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林尚超课题组在基于庞压卡相变塑晶的大规模固态冷却技术上取得突破

发布时间:2024-06-14

近日,工程热物理研究所林尚超课题组在Cell Press旗下Cell Reports Physical Science上发表题为“Highly efficient mechanocaloric cooling using colossal barocaloric plastic crystals”的论文,利用低成本的压卡相变塑料晶体材料新戊二醇,设计并搭建了国内首台近室温的压卡冷却循环测试原型样机,为实现大规模清洁绿色制冷技术提供了新的解决思路。工程热物理研究所博士研究生千坤和林尚超副教授为论文共同第一作者,林尚超副教授、赵长颖教授和中国科学院金属研究所李昺研究员为共同通讯作者。

 

 

 

国际制冷协会统计数据表明各种制冷应用消耗全球20%-30%的电力资源,并且目前主流的蒸汽压缩制冷技术所使用制冷剂的全球变暖潜能值是二氧化碳的140-23500倍。绿色环保的固态相变制冷材料有望取代传统制冷材料,特别是近年来研究人员陆续在塑料晶体、正构烷烃等材料中发现的近室温的庞压卡材料,其等温熵变可达到350-700 J kg−1 K−1,接近或部分超过了目前已经商用的气态制冷剂,为实现大规模室温的清洁绿色制冷技术提供了新的解决思路。但目前针对庞压卡材料的研究集中在材料的压卡性能表征方面,在大规模应用样机层面还处于空白状态。

 

压卡冷却样机装置及测试结果

 

论文构建并分析了以压卡材料为制冷剂的逆向斯特林冷却循环和逆向布雷顿冷却循环,对两个循环进行了热力学分析,搭建了测试压卡材料压卡效应的样机,经测试,新戊二醇在314 K的初始条件下,从常压加压至231 MPa过程中,可实现最高20.8 K的近似绝热温变;在331 K的初始条件下,从231 MPa释压至常压,可实现最低−17.8 K的近似绝热温变,并且通过多次的“加压-释压”循环,证明了材料压卡效应的可逆性和稳定性。论文进一步设计并搭建了以新戊二醇为制冷工质、循环水为换热介质的压卡冷却样机,通过压强驱动(压强下限:常压,压强上限:140 MPa),观测到换热盘管进出口水流温降最高可达到3.8 K,最大制冷功率6.67 W,单次循环的制冷量超过900 J。

 

新戊二醇理论等温熵变及冷却循环效能系数

 

论文通过分子动力学仿真对新戊二醇固态相变的热力学参数及理论冷却循环的效能系数进行计算。在压强驱动下(350 MPa变换之0.1 MPa),新戊二醇在大约320 K的条件下,可实现最高380 J kg−1 K−1的理论等温熵变和42 K的理论绝热温变,其中构型熵达到345 J kg−1 K−1,占到总熵变的约90%。在5 K的温度跨度条件下,逆向斯特林冷却循环和逆向布雷顿冷却循环的理论效能系数最大可达到14和7.5。本研究首次提出了塑料晶体的大规模使用场景中的压卡冷却效应,对未来新型清洁绿色固态制冷技术的大规模应用具有重要的技术价值。

 

林尚超课题组致力于热电转换、储能材料、能源材料力-热-光-电耦合效应研究,近年来作为一作或通讯作者在Nature Communications、Science Advances、Advanced Functional Materials等国际期刊发表了一系列研究性论文。该研究工作受到国家自然科学基金面上项目、国家特聘青年专家项目、中国科学院前沿科学重点研究计划和国家科学技术部的资助。

 

论文链接:https://www.cell.com/cell-reports-physical-science/pdf/S2666-3864(24)00241-8.pdf

供稿:工程热物理研究所    
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