况,得出了相应的结果并进行了理论分析。涉及到的参数包括制冷系统的温跨、电卡材料的温变性能及数量、热开关的热导,计算结果表明系统的制冷性能与上述参数均有密切关系并呈现规律性变化,相关结论可应用于实际应用中的设计优化。
最后,作者提出了一种可应用于文中制冷模型的机械式热开关结构,热开关使用液态金属作为传热媒介,利用液态金属的表面张力维持接触,初步实验证明了其可行性。
电卡效应制冷是一种利用铁电材料的电卡效应的新型制冷方式,其原理为对电卡材料施加电场,材料温度上升;撤去电场,则材料温度下降。电卡效应制冷具有制冷效率高、无环境污染、易于小型化、稳定可靠等特点,具备取代蒸汽压缩式制冷的潜力。
由于早期电卡材料的绝热温变数值较低,严重制约了电卡制冷技术的应用发展。随着近年来宾夕法尼亚大学的章启明教授领导的课题组发现高聚物聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)材料的电场热效应温变接近20K,引发了对电卡材料研究的新一轮热潮。此重大突破为电卡效应的研究开启了新的篇章,为电卡效应制冷的实际应用奠定了基础。
与电卡材料的研究形成对比的是,学术界对电卡效应制冷系统结构的研究仍处于起始阶段,因而对新型电卡制冷模型的研究以跟进电卡材料的研究进展,促进电卡制冷的实际应用是非常有必要的。
本文中作者基于章启明教授发现的高温变电卡材料,设计了一种基于热开关传热的新型电卡效应制冷模型,该模型由电卡材料与热开关交替平行排列构成。热开关要求通状态的热导远大于断状态的热导,由外部控制热开关的通断以实现热量的单向传递,热开关的应用可以有效加强传热效率及速度。相邻的电卡材料在制冷半周期内处于相反的电场状态-极化/非极化,以产生温度差进行传热,每半周期状态交换,实现热量由冷端向热端的传递。
作者通过数值模拟计算了该模型的制冷性能表现,计算结果在制冷效率和制冷功率方面均表现出对蒸汽压缩式制冷的巨大优势。
同时,作者还计算了该电卡制冷模型的制冷性能表现对系统设定参数的响应情况,得出了相应的结果并进行了理论分析。涉及到的参数包括制冷系统的温跨、电卡材料的温变性能及数量、热开关的热导,计算结果表明系统的制冷性能与上述参数均有密切关系并呈现规律性变化,相关结论可应用于实际应用中的设计优化。
最后,作者提出了一种可应用于文中制冷模型的机械式热开关结构,热开关使用液态金属作为传热媒介,利用液态金属的表面张力维持接触,初步实验证明了其可行性。