CN111141060B - 一种基于弹热效应的制冷方法及制冷系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于弹热效应的制冷方法及制冷系统,旨在提供一种无污染、可靠性高的适用于室温制冷的制冷方法及制冷系统。该方法为:对弹性体施加拉应力使弹性体产生应变,至弹性体产生最大应变处,弹性体在拉伸过程中温度升高产生热量;引入热汇流体与弹性体进行热交换,通过热汇流体带走弹性体产生的热量,同时,弹性体降至室温;对弹性体施加压应力,弹性体释放应变,在释放应变过程中产生冷量;引入热源流体与弹性体进行热交换,通过热源流体带走冷量;当弹性体温度升高至环境温度,循环重复上述步骤实现制冷过程。本发明的方法环保无污染,可靠性高,制冷效率高,使用寿命长,满足可持续发展的要求。
Description
技术领域
本发明涉及制冷技术领域,更具体的说,是涉及一种基于弹热效应的制冷方法及制冷系统。
背景技术
随着人们对传统蒸汽压缩制冷技术使用的传统制冷剂产生的有害气体使全球变暖,并且对臭氧层破坏严重的认识,资源节约和环境保护得到了广泛的重视,在可持续发展的基础上,传统蒸汽压缩制冷系统所面临的挑战,尤其是制冷剂的替代问题,日益突出,丞待解决。
除了寻找替代制冷剂之外,利用基于固态材料热效应的新型制冷技术也是解决目前问题的方法之一。这些热效应主要包括磁热效应、电热效应、压热效应、弹热效应和扭热效应。它们分别通过施加和移除磁场、电场、流体静压力、单轴应力和捻度来产生制冷效果。
大多数磁制冷机的磁体和磁热材料均以稀土元素为主,成本高,且不持续,因为稀土元素的生产不仅需要大量的材料和能源消耗,还产生了许多的废弃物,包括重金属和辐射排放。大多数高性能电热材料都含有大量的铅,这与固态制冷技术发展的初衷相矛盾。产生压热效应材料塑晶,由于它们的有机性质,使得熔点相对较低,因此不适合室温制冷。塑晶的高度可变性也意味着这些材料缺乏承受多次制冷循环的机械弹性,滞后和相位共存效应也有可能削弱塑晶的冷却性能。
因此,寻找一种无污染、可靠性高的的固态材料热效应的新型制冷技术是解决目前问题的方法之一。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷,而提供一种基于弹热效应的制冷方法,以提供一种无污染、可靠性高的适用于室温制冷的制冷方法。
本发明的另一个目的是提供一种无污染、结构简单、可靠性高的基于弹热效应的制冷系统。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是:
一种基于弹热效应的制冷方法,包括下述步骤:
(1)对弹性体施加拉应力使弹性体产生应变,至弹性体产生最大应变处,所述弹性体在拉伸过程中温度升高产生热量;
(2)引入热汇流体与所述弹性体进行热交换,通过所述热汇流体带走所述弹性体产生的热量,同时,所述弹性体降至室温;
(3)对所述弹性体施加压应力,所述弹性体释放应变,在释放应变过程中产生冷量;
(4)引入热源流体与所述弹性体进行热交换,通过所述热源流体带走冷量;
(5)当弹性体温度升高至环境温度,循环重复步骤(1)-(4),所述热源流体不断吸收冷量,所述热汇流体不断吸收热量。
所述热源流体释放冷量产生制冷效果;或者,所述热汇流体释放热量产生制热效果。
一种实现所述制冷方法的基于弹热效应的制冷系统,包括所述弹性体、用于对所述弹性体施加拉应力或压应力的循环拉伸装置、热汇流体循环单元和热源流体循环单元;所述弹性体与所述循环拉伸装置固定。
所述弹性体包括空心的壳体,所述壳体的两端为扁平状,所述壳体的中部为圆管状,所述壳体的内部设置有多个条状体,每个所述条状体的两端分别与所述壳体的两端固定连接;所述壳体内部为流体热交换空间。
所述循环拉伸装置包括固定座、活动座、复位单元和拉伸驱动机构,所述拉伸驱动机构驱动所述活动座,所述复位单元连接所述固定座与活动座,所述弹性体的两端分别与所述活动座和固定座固定连接。
所述热汇流体循环单元包括热汇流体箱、热汇流体循环泵、热汇流体进口控制阀和热汇流体出口控制阀,所述热汇流体箱、热汇流体循环泵、热汇流体出口控制阀、弹性体内部、热汇流体进口控制阀依次连接回到所述热汇流体箱形成热汇流体循环。
所述热源流体循环单元包括换热器、热源流体循环泵、热源流体进口控制阀和热源流体出口控制阀,所述换热器、热源流体循环泵、热源流体出口控制阀、弹性体内部、热源流体进口控制阀依次连接回到所述换热器形成热源流体循环。
所述活动座与滑轨滑动配合。
所述弹性体为橡胶材料。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
1、本发明的基于弹热效应的制冷方法利用环境友好型材料-天然橡胶的弹热效应进行制冷,橡胶材料最明显的物理性质就是小应变下的高形变,弹性模量非常小,成本低,耐疲劳且疲劳损伤,可以高度修复,本发明的方法环保无污染,可靠性高,制冷效率高,使用寿命长,满足可持续发展的要求。
2、本发明的制冷系统实现了基于弹热效应的制冷方法,能够在室温制冷,结构简单、可靠性高,制冷效率高,使用寿命长。
附图说明
图1所示为本发明基于弹热效应的制冷系统的原理图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明的基于弹热效应的制冷方法,以具有小应变下的高形变特点的弹性材料产生固体热效应为基础实现室温制冷,包括下述步骤:
(1)对弹性体施加拉应力使得弹性体产生应变,至弹性体产生最大应变处,所述弹性体在拉伸过程中温度升高产生热量;
(2)引入热汇流体与所述弹性体进行热交换,通过所述热汇流体带走所述弹性体产生的热量,同时,所述弹性体降至室温;
(3)对所述弹性体施加压应力,所述弹性体释放应变,在释放应变过程中产生冷量;
(4)引入热源流体与所述弹性体进行热交换,通过所述热源流体带走冷量;
(5)当弹性体温度升高至环境温度,循环重复步骤(1)-(4),所述热源流体不断吸收冷量,所述热汇流体不断吸收热量。
所述热源流体释放冷量产生制冷效果;或者,所述热汇流体释放热量产生制热效果。
其中,所述弹性体可以采用天然橡胶、天然橡胶、硅橡胶、顺丁橡胶、丁苯橡胶、氯磺化聚乙烯等具有弹性的橡胶材料。
本发明实现上述制冷方法的基于弹热效应的制冷系统的原理图如图1所示,包括所述弹性体4、用于对所述弹性体施加拉应力或压应力的循环拉伸装置、热汇流体循环单元和热源流体循环单元;所述弹性4体与所述循环拉伸装置固定。使用时,通过循环拉伸装置对弹性体施加一定拉应力,使弹性体产生形变,至弹性体产生最大应变处,同时,通过热汇流体循环单元使热汇流体进入弹性体带走热量,当弹性体温度降至环境温度,关闭热汇流体循环单元,同时启动循环拉伸装置对弹性体施加压应力,弹性体释放应变,在释放应变过程中产生冷量。打开热源流体循环单元,热源流体进入弹性体带走冷量,通过热源流体带走的冷量进行换热以达到制冷效果,当弹性体温度升高至环境温度,关闭热源流体循环单元,同时启动循环拉伸装置对弹性体施加拉应力开始下一次循环。在循环过程中,所述热汇流体不断吸收热量,也可以用于制热或制热水。
本实施例中,所述弹性体4包括空心的壳体4-1,所述壳体4-1的两端为扁平状,所述壳体4-1的中部为圆管状,所述壳体4-1的内部设置有多个条状体4-2,多个条状体用于增加弹性体的质量,以加强换热效果。每个所述条状体4-2的两端分别与所述壳体4-1的两端固定连接,所述壳体4-1内部为流体热交换空间。
本实施例中,所述循环拉伸装置包括固定座11、活动座5、复位单元12和拉伸驱动机构,所述拉伸驱动机构驱动所述活动座5,所述复位单元12连接所述固定座11与活动座5,所述弹性体4的两端分别与所述活动座5和固定座11固定连接。
本实施例的所述热汇流体循环单元包括热汇流体箱1、热汇流体循环泵2、热汇流体进口控制阀10和热汇流体出口3控制阀,所述热汇流体箱1、热汇流体循环泵2、热汇流体出口控制阀3、弹性体4、热汇流体进口控制阀10依次连接回到所述热汇流体箱1形成热汇流体循环。
本实施例的所述热源流体循环单元包括换热器8、热源流体循环泵7、热源流体进口控制阀9和热源流体出口控制阀6,所述换热器8、热源流体循环泵7、热源流体出口控制阀6、弹性体4、热源流体进口控制阀9依次连接回到所述换热器8形成热源流体循环。
为了提高拉伸的稳定性,所述活动座5与滑轨13滑动配合。
所述弹性体可以采用天然橡胶、硅橡胶、顺丁橡胶、丁苯橡胶、氯磺化聚乙烯等具有弹性的橡胶材料。
使用时,拉伸驱动机构驱动所述活动座5移动,活动座5带动弹性体4的一端产生移动从而对弹性体4施加拉应力,使弹性体4产生形变,至弹性体4产生最大形变处。打开热汇流体循环泵2、热汇流体出口控制阀3及热汇流体进口控制阀10,使热汇流体进入壳体4-1内部带走弹性体4由于弹热效应产生的热量,当弹性体4温度降至环境温度,关闭热汇流体循环泵2、热汇流体出口控制阀3及热汇流体进口控制阀10。同时,在复位单元12的作用下,活动座5复位,同时,拉伸驱动机构对弹性体4施加压应力,使弹性体4恢复至初始状态,释放应变,产生冷量。打开热源流体循环泵7、热源流体进口控制阀9和热源流体出口控制阀6,热源流体进入弹性体的壳体4-1内部带走冷量,热源流体进入换热器8中,带走的冷量进行换热以达到制冷效果。当弹性体4温度升高至环境温度,关闭热源流体循环泵7、热源流体进口控制阀9和热源流体出口控制阀6,同时启动循环拉伸装置对弹性体4施加拉应力开始下一次循环。
本发明的基于弹热效应的制冷方法及制冷系统利用环境友好型材料天然橡胶的弹热效应进行制冷,环保无污染、结构简单、可靠性高、制冷效率高以及寿命长,满足可持续发展的要求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出的是,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于弹热效应的制冷系统,其特征在于,包括弹性体、用于对所述弹性体施加拉应力或压应力的循环拉伸装置、热汇流体循环单元和热源流体循环单元;所述弹性体与所述循环拉伸装置固定;所述弹性体包括空心的壳体,所述壳体的两端为扁平状,所述壳体的中部为圆管状,所述壳体的内部设置有多个条状体,每个所述条状体的两端分别与所述壳体的两端固定连接;所述壳体内部为流体热交换空间;所述循环拉伸装置包括固定座、活动座、复位单元和拉伸驱动机构,所述拉伸驱动机构驱动所述活动座,所述复位单元连接所述固定座与活动座,所述弹性体的两端分别与所述活动座和固定座固定连接。
2.根据权利要求1所述的基于弹热效应的制冷系统,其特征在于,所述热汇流体循环单元包括热汇流体箱、热汇流体循环泵、热汇流体进口控制阀和热汇流体出口控制阀,所述热汇流体箱、热汇流体循环泵、热汇流体出口控制阀、弹性体内部、热汇流体进口控制阀依次连接回到所述热汇流体箱形成热汇流体循环。
3.根据权利要求1所述的基于弹热效应的制冷系统,其特征在于,所述热源流体循环单元包括换热器、热源流体循环泵、热源流体进口控制阀和热源流体出口控制阀,所述换热器、热源流体循环泵、热源流体出口控制阀、弹性体内部、热源流体进口控制阀依次连接回到所述换热器形成热源流体循环。
4.根据权利要求1所述的基于弹热效应的制冷系统,其特征在于,所述活动座与滑轨滑动配合。
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