卡路里效應材料在固態熱泵中的應用

自1987年《蒙特利爾議定書》發布以來，改變制冷和空調的工作方式一直是近年來的熱門話題。人們急切需要相應對策用以緩解由于使用空調制冷而導致的對臭氧消耗和隨之而來的全球變暖的現實。

“卡路里冷卻”（Caloric Cooling）是利用固體材料進行制冷、供暖通風和空調（HVAC）的技術，它的原理是基于作為制冷介質的“卡路里固態材料”的不同的熱物理效應（機械熱，電熱和磁熱效應）。這一技術的優點是不會使用對環境有害并導致全球變暖的溫室氣體。它可以在噪音很小的情況下運行，并且其系統組件有回收的潛力。“卡路里冷卻”有可能最終成為傳統蒸氣壓縮制冷的真正替代品。

“卡路里熱泵（Caloric heat pump）”研究的目標是基于活性“卡路里”再生（ACR：Active Caloric Regenerative）熱泵循環，該循環是基于布雷頓循環（Brayton-based cycle），其中“卡路里”固體材料既充當制冷劑又充當熱泵系統的再生器。系統的四個循環過程如圖所示。

如圖所示，ACR系統通過從較冷的外部環境提取熱量，然后將熱量通過系統傳送到室內。從在ACR再生器中施加外場Y并將其保持在最大值（Y1）的條件開始，圖a可以看到其絕熱場減弱，直到達到最小值（Y0）。因此，“卡路里”固體材料表現出其獨特的熱物理效應，材料溫度會降低。然后，輔助流體從較熱的熱交換器（HHEX）流向較冷的熱交換器（CHEX），穿過再生器并對其進行加熱（圖b）。在絕熱條件下外場從Y0增加到Y1（圖c），由于材料的熱物理效應，蓄熱器進一步發熱。因此，通過再生器，較冷的熱交換器（CHEX）轉換成較熱的熱交換器（HHEX），在HHEX處流體被加熱（圖d），從而建立所需要的ACR循環。

活性“卡路里”再生（ACR）熱泵循環：a 絕熱場減弱；b HHEX到CHEX的熱量轉移；c 絕熱場增強；d CHEX到HHEX的熱量轉移

本文繪制了使用不同熱效應材料的固態熱泵能量性能圖。進行研究時考慮了多種熱效應材料，并基于活性“卡路里”再生（ACR）熱泵循環系統進行評估。數值計算是通過二維模型執行的，該二維模型已在先前的研究中得到驗證，模型通過有限元方法進行求解。所使用的固體材料是電熱和機械熱驅動的，作為基準磁熱材料的“釓”也通過了比較測試。我們評估了“卡路里”固體材料熱泵的熱物理性能，如溫度跨度，加熱功率和性能系數COP。從全局考慮出發同時評估這三個能量參數，我們認為機械熱是最適合熱泵應用的熱效應，尤其是基于彈性熱的Ni-Ti和重熱的乙氧基硅橡膠，對比所需能耗，這種獨具創新的熱泵系統能夠實現令人滿意的性能系數和所需的溫差需求。