CN111578556A - 一种基于弹热效应的冷热联供装置 - Google Patents

Abstract

一种基于弹热效应的冷热联供装置，属于新型清洁高效制冷领域。方案如下：所述装置，包括电气动力结构、机械传动结构、能质运输结构，所述电气动力结构主要由电机和变频器组成，对所述的机械传动结构进行动力的输入，机械结构的拉伸与恢复使弹热材料产生热量与冷量，这些热量与冷量通过能质运输结构进行聚集与传输。本发明利用弹热材料的弹热性能，即材料通过受拉伸和恢复的力而引发材料内部的组织结构发生奥氏体与马氏体的相变产生制冷与制热的效应。本装置对弹热材料适应性结构设计，通过此装置对弹热材料进行循环拉伸与恢复，使之产生制冷与制热的效应，进而实现高效清洁制冷和制热的目的。

Description

一种基于弹热效应的冷热联供装置

技术领域

本发明属于新型清洁高效制冷领域，具体涉及一种基于弹热效应的冷热联供装置。

背景技术

我国的能源供应结构里，煤炭、石油与天然气等不可再生资源占绝大部分，新能源和可再生能源开发不足，这不仅造成环境污染等一系列问题，也严重制约能源发展。另一方面，一些设备使用的制冷剂中含有大量有害元素，会对大自然造成不可挽回的损害。

20世纪初以来，蒸汽压缩制冷技术已被广泛应用于空调、冰箱、移动空调等产品。据统计建筑能耗占全国能耗的25％，其中制冷和制热占55％～66％，如果空调的效率提升10％，那么每年可以节约37GW的电量。另一方面，该技术的大量使用也产生并加剧了诸多全球性的环境问题。早期的氯氟烃(CFC)、氢氯氟烃(HCFC)类制冷剂会产生臭氧破坏效应，其替代物氢氟烃(HFC)类制冷剂普遍会产生较强的温室效应。在2014年政府气候变化专门委员会(IPCC)发布的最新的评估报告中指出，自1901年至2012年，地表的平均温度上升了0.89℃，而预计在2016—2035年间，地表温度会继续上升0.3～0.7℃，这一气候变化将从经济发展和食品安全等多方面影响人类社会的可持续发展。进入21世纪以来，人们愈发重视臭氧空洞及全球变暖问题，为了应对这些传统制冷剂带来的臭氧空洞及全球变暖危机，亟需研发环境友好的新型制冷剂。在这样的情况下，越来越多的学者将目光聚集在新一代非蒸汽压缩制冷技术上，以期从根本上突破传统制冷剂在环境问题上的困境。弹热效应便是近年来新兴的一种非蒸汽压缩制冷方法的基础原理。

弹热制冷是由应力场驱动弹热材料相变而产生制冷效应的固态制冷技术，基本原理在2004年被英国科学家提出，已被美国能源部认可为最具潜力的新型制冷技术。弹热材料制冷制热的原理是对弹热材料施加轴向载荷，材料在应力作用下由奥氏体转变为马氏体，熵减小并且对外放热，产生制热效应；去除载荷时，逆向的相变导致熵增大，从外界吸热，产生制冷效应。弹热制冷制热技术的特点是无任何环境破坏作用，与传统的蒸汽压缩式冰箱、空调相比，变形后改变熵的固体可能提供更高的效率；同时，它还具有更低的成本、更小的重量和体积，方便小型化。

弹热制冷技术与蒸汽压缩制冷技术存在着两点显著区别：第一，由于采用应力拉伸式结构，弹热制冷技术需要进行周期性运行；第二，由于采用了“固态制冷剂”，弹热制冷技术需要额外的气态或液态载冷剂将弹热材料周期性产生的热量及冷量带走。基于这两点区别，弹热制冷系统的设计存在其特殊性。目前弹热制冷在系统层面的研究尚处于起步阶段，没有形成一个完整的热力循环系统。通过对弹热材料的材料力学性能的优化，可以使弹热技术的卡诺效率达到67％，高于如今被广泛应用的空气压缩原理制冷，其卡诺效率一般低于60％。并且这种制冷技术的材料可以应用天然橡胶、钓鱼线以及镍钛合金等多种普通材料，成本低，体积小，节能环保。但是现今还没有一种适用于弹热材料的系统化的装置，开发一种适用于弹热材料的装置对于节能环保以及环境的可持续性发展都具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于缓解传统制冷装置制冷剂的环境污染问题，并进一步提高能量转化效率，最大程度上节约能源，产生更多的制冷量与制热量，提供一种基于弹热效应的冷热联供装置，该装置基于弹热效应的制冷和制热过程，适应弹热材料的弹热性能而设计，通过各组成部件之间的相互配合，在实现弹热材料性能最大化的同时，实现基于弹热材料的冷热联供的循环系统，满足未来人类生活和发展中对高效制冷和制热技术的需求。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种基于弹热效应的冷热联供装置，所述装置包括电气动力模块、传动轴、两个齿轮、若干个螺栓、隔热海绵、挡风板、两个引流板、风扇和若干根弹热材料绳；

所述两个齿轮均安装在传动轴上，两个齿轮的外圆周面均布加工有若干个平面，每个所述平面处均沿径向设有螺纹孔；所述电气动力模块驱动两个齿轮的同步转动；所述两个齿轮左右对称设置，每个齿轮与竖直平面之间的夹角为α，α＝3.16°，所述隔热海绵为圆柱状，高度为所述两个齿轮的最大距离；每个所述齿轮的若干个螺纹孔与若干个螺栓螺纹连接，每个齿轮通过其上的若干个螺栓与该齿轮外圆周面上的若干个平面的挤压作用将若干根弹热材料绳压紧固定，若干根弹热材料绳组合形成的空间内填充有隔热海绵；

所述两个引流板上下对称设置，并设置在若干根弹热材料绳组合形成的空间的上方和下方，两个引流板位于同一侧均设有进风口，另一侧均设有出风口，引流板与隔热海绵不接触，所述两个引流板两侧之间形成的两个敞口，其中一个所述敞口固定有挡风板，另一个敞口敞开，所述风扇固定在挡风板的外侧。

本发明相对于现有技术的有益效果为：

1、本发明从弹热材料出发，利用其弹热特性，即弹热材料通过受拉伸和恢复的力而引发材料内部的组织结构发生奥氏体与马氏体的相变产生制冷与制热的效应。利用这种特性做出来的冷热联供装置具有高寿命、高效率、无排放的优点，有效地缓解了传统制冷装置制冷剂的环境污染问题。

2、利用倾斜式轴向转动装置解决了弹热材料在应力作用下，不容易连续做功、热量不容易循环供给的问题。在较低成本的情况下，简化结构的同时能够完整实现弹热材料的弹热性能。

3、风扇将空气经挡风板从引流板入口吹入，带走隔热海绵表面的丝产生的冷热量，实现能量在物质(空气)中的运输。由于采用了风扇、挡风板、引流板和隔热海绵组成的新颖的能质运输结构，解决了弹热材料在拉伸产生热量与恢复产生冷量的过程中存在的热量死区以及热量分布界限不明显的问题。

4、利用弹热材料作为制冷制热原材料，其中天然橡胶、钓鱼线以及镍钛合金等多种普通材料都是弹热材料，装置成本低，在廉价原料的基础上能高效利用材料的弹热性能，同时无污染无排放，在节能减排上具有极大优势。另一方面，装置结构简单，制造简便，成本廉价，便于推广及产品的广泛使用。

5、随着传统制冷技术的发展，制冷剂产生的温室效应、臭氧空洞等环境问题日益严重，亟需利用环保高效的新型制冷制热技术来缓解现在的环境问题，另外在能量利用上，此装置的能量利用效率比一般的传统制冷技术的效率高，间接的节约了能源与资源，市场需求良好。

6、本装置结构简单，成本低廉，实现了对新型制冷技术(弹热效应制冷/制热)的利用，能够广泛应用于医学研究、物质分离技术、工业生产等领域以及日常生活中的保温冷却设备中，达到了节能减排的目的。

7、由于装置制冷与制热产生的温度与环境温度的温度差比较小。如果想大规模的使用在所需温差较大的地方，需要将空气逐级加热，每级加热产生一点温差，将这些温差进行累积，最后会形成较大的温差以满足生产生活的需求。这样看来，本发明的装置就可以看成一个大装置其中的一个模块，即本申请可以通过模块化的思想，将温度分级，可以大规模工业化推广，尤其是在国家越来越重视环境问题的情况下。此装置制冷制热效果可观，高效率、高寿命、无污染，缓解现在日益严重的环境问题的同时节约大自然的资源，实现了节能减排，未来市场需求良好。

附图说明

图1为本发明装置的示意图；

图2为本发明装置隔热海绵处的细节图；

图3为本发明装置的正视图；

图4为进行材料性能测试装置示意图；

图5为三种材料在应力作用下产生的温度效应图；

图6为镍钛合金的应力应变曲线图；

图7为齿轮和螺栓组成部分的效果实验示意图；

图8为齿轮、螺栓及弹热材料组成部分的红外效果图；

图9为本发明的装置在不同频率作用下冷端和热端的温度效应变化曲线图；

图10为相界面面积随频率变化曲线图；

图11为当弹热材料为镍钛合金时本发明装置的实验效果图；

其中，1-电机，2-传动轴，3-减速器，4-齿轮，5-螺栓，6-隔热海绵，7-挡风板，8-引流板，9-风扇，10弹热材料。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本发明的工作原理为：考虑到弹热材料的弹热性质，即通过对弹热材料进行应力的加载和卸载，使其内部组织结构发生奥氏体与马氏体之间的相互转变，进而使材料发生熵的改变，产生制热制冷效应。本装置通过两个呈一定角度的齿轮实现对弹热材料的拉伸与释放，拉伸和释放过程中产生的冷热量通过引流板内风扇吹入的空气将其带走，在出口处产生制冷制热效应。

本发明工作过程为：通过电气动力模块对齿轮提供动力，齿轮上的弹热材料在齿轮的作用下进行循环的拉伸与恢复，利用弹热材料的弹热效应，弹热材料在外力拉伸和恢复的作用下会产生材料内部马氏体和奥氏体之间的转变，这种转变过程伴随着热效应的产生，拉伸过程弹热材料放出热量产生制热效应，恢复过程吸收热量产生制冷效应，产生的热量与冷量通过风扇、挡风板、引流板和隔热海绵组成的能质运输结构进行储存与传输。

本发明中冷端和热端会一直维持在上面和下面，每根弹热材料到齿轮的最上端时都会对外界环境吸热，产生的冷量在这个位置堆积，形成持续的冷，齿轮下面的同理，会堆积热量，形成持续的热。一根弹热材料在上部是原长，在下部被拉伸。随着齿轮的转动，材料首先被拉伸制热，然后恢复制冷，它的热量变化过程应该是先往下走，温度升高，然后这部分热量被下部引流板内的空气带走让材料恢复至室温，然后再往上走制冷，然后上部引流板内的空气把这冷量带走让材料恢复室温，这么往复实现效果。

本发明的意义为：利用特定固态金属微观结构变化造成的周围环境温度变化的特性制备出一种新型的基于弹热效应的冷热联供系统。在结构方面创新性地采用了倾斜式轴向转动装置实现轴向加载和卸载功能，并提出模块化分级加热供给的思想将产生的冷热量进行累积，同时采用特殊材料减少热量的扩散，进而实现了零排放、高效实用、环境友好的新型联合制冷制热系统的设计。

具体实施方式一：本实施方式记载的是一种基于弹热效应的冷热联供装置，如图1～3所示，所述装置包括电气动力模块、传动轴2、两个齿轮4、若干个螺栓5、隔热海绵6、挡风板7、两个引流板8、风扇9和若干根弹热材料绳10；

所述两个齿轮4均安装在传动轴2上，两个齿轮4的外圆周面均布加工有若干个平面，每个所述平面处均沿径向设有螺纹孔；所述电气动力模块驱动两个齿轮4的同步转动；所述两个齿轮4左右对称设置，每个齿轮与竖直平面之间的夹角为α，α＝3.16°，所述隔热海绵6为圆柱状，高度为所述两个齿轮的最大距离；每个所述齿轮4的若干个螺纹孔与若干个螺栓5螺纹连接，每个齿轮4通过其上的若干个螺栓5与该齿轮4外圆周面上的若干个平面的挤压作用将若干根弹热材料绳10压紧固定，若干根弹热材料绳10组合形成的空间内填充有隔热海绵6；

所述两个引流板8上下对称设置，并设置在若干根弹热材料绳10组合形成的空间的上方和下方，两个引流板8位于同一侧均设有进风口，另一侧均设有出风口，引流板8与隔热海绵6不接触，所述两个引流板两侧之间形成的两个敞口，其中一个所述敞口固定有挡风板7，另一个敞口敞开，所述风扇9固定在挡风板7的外侧。

两个齿轮4的外圆周面通过铣床加工为若干个平面，齿轮4的主要作用是通过安装在螺纹孔上的螺栓5将由弹热材料制成的绳进行压紧固定。30个螺栓5可以固定60根弹热材料绳10，这些弹热材料绳10在两个齿轮4的中间形成一个封闭的类似圆柱体，将隔热海绵6填充在圆柱体内，隔热海绵6跟着两边的齿轮4一起转动，由于隔热海绵6具有压缩性在两个齿轮4之间距离小的地方被压缩，距离大的地方被释放。

具体实施方式二：具体实施方式一所述的一种基于弹热效应的冷热联供装置，所述电气动力模块包括变频器、电机1、减速器3；

所述变频器连接电源，变频器控制电机1的转速，所述电机1输出轴与减速器3输入轴相连，所述减速器输出轴与传动轴2相连。电气动力模块可以为一个或两个，若为一个，则传动轴2需要连接万向轴，将动力传递到另一个齿轮4，保证两个齿轮4的同步运行；若为两个，则两个齿轮4分别通过两个电气动力模块进行控制，具体地，可通过PLC模块控制两个电气动力模块的同步运行。

具体实施方式三：具体实施方式一所述的一种基于弹热效应的冷热联供装置，所述弹热材料为镍钛合金、天然橡胶、钓鱼线或镍钛铜合金中的一种。

具体实施方式四：具体实施方式一所述的一种基于弹热效应的冷热联供装置，所述隔热海绵6由普通固体海绵表面设置隔热胶制成，主要作用是减少热量的损失。隔热海绵6夹在两个齿轮4之间，跟随齿轮4一起运动，由于海绵具有可压缩性，在齿轮4之间距离短的地方，隔热海绵被压缩，在齿轮之间距离长的地方，隔热海绵被释放。

具体实施方式五：具体实施方式一所述的一种基于弹热效应的冷热联供装置，所述引流板8由可塑海绵和电线组成，电线制成与引流板8形状一致的上下两层结构，在所述两层结构之间固定可塑海绵，电线与可塑海绵表面设置有隔热胶。电线的作用是对可塑海绵进行定形，使其保持一个与装置匹配的结构。由于装置的冷热端距离比较近，通过在两个齿轮4之间加隔热海绵6实现冷热端的分离，风扇9对装置进行传热介质的输送，传热介质通过引流板8与镍钛合金表面进行换热，分别在出风口的上下两端产生冷热效应。

具体实施方式六：具体实施方式一所述的一种基于弹热效应的冷热联供装置，所述两个引流板8均由中间的圆弧板一82和固定在两侧的两对引风板81组成，所述圆弧板一82为拱形板。

实施例1：

1、本实施例采用的弹热材料为镍钛合金，在室温23.9℃下进行应力拉伸温度测试，测试装置如图4所示，镍钛合金产生的温差为19℃。对比室温，产生温度降低的效果为7.1℃，上升的温度效果为11.9℃。同时，对天然橡胶、钓鱼线也进行了测试，结果如图5所示。

2、材料的应力拉伸实验

镍钛合金的运行效率有两种衡量方式，即能效比(COP)计算和理论卡诺循环COP百分比计算，以下分别进行这两种衡量方式的计算。

2.1、镍钛合金能效比(COP)计算

本装置采用拉伸镍钛合金丝的方法来进行制冷与制热，选取的镍钛合金丝长度30cm，直径0.2mm，其密度为6.5g/cm³，镍钛合金的弹热效应为20K，具有超过12J/g的潜热。镍钛合金的应力应变曲线如图6所示。

根据镍钛合金的应力应变曲线计算减速电机输入的机械功

W＝∫Fds＝3.088J/g (1)

计算得出

其中，W为减速电机输入的机械功，F为镍钛合金所受的的拉力，s为镍钛合金纵向拉伸的伸长量，COP为能效比(衡量能源转化效率，计算方法就是产生的效益与输入的代价之比)，Q为镍钛合金丝的相变潜热。此结果与新能源的一级能耗COP＝3.6相比还是略胜一筹。

2.2、镍钛合金理论卡诺循环COP百分比计算

根据镍钛合金的弹热效应可知镍钛合金工作温差为

T_max-T_min＝40K (3)

可计算出理论卡诺循环的能效比为

根据上文计算得出COP＝3.886，则可计算出理论卡诺循环COP百分比为

其中：T_max为镍钛合金拉伸时表面所能达到的最大温度(当镍钛合金产生的制热效应时，材料表面所能达到的最大温度)，T_min为镍钛合金恢复原长时表面所能达到的最低温度(当镍钛合金产生的制冷效应时，材料表面所能达到的最小温度)，COP_k为理论卡诺循环的COP(能效比)，D为镍钛合金理论卡诺循环COP百分比。

通过对以上两种衡量方式的计算，可以发现镍钛合金的制冷制热效率很高，非常具有利用价值。

3、齿轮运行频率效果实验

如图7为实验装置的示意图，为选取适当的运行频率，需要对在没有引流板时的齿轮、螺栓及弹热材料组成的部分进行效果测试，通过对不同运行频率下冷热两端的温度差统计以及对冷热分界面面积的对比，选取出恰当的运行频率(即控制电机的运行转速，进而控制传动轴的转速)。其中某一测量结果如图8所示，通过红外热像仪拍摄的结果，在电脑上进行数据处理，分别记录在不同运行频率下冷端和热端的温度，并将数据整理成图像如图9所示，其中冷热之间的距离为装置冷热两端产生的温差。冷热分界面面积即为当一根镍钛合金丝表面即存在比室温高的温度又存在比室温低的温度时，这根丝所扫过的面积，统计结果如图10所示。在装置的镍钛合金丝达到30根的时候，电机的启动频率为12.22Hz，每隔频率大约2Hz进行一次数据的测量，统计结果如下，

通过统计结果可以看出频率对冷热端最高温度与最低温度的温差影响较小，就其趋势来看，当频率越低时，冷热端温差越大。通过相界面面积的变化可以得出频率越低相界面面积越小，冷热交融越少，效率越高，所以在装置运行时应选取频率尽量低的启动频率即可。

4、能质运输性能测试分析

通过以上实验的铺垫，在材料的种类和电机的频率确定下来之后，风速为0.2m/s，测量结果如图11所示。通过实验测得两个引流板出口温差为6.2℃，和室温相比冷端下降温度为2.5℃，热端上升温度为3.7℃，综合装置性能与计算结果大致匹配良好。实验结果表明，在电机启动频率下，风速为0.2m/s～3m/s，均可实现较好的制冷制热效果。

5、经济效益分析

以弹热材料作为原料，产生热量的同时避免了燃料燃烧产生的污染，更加绿色环保。表1列举了现有的空调制冷方式与本发明在效率与成本的比较。本发明提出的基于弹热效应制冷/制热的冷热联供系统的工作效率较高，成本相对较低，且节能环保，具有较好的经济效益，能够实现节能减排的目的。

表1空调制冷与弹热制冷的对比表

制冷方式	制冷性能系数	功耗(kw·h)	制冷量(kw·h)
				空调制冷	3.5	0.9	3.2
弹热制冷	3.9	0.5	1.95

假设一个150m³的空间内温度为30℃，欲使用制冷设备使温度下降5℃。若使用空调制冷，则需要57W的能耗，且有制冷剂的使用；使用新型弹热装置，则需要52W的能耗，无其他污染物的排出。据统计2019年全球空调总量约16亿台，其中中国占据34％，一年共耗电约1.932×10¹³kW·h，如果使用新型弹热装置代替1％空调使用，一年可以节约电量1.98×10¹⁰kW·h。

Claims (6)

1.一种基于弹热效应的冷热联供装置，其特征在于：所述装置包括电气动力模块、传动轴(2)、两个齿轮(4)、若干个螺栓(5)、隔热海绵(6)、挡风板(7)、两个引流板(8)、风扇(9)和若干根弹热材料绳(10)；

所述两个齿轮(4)均安装在传动轴(2)上，两个齿轮(4)的外圆周面均布加工有若干个平面，每个所述平面处均沿径向设有螺纹孔；所述电气动力模块驱动两个齿轮(4)的同步转动；所述两个齿轮(4)左右对称设置，每个齿轮与竖直平面之间的夹角为α，α＝3.16°，所述隔热海绵(6)为圆柱状，高度为所述两个齿轮的最大距离；每个所述齿轮(4)的若干个螺纹孔与若干个螺栓(5)螺纹连接，每个齿轮(4)通过其上的若干个螺栓(5)与该齿轮(4)外圆周面上的若干个平面的挤压作用将若干根弹热材料绳(10)压紧固定，若干根弹热材料绳(10)组合形成的空间内填充有隔热海绵(6)；

所述两个引流板(8)上下对称设置，并设置在若干根弹热材料绳(10)组合形成的空间的上方和下方，两个引流板(8)位于同一侧均设有进风口，另一侧均设有出风口，引流板(8)与隔热海绵(6)不接触，所述两个引流板两侧之间形成的两个敞口，其中一个所述敞口固定有挡风板(7)，另一个敞口敞开，所述风扇(9)固定在挡风板(7)的外侧。

2.根据权利要求1所述的一种基于弹热效应的冷热联供装置，其特征在于：所述电气动力模块包括变频器、电机(1)、减速器(3)；

所述变频器连接电源，变频器控制电机(1)的转速，所述电机(1)输出轴与减速器(3)输入轴相连，所述减速器输出轴与传动轴(2)相连。

3.根据权利要求1所述的一种基于弹热效应的冷热联供装置，其特征在于：所述弹热材料(10)为镍钛合金、天然橡胶、钓鱼线或镍钛铜合金中的一种。

4.根据权利要求1所述的一种基于弹热效应的冷热联供装置，其特征在于：所述隔热海绵(6)由普通固体海绵表面设置隔热胶制成。

5.根据权利要求1所述的一种基于弹热效应的冷热联供装置，其特征在于：所述引流板(8)由可塑海绵和电线组成，电线制成与引流板(8)形状一致的上下两层结构，在所述两层结构之间固定可塑海绵，电线与可塑海绵表面设置有隔热胶。

6.根据权利要求1所述的一种基于弹热效应的冷热联供装置，其特征在于：所述两个引流板(8)均由中间的圆弧板一(82)和固定在两侧的两对引风板(81)组成，所述圆弧板一(82)为拱形板。

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