不同温度下天然橡胶扭拉热效应分析

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.天然橡胶由于价格低廉,弹性模量较小而备受关注.本文在0℃以上的环境温度对硫化天然橡胶进行拉伸-加捻-解捻-回缩循环消除Mullins效应,并在环境温度为-30～40℃范围内对消除了Mullins效应的天然橡胶进行循环加载,采用红外热像仪记录循环过程中天然橡...     

涡流管热冷出口压力比对其性能的影响研究

采用Fluent数值模拟的方法,以R41、R23、R32、R290、R1234yf、R134a为工质对涡流管进行三维数值模拟,得出不同工质涡流管制冷效应、制热效应以及分离效应随热冷出口压力比的变化规律,并以R41为工质分析不同流道数目涡流管性能随热冷出口压力比的变化规律。模拟结果表明:R41的制冷、制热以及分离效应最好,最大分离效应可达5 K左右;不同工质涡流管制热效应以及分离效应随热冷出口压力比的增大而增大,制冷效应随热冷出口压力比的增大而减小;不同热冷出口压力比条件下,随着喷嘴流道数的增加涡流管制冷效应逐渐降低而制热效应逐渐升高。     

弹热制冷技术的发展现状与展望

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,特点是无任何环境破坏作用,具有较高的理论制冷效率和制冷功率密度。近年来,欧美多个研究机构对弹热制冷技术进行了持续性研究,使该技术得到快速发展,已有多个可实际工作的弹热制冷原型机。本文从热力学理论基础、弹热工质、原型机开发和系统性能仿真等方面展开分析与讨论,为国内同行开展弹热制冷相关领域的研究提供参考。根据文献资料,现阶段弹热制冷机的制冷效率可达14%的热力完善度(外部参数),且有潜力在未来达到30%的热力完善度,从长远来看,材料层面的热力完善度可达80%,在系统层面还有较大性能提升空间。因此,可以持谨慎乐观的态度认为,弹热制冷技术在今后将得到更快、更广泛的发展和应用。     

基于镍钛片的弹热冰箱设计与仿真研究

弹热制冷通过单轴应力驱动弹热工质发生相变而产生制冷作用,由于其具有较高的理论制冷效率且温室效应为零,因此被认为是一种替代传统蒸气压缩式制冷的新型固态相变制冷技术。本研究团队从提升弹热原型机紧凑型角度出发,已研发了两代基于拉伸镍钛丝的弹热冰箱。为进一步提升弹热冰箱的制冷性能,本文使用镍钛片替换镍钛丝作为弹热工质,设计了第三代弹热冰箱,并构建系统仿真模型。通过仿真预测了第三代弹热冰箱的性能,结果表明：相较于前两代弹热冰箱,性能均有提升。在绝热工况下,第三代弹热冰箱将能够实现12℃的制冷温差,在热端散热工况下,弹热冰箱能实现11.4℃的冷端温降以及零温差下0.59 W/g的制冷功率。通过增加拉伸应变、更换潜热更大厚度更薄的弹热工质以及增大电机转速,弹热冰箱在32℃环温条件下能够维持10.7℃的冷藏温度。     

天然橡胶的弹热制冷性能研究

以天然橡胶为研究对象,利用弹热效应理论,首先在电子万能试验机以500 mm/min的拉伸速率及800%的形变量对天然橡胶进行消除马林斯效应试验,经过9次的加载及卸载后,基本已消除了马林斯效应,随后通过自主搭建的试验台观察消除了马林斯效应后的天然橡胶在600 mm/min的及800%的形变量下的循环拉伸过程中温熵随时间的变化情况。通过实验分析得出消除了马林斯效应后整个系统温升为5.2℃,换热比熵为12.8 J/(kg·K),其理想条件下的制冷系数约为57.3,这主要由于天然橡胶的高弹性和结晶性,但以500 mm/min时为参考,其实际制冷系数为1.648。     

近室温磁制冷合金材料的研究进展及发展前景

磁制冷技术是一种高效节能、绿色环保、可靠性强的先进制冷技术,其核心原理是磁性材料的磁热效应,即磁制冷工质等温磁化时向外界放出热量,绝热退磁时从外界吸收热量.理论上所有的磁性材料都具有磁热效应,但只有极少数具有显著磁热效应的磁性材料可用于磁制冷.因此,研发具有较大磁热效应的磁制冷工质是决定磁致冷技术能否得到应用和推广的关键因素.经过几十年的发展,人们陆续发现了许多性能优异的磁制冷材料,推动和促进了磁制冷技术的发展.目前,磁制冷技术在20 K以下的低温区已经得到了较为广泛的应用,如液氦的制备、低温物理研究以及航空航天等领域都采用了磁制冷技术.低温区的磁制冷材料通常为顺磁状态,其构型熵可以忽略不计,但随着温度的升高,用于低温区磁制冷的顺磁材料的晶格振动变大,构型熵对磁制冷系统的影响不可忽略,即传统的顺磁态磁制冷工质在近室温区已不再适用,因此研发近室温区的磁制冷材料具有重要意义.近20年间,国内外研究者对近室温区磁制冷材料进行了大量研究并取得了许多重要成果,如以Gd(SiGe)4、La(FeSi)13、MnAs合金和NiMn基Heusler合金等为代表的具有优异磁热效应的一级相变磁制冷材料,这些合金的磁热效应通常是由结构相变与磁相变的叠加引起的,但常常伴有较大的热滞与磁滞损耗,进而会大幅度降低磁制冷的效率.除了一级相变磁制冷材料外,还有稀土Gd及其化合物、Gd基非晶态合金等具有二级磁相变的近室温磁制冷材料.其中,Gd基非晶态合金具有制冷温区宽、涡流损耗低、磁滞低、成分范围宽、耐腐蚀和易于加工等优点,其较宽的制冷温区特别适合室温埃里克森磁制冷循环,具有广阔的应用前景.本文简要介绍了磁热效应的原理以及磁制冷技术的发展,重点介绍了近室温磁制冷材料的磁热性能和最新研究进展,包括Gd(SiGe)4、La(FeSi)13、MnAs合金、NiMn基Heusler合金等一级相变磁制冷材料和具有二级磁相变的Gd基非晶态合金,并分析了它们作为磁制冷材料的优点和存在不足,讨论了各系材料未来的发展方向和趋势.     

室温磁工质与磁制冷机的研究和开发

室温磁制冷作为一种高能效、环境友好和运行可靠的制冷技术,具有广阔的应用前景。室温磁制冷技术利用磁工质的磁热效应以及AMR循环实现制冷。在过去数十年的探索中,室温磁制冷的研究主要集中于磁工质的研发和磁制冷机的设计。本文综述了目前已开发的几种典型的室温磁工质以及研制的磁制冷样机。目前研究较丰富的室温磁工质主要包括稀土金属Gd及其合金、NaZn₁₃型La(Fe, Si)₁₃系合金以及Fe₂P型MnFePAs系合金,本文对它们的磁热性能进行对比并分析存在的实际应用问题。基于运行方式的不同,目前研制的磁制冷样机主要分为往复式和旋转式,介绍了不同研究机构研发的磁制冷样机的实验参数与制冷性能。回顾了室温磁制冷技术在不同领域已取得的实际应用,并对该技术未来的发展趋势进行展望。     

驻波型热声压缩机驱动脉管的最新结果

热声驱动脉管制冷机中由于完全无运动部件,具有运行稳定、寿命长等优点,经过对先前已经达到138K的热声驱动脉管制冷机进行系统的改进,在国内首次使该类型的制冷机进入低温温区,以氦气为工质获得了119.7K的制冷温度,这一温度已经能够液化一个大气压表压下的天然气（主要成分：甲烷）,显示出该制冷方式广阔的应用前景,此外,研究了混合工质对热声驱动脉管制冷系统性能的影响情况,并获得了117.6K的最低制冷温度。     

形状记忆合金弹热效应研究进展

传统的气体压缩制冷技术已不能满足人类对环保节能的要求,新型制冷技术的开发近年来受到了越来越多的关注。与传统气体压缩制冷技术相比,固体制冷技术效率高、对环境友好,引起材料科学界的广泛关注。其原理是通过改变材料的外场环境,如磁场、电场或应力场,使材料的性质(结构、磁矩等)发生改变,从而产生各种热效应,即磁热效应、电热效应、机械热效应(弹热效应、压热效应)。研发具有高的热效应、宽的工作温度范围和性能稳定的室温固体制冷材料是提升固态制冷技术的关键。其中,利用形状记忆合金(SMAs)在单轴循环应力下诱发的弹热效应制冷是目前最有前景的固体制冷技术之一。弹热效应(Elastocaloric effect,eCE)是利用形状记忆合金马氏体相变过程中产生的潜热,在应力诱发马氏体相变和逆相变过程中,材料放出和吸收相变潜热,借助制冷循环装置即可实现固体制冷。在研究过程中,弹热制冷展现出很多优点,如大而可逆的绝热温变、简单的应力驱动方式、超宽的温度适用范围等。但现阶段发现的弹热材料也存在疲劳寿命短、滞后损耗大和应变分布不均匀等问题。2014年,美国能源部将弹热制冷列为17种替代气体压缩制冷的新技术之首,推荐为最有希望发展的固体制冷模式。近年来,科学家在室温附近诸多形状记忆合金的马氏体相变及其他材料的固态相变中测量出巨大的弹热效应,如Cu-Zn-Al、TiNi-(Cu)、Fe-Pd、Ni-Mn-Sn-(Cu)、Ni-Mn-In-Co等。衡量弹热效应大小的参数主要有绝热温变ΔTad和等温熵变ΔSiso,可以通过直接或间接的方法获得。利用形状记忆合金的应力-应变曲线和麦克斯韦方程可以计算材料的等温熵变ΔSiso,间接地表征弹热效应的大小。而鉴于弹热效应驱动方式简单,更简便的衡量方法是直接测量绝热温变ΔTad,即使用精密的测温设备测量材料相变前后的温度。这种方法不仅可以表征弹热效应的大小,还能了解其热效应产生过程中的细节,如弹热过程中材料温度变化的位置、趋势等。本文综述了传统记忆合金(Cu基、Ni-Ti基、Fe基)和新型铁磁性记忆合金(主要是Ni-Mn基)弹热效应的研究进展,分析了不同类型记忆合金在弹热制冷方面的优缺点,最后对弹热制冷材料的发展进行了展望。     

具有独立气路的液氦温区G-M型二级脉管制冷机性能研究

研究了一台具有独立气体回路的液氦温区G-M型二级脉管制冷机的制冷性能.目前的实验装置由两套独立的单级双向进气型脉管系统构成,第一级冷头对第二级进气的预冷通过安装在第二级回热器中部的换热器与一级冷头之间的热联接来实现.研究表明,该制冷机采用4He为工质,分别以Leybold CP4000和RW2氦压缩机来驱动第一级和第二级,可以获得2.18 K的最低无负荷制冷温度,4.2 K提供的最大制冷量为595 mW.     

Microstructure and giant baro-caloric effect induced by low pressure in Heusler Co51Fe1V33Ga15 alloy undergoing martensitic transformation

Solid-state refrigeration based on the magneto-or mechano-caloric effect,including elasto-and barocaloric in ferroic phase transition materials is promising to replace the current vapor compression refrigeration in consideration of environmental-friendliness and energy-saving.However,both high driven field and small thermal changes in all of these caloric materials hinder the development of solid-state refrigeration.Here we report a giant baro-caloric effect near room temperature induced by a low hydrostatic pressure in Co-based Co51Fe1V33Ga15 Heusler alloy.The maximum adiabatic temperature change under the applied pressure change of △p=0.1-100MPa can be as high as △TMaxad=7.7 K (△TMaxad / △preaches up to ～7.7 K kbar 1),surpassing the △TMaxad/△pvalue reported hitherto in baro-caloric alloys.In addition,the microstructure is also studied by using the electron microscopes.Along with the austenite and martensite,the submicron V-rich particles are precipitated in this alloy,which are believed to account for enhancing mechanical properties.     

电卡制冷材料与系统发展现状与展望

电卡制冷循环基于巨电卡效应,利用电介质极化/退极化过程中的可逆焓变实现热力学循环.电卡制冷循环使用固态工质,环境友好、能量转化效率高.固态工质直接由电能驱动,结构简单,在微系统制冷领域拥有潜在技术优势.近十年来,国际上多个研究机构在铁电陶瓷、单晶、高分子、液晶等凝聚态材料中陆续观测到巨电卡效应;电卡制冷热力学循环研究亦...     

Materials with Giant Mechanocaloric Effects: Cooling by Strength

The search for materials with large caloric effects has become a major challenge in material science due to their potential in developing near room‐temperature solid‐state cooling devices, which are both efficient and clean, and that can successfully replace present refrigeration technologies. There are three main families of caloric materials: magnetocaloric, electrocaloric, and mechanocaloric. While magnetocaloric and electrocaloric materials have been studied intensively in the last few decades, mechanocaloric materials are only very recently receiving a great deal of attention. The mechanocaloric effect refers to the reversible thermal response of a solid when subjected to an external mechanical field, and encompasses both the elastocaloric effect, corresponding to a uniaxial force, and the barocaloric effect, which corresponds to the response to hydrostatic pressure. Here, the state of the art in giant mechanocaloric effects is reviewed and a critical analysis of the thermodynamic quantities that characterize the major families of barocaloric and elastocaloric materials is provided. Finally perspectives for further development in this area are given.     

Large magnetocaloric effect and magnetoresistance in ErNi single crystal

The magnetic properties,magnetocaloric effect and magnetoresistance in ErNi single crystal have been investigated in detail.With decreasing temperature,ErNi single crystal undergoes two successive mag-netic transitions:a paramagnetic to ferromagnetic transition at Tc=11 K and a spin-reorientation transition at TSR=5 K.Meanwhile,a sharp field-induced metamagnetic transition is observed below the Tc along the a axis.ErNi single crystal possesses a giant magnetocaloric effect around Tc.The maximum magnetic entropy change is-36.1 J(kg K)-1 along the a axis under the field change of 0-50 kOe.In par-ticular,the rotating magnetocaloric effect in ErNi single crystal reaches its maximum under a relatively low field,and the maximum rotating entropy change with a value of 9.3 J(kg K)-1 is obtained by rotat-ing the applied field from the[011]to[100]directions under 13 kOe.These results suggest that ErNi could be a promising candidate for magnetic refrigeration working at liquid-helium temperature region.Moreover,a complicated transport behavior is uncovered in ErNi single crystal,which is attributed to the complex magnetic states and magnetic polaronic effect.Both positive and negative magnetoresistance are observed.A considerable large magnetoresistance with the value of-34.5％is acquired at 8 K under 50 kOe when the field is along the[100]direction.     

NiTi基形状记忆合金弹热效应及其应用研究进展

NiTi合金作为性能最优异的形状记忆合金之一,已经广泛应用于航空航天、电子、建筑、生物医学等领域。近年来,NiTi基合金极佳的力学性能、巨大的弹热效应和良好的机械加工性使其在弹热制冷领域引起了广泛关注。然而,传统NiTi二元合金超弹性应力滞后大,超弹性和弹热效应循环稳定性差,达不到实际应用所需的长期服役要求。本文介绍了NiTi基合金的弹热效应研究进展,从掺杂合金元素、热机械处理、改变制备方法等角度综述了近几年NiTi基合金弹热效应改进优化的研究进展,同时本文也简要介绍了已经开发的基于NiTi基合金的弹热装置或原型机。但是目前NiTi基合金弹热材料的研究和原型机的开发仍处于实验阶段,实现其商业化应用需要进一步深入研究和优化,未来前者研究重点将集中在材料小型化、合金化或特殊处理及改变循环方式等方面,后者也将从提高热量传输效率、加强热量交换、减小摩擦等损耗、改进机械负载和循环模式等方面不断优化和完善。     

考虑应变均值影响的天然橡胶隔振元件疲劳寿命预测

对橡胶试柱进行单轴疲劳试验,分析了应变幅值一定时,应变均值对疲劳寿命的影响。以哑铃型天然橡胶试柱为研究对象,通过有限元计算分析,得到了加载位移与橡胶试柱危险位置处最大主应变的关系。构建了应变均值函数,以应变比R=0时的 曲线为基准疲劳寿命曲线,建立了不同应变均值和幅值下的天然橡胶隔振元件的疲劳寿命预测模型。使用该模型预测得到的哑铃型天然橡胶试柱疲劳寿命与试验疲劳寿命具有较好相关性。文中提出的天然橡胶元件的疲劳寿命预测模型,可用于建立天然橡胶材料的疲劳寿命数据库。     

Single crystals of Dy1-xGdxVO4 for magnetic applications

Single crystals of Dy1-xGdxVO4 with a constant diameter were grown by the Czochralski method. These single crystals are antiferromagnetic in the temperature region below 3 K. The magnetization of the single crystals which have tetragonal symmetry along the a and c axes was measured with a superconducting quantum interference device magnetometer in the paramagnetic temperature region above 3 K. The Jahn–Teller effect for the magnetization on DyVO4 was weakened by the substitution. On the basis of the values of the magnetization, the magnetic entropy change along each crystal axis was estimated for the magnetic refrigeration. Single crystal Dy0.75Gd0.25VO4 is a promising material for the magnetic refrigerants using the Carnot cycle in the temperature range between 4.2 and 20 K. © 1998 Chapman & Hall