CN111426097A - 一种热驱动的双效弹热制冷循环方法及系统 - Google Patents

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Abstract

一种热驱动的双效弹热制冷循环方法及系统，由两个具有不同相变温度的高温驱动组形状记忆合金分别从高温、中温热源吸热，驱动两组低温制冷组形状记忆合金从低温冷藏空间吸热从而制冷。其中，中温热源由收集高温热源的余热得到，实现热源的梯级能量利用以及连续制冷。制冷系统包含四组记忆合金，分别为：高温驱动组记忆合金、中温驱动组记忆合金以及两组低温制冷组记忆合金，采用形状记忆合金作为热驱动工质，替代了用电机驱动的方式，可以更好地利用可再生能源，比现有的电驱动弹热制冷方案实现更紧凑的制冷效果。

Description

一种热驱动的双效弹热制冷循环方法及系统
技术领域
本发明涉及制冷循环技术，具体涉及一种热驱动的双效弹热制冷循环方法及系统。
背景技术
蒸汽压缩循环是目前全球采用最为广泛的制冷技术，被广泛应用于空调、冰箱、冷柜机组。自20世纪初以来，蒸汽压缩循环中的压缩机、换热器等核心部件已经经历数代发展，目前最后秀的蒸汽压缩制冷系统的制冷效率已经接近40～45％卡诺循环的理论效率。蒸汽压缩制冷系统大量使用对环境气候变化不利的氟氯烃、氟代烃等制冷剂，这些制冷剂的温室气体效应大多为二氧化碳气体的1000倍以上，以欧盟为首的诸多国家已逐步立法限制并且禁止这些制冷剂的使用。在此大背景下，弹热制冷技术是近年来被提出的一种环境友好的、具有较大性能潜力的、负面因素较小的一种替代制冷技术。美国能源部的研究报告指出，弹热制冷技术可实现42％的卡诺循环效率，是目前性能潜力最大的非蒸汽压缩制冷技术。然而，弹热制冷系统的设计仍然存在较多挑战。例如驱动装置与制冷装置质量比过大的缺点。这是可以通过将电驱动装置改换为热驱动的驱动组形状记忆合金来改进，并且已经有相关专利。
值得指出的是，专利CN107289668A公开的单效热驱动弹热制冷循环的系统设计方案，提供了利用低品位热能驱动组形状记忆合金提供动力进而制冷的基本方案，但是在此设计方案当中，低品位热能仅被一组驱动组记忆合金单次利用，一个单位的热量可以在单组驱动组记忆合金内完成单次加载，可以使一组低温制冷组记忆合金产生一次相变，对应了一个单位的制冷量，即所谓的单效循环的设计。低品位热能利用完成后，驱动组记忆合金被常温热汇冷却，尽管可以通过增加回热的方式提高热源利用效率，但低品位热源加热驱动组记忆合金之后的余热无法直接用于增加循环制冷能力，热驱动型弹热制冷系统的效率不足。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中热驱动型弹热制冷系统制冷效率不足的问题，提供一种热驱动的双效弹热制冷循环方法及系统，能够实现更紧凑的制冷效果。
为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：
一种热驱动的双效弹热制冷循环方法，包括以下步骤：
第一过程：高温驱动组记忆合金由高于其奥氏体终止温度Taf1的温度为Tg的高温热源驱动供热，通过第一机械耦合部件向第一低温制冷组记忆合金提供加载过程所需的驱动力，第一低温制冷组记忆合金被加载相变为马氏体，相变升温；同时，中温驱动组记忆合金被温度低于其马氏体终止温度Tmf2的温度为Th的常温热汇冷却，从而转变回马氏体，通过第二机械耦合部件卸载第二低温制冷组记忆合金，第二低温制冷组记忆合金被卸载相变为奥氏体，相变降温；
第二过程：高温驱动组记忆合金继续由高温热源供热，保持Tg的温度，中温驱动组记忆合金保持Th的温度；第一低温制冷组记忆合金相变升温结束后向常温热汇放热；同时，第二低温制冷组记忆合金相变降温结束后将冷量传递至冷藏空间；
第三过程：温度为Tg的高温驱动组记忆合金与温度为Th的中温驱动组记忆合金交换热量；高温驱动组记忆合金被冷却至其马氏体终止温度Tmf1以下，转变回马氏体，并通过机械耦合的方式，卸载第一低温制冷组记忆合金，第一制冷组记忆合金被卸载相变为奥氏体，相变降温；中温驱动组记忆合金被加热至其奥氏体终止温度Taf2以上，转变为奥氏体，并通过机械耦合的方式，加载第二低温制冷组记忆合金，第二低温制冷组记忆合金被加载相变为马氏体，相变升温；
第四过程：第二低温制冷组记忆合金相变升温结束后向常温热汇放热；同时，第一低温制冷组记忆合金相变降温结束后将冷量传递至冷藏空间。
优选的，利用采集高温驱动组记忆合金、中温驱动组记忆合金、第一低温制冷组记忆合金、第二低温制冷组记忆合金中热交换流体出口侧的壁面温度，分别得到温度信号TSMA1、TSMA2、TSEA、TSEB，温度信号的采集周期为t0秒，得到每个周期内的温度变化率kSMA1、kSMA2、kSEA、kSEB，其中温度变化率k＝|[T(周期开始)-T(周期结束)]/t0|；
在循环的第一过程中，高温驱动组记忆合金与高温热源连通，第一低温制冷组记忆合金处于被加载从奥氏体向马氏体相变升温的过程，同时，中温驱动组记忆合金正在被常温热汇冷却，第二低温制冷组记忆合金处于被卸载从马氏体变回奥氏体相变降温的过程；此时如果|kSMA1|<0.5℃/s并且|kSMA2|<0.5℃/s并且|kSE2|<0.5℃/s，则运行循环的第二过程；
在循环的第二过程中，第一低温制冷组记忆合金向常温热汇排热，同时，第二低温制冷组记忆合金向冷藏空间供冷；此时如果|TSE2–Tc|<0.5℃，则运行循环的第三过程；
在循环的第三过程中，高温驱动组记忆合金被中温驱动组记忆合金冷却，第一低温制冷组记忆合金处于被卸载从马氏体变回奥氏体相变降温的过程，同时中温驱动组记忆合金被高温驱动组记忆合金加热，第二低温制冷组记忆合金处于被加载相变升温的过程；此时如果|kSMA1|<0.5℃/s并且|kSMA2|<0.5℃/s并且|kSE1|<0.5℃/s，则运行循环的第四过程；
在循环的第四过程中，第二低温制冷组记忆合金向常温热汇排热，同时，第一低温制冷组记忆合金向冷藏空间供冷；此时如果|TSE1–Tc|<0.5℃，则结束本次循环，返回执行循环的第一过程。
本发明同时提供一种实现热驱动的双效弹热制冷循环方法的制冷系统，包括高温驱动组记忆合金、中温驱动组记忆合金、第一低温制冷组记忆合金、第二低温制冷组记忆合金、高温热源、常温热汇、冷藏空间、第一循环泵、第二循环泵以及第三循环泵；所述的高温驱动组记忆合金的马氏体终止温度Tmf1高于中温驱动组记忆合金的奥氏体终止温度Taf2，高温热源的温度高于高温驱动组记忆合金的奥氏体终止温度Taf1，常温热汇的温度低于中温驱动组记忆合金的马氏体终止温度Tmf2；
通过热交换流体作为上述部件的传热媒介，满足以下连接关系：
所述的高温驱动组记忆合金通过热交换流体与中温驱动组记忆合金、高温热源、第一循环泵相连接；中温驱动组记忆合金通过热交换流体与高温驱动组记忆合金、第二循环泵、常温热汇相连接；第一低温制冷组记忆合金、第二低温制冷组记忆合金由第三驱动泵驱动，通过热交换流体与常温热汇、冷藏空间进行换热。
优选的，所述的高温驱动组记忆合金、中温驱动组记忆合金、第一低温制冷组记忆合金以及第二低温制冷组记忆合金安装在机架上；高温驱动组记忆合金的一端与第一机械耦合部件连接固定，另一端与机架连接固定；第一低温制冷组记忆合金的一端与第一机械耦合部件连接固定，另一端与机架连接固定；中温驱动组记忆合金的一端与第二机械耦合部件连接固定，另一端与机架连接固定，第二低温制冷组记忆合金的一端与第二机械耦合部件连接固定，另一端与机架连接固定。
优选的，所述的高温热源为高温固体或密闭的静止高温流体，或者为与高温流体接触的板式换热器、板翅式换热器、管翅式换热器、微通道换热器、壳管式换热器中的一种，高温热源的热量来自于高于室温的热源，包括燃煤锅炉、燃气锅炉、太阳能、地热、工业余热、电子产品余热。
优选的，通过第三循环泵驱动热交换流体在第一低温制冷组记忆合金、第二低温制冷组记忆合金、常温热汇以及低温冷藏空间之间切换；通过三通阀实现管路之间的互联；
第一低温制冷组记忆合金排热阶段与第二低温制冷组记忆合金制冷阶段同步，此时的热交换流体的流向为：流体从冷藏空间流经第一低温制冷组记忆合金吸热升温，再流入常温热汇排热，常温热汇中的流体流经第二低温制冷组记忆合金降温后流回冷藏空间挥制冷作用；
第二低温制冷组记忆合金排热阶段与第一低温制冷组记忆合金制冷阶段同步，此时的热交换流体的流向为：流体从冷藏空间流经第二低温制冷组记忆合金吸热升温，再流入常温热汇排热，常温热汇中的流体流经第一低温制冷组记忆合金降温后流回冷藏空间发挥制冷作用。
优选的，所述的第一机械耦合部件和第二机械耦合部件为传递线性拉伸力、线性压缩力、扭转扭矩的零件，或是将高温驱动组记忆合金产生的线性拉伸力、线性压缩力、扭转扭矩转变为低温制冷组记忆合金所需的上述任何一种驱动力的装置。
相较于现有技术，本发明具有如下的技术效果：
采用形状记忆合金作为热驱动工质，替代了用电机驱动的方式，不仅有驱动组与制冷组质量比小的优点，亦有高温驱动组记忆合金、中温驱动组记忆合金可分别被120℃、60℃左右的热流体驱动，从而使系统可以更好地利用可再生能源，例如太阳能、地热能、工业余热、电子器件余热，从原理上优于现有的电驱动的弹热制冷方案。同时，设置了中温驱动组记忆合金，从而可以更高效地利用高温驱动组记忆合金加热后的余热，实现更紧凑的制冷效果。
附图说明
图1在温度-应力相图上表征的本发明方法原理图；
图2本发明制冷系统第一过程的流体循环示意图；
图3本发明制冷系统第二过程的流体循环示意图；
图4本发明制冷系统第三过程的流体循环示意图；
图5本发明制冷系统第四过程的流体循环示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
本发明中涉及的形状记忆合金(简称记忆合金)在热驱动下由马氏体变为奥氏体时提供应力应变的特性，以及记忆合金在应力驱动下由奥氏体转变为马氏体相变放热的特性。在记忆合金中，具有至少两个晶体结构(相)，即零应力时的高温相(奥氏体)和低温相(马氏体)。
参见图2-5，本发明的制冷系统包含四组记忆合金，分别为：高温驱动组记忆合金、中温驱动组记忆合金，高温驱动组记忆合金奥氏体终止温度Taf1低于高温热源温度、马氏体终止温度Tmf1高于(Tg+Th)/2；中温驱动组记忆合金奥氏体终止温度Taf2低于(Tg+Th)/2、马氏体终止温度Tmf2高于Th。另有两组低温制冷组记忆合金，在冷藏空间温度、零应力状态下处于奥氏体相。高温、中温驱动组记忆合金通过两组独立的机械耦合与两组制冷组记忆合金分别连接，并通过机架113约束其总长度。高温驱动组记忆合金101-1通过第一三通阀112-1、第二三通阀112-2与中温驱动组记忆合金101-2、高温热源102、第一循环泵111-1相连接；中温驱动组记忆合金101-2通过第三三通阀112-3、第四三通阀112-4与高温驱动组记忆合金101-1、第二循环泵111-2、常温热汇105相连接；第一低温制冷组记忆合金104-1、第二低温制冷组记忆合金104-2由第三循环泵111-3驱动，通过第五三通阀112-5、第六三通阀112-6、第七三通阀112-7与常温热汇105、冷藏空间106连接。通过调节第一三通阀112-1、第二三通阀112-2可以使高温驱动组记忆合金101-1与高温热源102连通；通过调节第三三通阀112-3、第四三通阀112-4可以使中温驱动组记忆合金101-2与常温热汇105连通；通过同时调节第一三通阀112-1、第二三通阀112-2、第三三通阀112-3、第四三通阀112-4可以使高温驱动组记忆合金101-1与中温驱动组记忆合金101-2连通；通过调节第五三通阀112-5、第六三通阀112-6、第七三通阀112-7，在第三循环泵运行时可以在第一低温制冷组记忆合金104-1和第二低温制冷组记忆合金104-2内实现双向流动。高温驱动组记忆合金101-1一端与第一机械耦合部件103-1连接固定，另一端与机架113连接固定，第一低温制冷组记忆合金104-1一端与第一机械耦合部件103-1连接固定，另一端与机架113连接固定；中温驱动组记忆合金101-2一端与第二机械耦合部件103-2连接固定，另一端与机架113连接固定，第二低温制冷组记忆合金104-2一端与第二机械耦合部件103-2连接固定，另一端与机架113连接固定。
在上述系统中，第一低温制冷组记忆合金104-1、第二低温制冷组记忆合金104-2可以通过压缩应力、拉伸应力、扭转应力，或上述驱动加载应力形式的组合来实现从常温奥氏体至马氏体的转变。并且，在冷却并去掉上述驱动加载应力后，可以从奥氏体转变回马氏体，获得制冷能力。第一低温制冷组记忆合金104-1、第二低温制冷组记忆合金104-2的驱动加载应力由驱动组记忆合金在受热并且由常温马氏体转变为奥氏体的过程中提供，通过利用形状记忆效应，高温驱动组记忆合金101-1在受热时可提供压缩应力、拉伸应力、或扭转应力。
高温热源102为高温固体或密闭的静止高温流体，或者为与高温流体接触的板式换热器、板翅式换热器、管翅式换热器、微通道换热器、壳管式换热器中的一种，高温热源102的热量来自于高于室温的热源，包括燃煤锅炉、燃气锅炉、太阳能、地热、工业余热、电子产品余热。连接约束高温驱动组记忆合金101-1和第一低温制冷组记忆合金104-1以及中温驱动组记忆合金101-2和第二低温制冷组记忆合金104-2的机械耦合部件可以是传递线性拉伸力、线性压缩力、扭转扭矩的零件，或是将高温驱动组记忆合金产生的线性拉伸力、线性压缩力、扭转扭矩转变为低温制冷组记忆合金所需的上述任何一种驱动力的装置。
参见图1，为了讨论方便，假设驱动组记忆合金和制冷组记忆合金的横截面一致，因此在相应约束条件下，两组驱动组记忆合金和与其连接的制冷组记忆合金的应力时刻相等，应变大小时刻相等，方向相反。循环第一阶段开始前，符合以下工况：
1)系统处于循环第四阶段结束的状态，即高温驱动组记忆合金以及中温驱动组记忆合金处于内部循环阶段，在循环时间充足的情况下，驱动组记忆合金的温度均为(Tg+Th)/2。此时高温驱动组记忆合金位于马氏体状态D12，而中温驱动组记忆合金位于奥氏体状态D4。
2)第一低温制冷组记忆合金已经将其内部的温度低于Tc的制冷流体送至低温冷藏空间中提供冷量，而常温热汇中温度为Th的流体已经被泵入第一低温制冷组记忆合金内部。由于流体与第一低温制冷组记忆合金换热，沿流体流动方向存在温度梯度。极端情况下，入口端(高温端)温度为Th，而出口端(低温端)温度仍然为Tc。此时高温端为A1，低温端为B1。
3)第二低温制冷组记忆合金已经被来自于低温冷藏空间的温度为Tc的流体冷却。假设第二低温制冷组记忆合金与足够流量的流体进行换热，那么第二低温制冷组记忆合金的出口、入口端均会被冷却至温度Tc；假设第二低温制冷组记忆合金与流量不充足的流体进行换热，那么第二低温制冷组记忆合金的高温端温度将会高于Th。这里假设第二低温制冷组记忆合金与合适流量的流体进行换热，使得高温端的温度等于Th。实际循环中常常使用“利用系数”(Utilization Factor)对此进行表征。此时高温端为A4，低温端为B5。
循环第一阶段：
第一阶段循环开始后，第一、第二三通阀切换至高温热源与高温驱动组记忆合金的流路，第一循环泵工作。高温热源中温度为Tg的流体加热高温驱动组记忆合金(D12→D8)，当高温驱动组记忆合金温度升至其奥氏体相变温度(D8)时，该记忆合金开始由马氏体相变为奥氏体(D8→D9)，并且发生收缩，应力增大，并且开始加载第一低温制冷组记忆合金，由于流体温度Tg高于高温驱动组记忆合金的奥氏体相变结束的温度Taf1，高温驱动组记忆合金相变结束之后温度继续升高(D9→D10)，该组记忆合金在奥氏体相变结束之后温度维持在Tg(D10)。第一低温制冷组记忆合金由高温驱动组记忆合金提供拉应力被加载(A1→A2、B1→B2)，当应力增加至马氏体相变应力时(A2、B2)，第一低温制冷组记忆合金开始由奥氏体相变为马氏体，其温度、应力同时增加。相变结束后应力继续增大(但此时温度不再上升)，直至最大驱动应力(A3、B4)。同时，第三、第四三通阀切换至常温热汇与中温驱动组记忆合金的流路，第二循环泵工作。常温热汇中温度为Th的流体冷却中温驱动组记忆合金(D4→D5)，当中温驱动组记忆合金温度降至其马氏体相变温度(D5)时，该组记忆合金开始由奥氏体相变为马氏体(D5→D1)，中温驱动组记忆合金恢复原始长度，并伴随应力、温度的减小，并且开始卸载与其连接的第二低温制冷组记忆合金。由于常温热汇温度Th低于中温驱动组记忆合金马氏体终止温度Tmf2，当中温驱动组记忆合金马氏体相变结束时(D1)，温度继续降低(D1→D6)直到与常温热汇达到热平衡，中温驱动组记忆合金在马氏体相变结束之后温度维持在Th(D6)。第二低温制冷组记忆合金被卸载的过程中，应力持续降低至奥氏体相变的临界应力(A4→A5、B5→B6)，当应力降低至奥氏体相变应力时(A5、B6)，第二低温制冷组记忆合金开始由马氏体相变为奥氏体，其温度、应力同时降低。相变结束后应力继续减小(但此时温度不再下降)，直至最小驱动应力(A7、B8)。
循环第二阶段：
循环第二阶段开始后，第一、第二三通阀仍然保持高温热源与高温驱动组记忆合金连通的流路，第一循环泵继续工作；第三、第四三通阀仍然保持常温热汇与中温驱动组记忆合金连通的流路，第二循环泵停止工作。即此时高温驱动组记忆合金维持在温度Tg(D10)，中温驱动组记忆合金维持在温度Th(D6)。第一低温制冷组记忆合金被自低温冷藏空间流向常温热汇的流体冷却(A3→A4，B4→B5)，热量被排放至常温热汇。第一低温制冷组记忆合金与合适流量的流体进行换热，使得高温端的温度等于Th。冷却结束后，高温端为A4，低温端为B5。与此同时，第二低温制冷组记忆合金内部流体从常温热汇流向低温冷藏空间(A7→A1，B8→B1)，为冷藏空间提供制冷。由于流体与低温制冷组记忆合金B换热，沿流体流动方向存在温度梯度。极端情况下，入口端(高温端)温度为Th，而出口端(低温端)温度仍然为Tc。此时第二低温制冷组记忆合金的高温端为A1，低温端为B1。冷藏空间流经第一低温制冷组记忆合金、常温热汇、第二低温制冷组记忆合金返回，由第三循环泵驱动。
循环第三阶段：
循环第三阶段开始后，第一、第二、第三、第四三通阀切断与高温热源、常温热汇的流路。高温驱动组记忆合金以及中温驱动组记忆合金形成内部循环，第一循环泵继续运行，第二循环泵停止工作。高温驱动组记忆合金、中温驱动组记忆合金，以及他们内部循环流动的热交换流体之间互相换热。在循环时间充足的情况下，两组驱动组记忆合金以及热交换流体的温度最终均为(Tg+Th)/2，即图1中D4、D12对应的温度。
因此，循环第三阶段开始后，中温驱动组记忆合金被热交换流体加热，温度上升(D6→D2)，当中温驱动组记忆合金温度升至其奥氏体相变温度(D2)时,中温驱动组记忆合金开始由马氏体相变为奥氏体(D2→D3)，并且发生收缩，应力增大，并且开始加载第二低温制冷组记忆合金，由于流体温度(Tg+Th)/2高于中温驱动组记忆合金的奥氏体相变结束的温度Taf2，因此，相变结束之后中温驱动组记忆合金温度继续升高(D3→D4)，最后维持在(Tg+Th)/2的温度(D4)。与此同时，高温驱动组记忆合金被热交换流体冷却，温度降低(D10→D11)，当高温驱动组记忆合金温度降至马氏体相变温度(D11)时，高温驱动组记忆合金开始由奥氏体相变为马氏体(D11→D7)，并且变回初始长度，应力减小，伴随应力降低开始卸载第一低温制冷组记忆合金，由于流体温度(Tg+Th)/2低于高温驱动组记忆合金的马氏体相变结束的温度Tmf1，因此，相变结束之后合金温度继续下降(D7→D12)，最后维持在(Tg+Th)/2温度(D12)。循环第三阶段开始后，由于前述高温驱动组记忆合金的相变，第一低温制冷组记忆合金被卸载。第一低温制冷组记忆合金被卸载的过程中，应力持续降低至奥氏体相变的临界应力(A4→A5、B5→B6)，当应力降低至奥氏体相变应力时(A5、B6)，低温制冷组记忆合金开始由马氏体相变为奥氏体，其温度、应力同时降低。相变结束后应力继续减小(但此时温度不再下降)，直至最小驱动应力(A7、B8)。同时，由于前述中温驱动组记忆合金的相变，第二低温制冷组记忆合金被加载。第二低温制冷组记忆合金由中温驱动组记忆合金提供拉应力被加载(A1→A2、B1→B2)，当应力增加至马氏体相变应力时(A2、B2)，第二低温制冷组记忆合金开始由奥氏体相变为马氏体，其温度、应力同时增加。相变结束后第二低温制冷组记忆合金应力继续增大(但此时温度不再上升)，直至最大驱动应力(A3、B4)。
循环第四阶段：
第一、第二、第三、第四三通阀切断与高温热源、常温热汇的流路。第一循环泵、第二循环泵停止工作。高温驱动组记忆合金以及中温驱动组记忆合金温度保持(Tg+Th)/2。此时高温驱动组记忆合金的状态位于D12，而中温驱动组记忆合金的状态位于D4。
循环第四阶段开始后，第一低温制冷组记忆合金内部的流体自常温热汇流向低温冷藏空间，将记忆合金温度低于Tc的制冷流体泵出至低温冷藏空间中提供冷量。完成制冷的流体从冷藏空间返回，经第二低温制冷组记忆合金流向常温热汇(A3→A4，B4→B5)，将第二低温制冷组记忆合金产生的热量被排至常温热汇。冷藏空间流经第二低温制冷组记忆合金、常温热汇、第一低温制冷组记忆合金返回，由第三循环泵驱动。
循环第四阶段结束后，再次开始循环第一阶段。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，以上结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行了清楚完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种热驱动的双效弹热制冷循环方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一过程：高温驱动组记忆合金(101-1)由高于其奥氏体终止温度Taf1的温度为Tg的高温热源(102)驱动供热，通过第一机械耦合部件(103-1)向第一低温制冷组记忆合金(104-1)提供加载过程所需的驱动力，第一低温制冷组记忆合金(104-1)被加载相变为马氏体，相变升温；同时，中温驱动组记忆合金(101-2)被温度低于其马氏体终止温度Tmf2的温度为Th的常温热汇(105)冷却，从而转变回马氏体，通过第二机械耦合部件(103-2)卸载第二低温制冷组记忆合金(104-2)，第二低温制冷组记忆合金(104-2)被卸载相变为奥氏体，相变降温；
第二过程：高温驱动组记忆合金(101-1)继续由高温热源(102)供热，保持Tg的温度，中温驱动组记忆合金(101-2)保持Th的温度；第一低温制冷组记忆合金(104-1)相变升温结束后向常温热汇(105)放热；同时，第二低温制冷组记忆合金(104-2)相变降温结束后将冷量传递至冷藏空间(106)；
第三过程：温度为Tg的高温驱动组记忆合金(101-1)与温度为Th的中温驱动组记忆合金(101-2)交换热量；高温驱动组记忆合金(101-1)被冷却至其马氏体终止温度Tmf1以下，转变回马氏体，并通过机械耦合的方式，卸载第一低温制冷组记忆合金(104-1)，第一制冷组记忆合金(104-1)被卸载相变为奥氏体，相变降温；中温驱动组记忆合金(101-2)被加热至其奥氏体终止温度Taf2以上，转变为奥氏体，并通过机械耦合的方式，加载第二低温制冷组记忆合金(104-2)，第二低温制冷组记忆合金(104-2)被加载相变为马氏体，相变升温；
第四过程：第二低温制冷组记忆合金(104-2)相变升温结束后向常温热汇(105)放热；同时，第一低温制冷组记忆合金(104-1)相变降温结束后将冷量传递至冷藏空间(106)。
2.根据权利要求1所述热驱动的双效弹热制冷循环方法，其特征在于：
利用采集高温驱动组记忆合金(101-1)、中温驱动组记忆合金(101-2)、第一低温制冷组记忆合金(104-1)、第二低温制冷组记忆合金(104-2)中热交换流体出口侧的壁面温度，分别得到温度信号TSMA1、TSMA2、TSEA、TSEB，温度信号的采集周期为t0秒，得到每个周期内的温度变化率kSMA1、kSMA2、kSEA、kSEB，其中温度变化率k＝|[T(周期开始)-T(周期结束)]/t0|；
在循环的第一过程中，高温驱动组记忆合金(101-1)与高温热源(102)连通，第一低温制冷组记忆合金(104-1)处于被加载从奥氏体向马氏体相变升温的过程，同时，中温驱动组记忆合金(101-2)正在被常温热汇(105)冷却，第二低温制冷组记忆合金(104-2)处于被卸载从马氏体变回奥氏体相变降温的过程；此时如果|kSMA1|<0.5℃/s并且|kSMA2|<0.5℃/s并且|kSE2|<0.5℃/s，则运行循环的第二过程；
在循环的第二过程中，第一低温制冷组记忆合金(104-1)向常温热汇(102)排热，同时，第二低温制冷组记忆合金(104-2)向冷藏空间(106)供冷；此时如果|TSE2–Tc|<0.5℃，则运行循环的第三过程；
在循环的第三过程中，高温驱动组记忆合金(101-1)被中温驱动组记忆合金(101-2)冷却，第一低温制冷组记忆合金(104-1)处于被卸载从马氏体变回奥氏体相变降温的过程，同时中温驱动组记忆合金(101-2)被高温驱动组记忆合金(101-1)加热，第二低温制冷组记忆合金(104-2)处于被加载相变升温的过程；此时如果|kSMA1|<0.5℃/s并且|kSMA2|<0.5℃/s并且|kSE1|<0.5℃/s，则运行循环的第四过程；
在循环的第四过程中，第二低温制冷组记忆合金(104-2)向常温热汇(102)排热，同时，第一低温制冷组记忆合金(104-1)向冷藏空间(106)供冷；此时如果|TSE1–Tc|<0.5℃，则结束本次循环，返回执行循环的第一过程。
3.一种实现权利要求1所述热驱动的双效弹热制冷循环方法的制冷系统，其特征在于：包括高温驱动组记忆合金(101-1)、中温驱动组记忆合金(101-2)、第一低温制冷组记忆合金(104-1)、第二低温制冷组记忆合金(104-2)、高温热源(102)、常温热汇(105)、冷藏空间(106)、第一循环泵(111-1)、第二循环泵(111-2)以及第三循环泵(111-3)；所述的高温驱动组记忆合金(101-1)的马氏体终止温度Tmf1高于中温驱动组记忆合金(101-2)的奥氏体终止温度Taf2，高温热源(102)的温度高于高温驱动组记忆合金(101-1)的奥氏体终止温度Taf1，常温热汇(105)的温度低于中温驱动组记忆合金(101-2)的马氏体终止温度Tmf2；
通过热交换流体作为上述部件的传热媒介，满足以下连接关系：
所述的高温驱动组记忆合金(101-1)通过热交换流体与中温驱动组记忆合金(101-2)、高温热源(102)、第一循环泵(111-1)相连接；中温驱动组记忆合金(101-2)通过热交换流体与高温驱动组记忆合金(101-1)、第二循环泵(111-2)、常温热汇(105)相连接；第一低温制冷组记忆合金(104-1)、第二低温制冷组记忆合金(104-2)由第三驱动泵(111-3)驱动，通过热交换流体与常温热汇(105)、冷藏空间(106)进行换热。
4.根据权利要求3所述的制冷系统，其特征在于：
所述的高温驱动组记忆合金(101-1)、中温驱动组记忆合金(101-2)、第一低温制冷组记忆合金(104-1)以及第二低温制冷组记忆合金(104-2)安装在机架(113)上；高温驱动组记忆合金(101-1)的一端与第一机械耦合部件(103-1)连接固定，另一端与机架(113)连接固定；第一低温制冷组记忆合金(104-1)的一端与第一机械耦合部件(103-1)连接固定，另一端与机架(113)连接固定；中温驱动组记忆合金(101-2)的一端与第二机械耦合部件(103-2)连接固定，另一端与机架(113)连接固定，第二低温制冷组记忆合金(104-2)的一端与第二机械耦合部件(103-2)连接固定，另一端与机架(113)连接固定。
5.根据权利要求3所述的制冷系统，其特征在于：所述的高温热源(102)为高温固体或密闭的静止高温流体，或者为与高温流体接触的板式换热器、板翅式换热器、管翅式换热器、微通道换热器、壳管式换热器中的一种，高温热源(102)的热量来自于高于室温的热源，包括燃煤锅炉、燃气锅炉、太阳能、地热、工业余热、电子产品余热。
6.根据权利要求3所述的制冷系统，其特征在于：通过第三循环泵(111-3)驱动热交换流体在第一低温制冷组记忆合金(104-1)、第二低温制冷组记忆合金(104-2)、常温热汇(105)以及低温冷藏空间(106)之间切换；通过三通阀实现管路之间的互联；
第一低温制冷组记忆合金(104-1)排热阶段与第二低温制冷组记忆合金(104-2)制冷阶段同步，此时的热交换流体的流向为：流体从冷藏空间(106)流经第一低温制冷组记忆合金(104-1)吸热升温，再流入常温热汇(105)排热，常温热汇(105)中的流体流经第二低温制冷组记忆合金(104-2)降温后流回冷藏空间(106)发挥制冷作用；
第二低温制冷组记忆合金(104-2)排热阶段与第一低温制冷组记忆合金(104-1)制冷阶段同步，此时的热交换流体的流向为：流体从冷藏空间(106)流经第二低温制冷组记忆合金(104-2)吸热升温，再流入常温热汇(105)排热，常温热汇(105)中的流体流经第一低温制冷组记忆合金(104-1)降温后流回冷藏空间(106)发挥制冷作用。
7.根据权利要求3所述的制冷系统，其特征在于：
所述的第一机械耦合部件(103-1)和第二机械耦合部件(103-2)为传递线性拉伸力、线性压缩力、扭转扭矩的零件，或是将高温驱动组记忆合金产生的线性拉伸力、线性压缩力、扭转扭矩转变为低温制冷组记忆合金所需的上述任何一种驱动力的装置。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113074472A (zh) * 2021-03-11 2021-07-06 西安交通大学 一种高效回热式热驱动弹热制冷方法及系统
CN113654269A (zh) * 2021-07-22 2021-11-16 武汉理工大学 基于拉卡效应的固态制冷装置及方法
DE102022206212A1 (de) 2022-06-22 2023-12-28 Vitesco Technologies GmbH Thermoelastisches Energiewandlersystem, Verfahren zum Betreiben eines derartigen Energiewandlersystems, sowie Verwendung eines derartigen Energiewandlersystems als Kühl-/Heizvorrichtung

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160084544A1 (en) * 2012-03-27 2016-03-24 University Of Maryland, College Park Solid-state heating or cooling systems, devices, and methods
CN106052190A (zh) * 2016-06-01 2016-10-26 西安交通大学 一种主动回热式弹热制冷系统
CN107289668A (zh) * 2017-06-06 2017-10-24 西安交通大学 一种低品位热驱动的弹热制冷循环方法及其系统
CN108562061A (zh) * 2018-06-08 2018-09-21 北京科技大学 一种基于记忆合金热弹效应的活塞-液缸制冷装置
CN108954901A (zh) * 2018-06-25 2018-12-07 上海交通大学 一种具有形状记忆合金管材的固态制冷系统
CN109556319A (zh) * 2018-10-22 2019-04-02 西安电子科技大学 一种在轨无源弹热制冷系统方法和制冷装置
WO2019149783A1 (en) * 2018-01-30 2019-08-08 Exergyn Ltd. A heat pump utilising the shape memory effect

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160084544A1 (en) * 2012-03-27 2016-03-24 University Of Maryland, College Park Solid-state heating or cooling systems, devices, and methods
CN106052190A (zh) * 2016-06-01 2016-10-26 西安交通大学 一种主动回热式弹热制冷系统
CN107289668A (zh) * 2017-06-06 2017-10-24 西安交通大学 一种低品位热驱动的弹热制冷循环方法及其系统
WO2019149783A1 (en) * 2018-01-30 2019-08-08 Exergyn Ltd. A heat pump utilising the shape memory effect
CN108562061A (zh) * 2018-06-08 2018-09-21 北京科技大学 一种基于记忆合金热弹效应的活塞-液缸制冷装置
CN108954901A (zh) * 2018-06-25 2018-12-07 上海交通大学 一种具有形状记忆合金管材的固态制冷系统
CN109556319A (zh) * 2018-10-22 2019-04-02 西安电子科技大学 一种在轨无源弹热制冷系统方法和制冷装置

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113074472A (zh) * 2021-03-11 2021-07-06 西安交通大学 一种高效回热式热驱动弹热制冷方法及系统
CN113654269A (zh) * 2021-07-22 2021-11-16 武汉理工大学 基于拉卡效应的固态制冷装置及方法
DE102022206212A1 (de) 2022-06-22 2023-12-28 Vitesco Technologies GmbH Thermoelastisches Energiewandlersystem, Verfahren zum Betreiben eines derartigen Energiewandlersystems, sowie Verwendung eines derartigen Energiewandlersystems als Kühl-/Heizvorrichtung

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