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《我国学者研发出新型热驱动热声制冷系统》

  • 来源专题：能源情报网信息监测服务平台
  • 编译者： guokm
  • 发布时间：2024-02-08

  • 记者2月6日从中国科学院理化技术研究所获悉，该所科研人员提出一种新型高效热声制冷系统的流程设计方案，利用该方案研发的热驱动热声制冷系统，其能效比远超同类型系统，可媲美部分双效吸收式制冷系统。相关研究成果在线发表于《细胞报告物理科学》和《应用物理快报》。

    热驱动热声制冷机是一种新兴的制冷技术，它基于气体工质的交变流动与邻近固体壁面之间的热相互作用（热声效应）而工作。热声制冷技术一般采用惰性气体工质，被认为是一种具有巨大应用前景的新一代制冷技术。

    此次，研究团队首次揭示了高效热驱动热声制冷系统中声场、温度场以及能流场互相耦合及最佳匹配工作机制，并在此基础上提出了新型的热驱动热声制冷工作流程，从而大幅度提高了系统的整机热制冷效率。

    “实验中采用氦气作为工质时，当热源温度为450摄氏度，在环境温度35摄氏度、制冷温度7摄氏度的标准空调制冷工况下，热驱动热声制冷系统的性能系数达到1.12，制冷功率为2.53千瓦。”论文通讯作者、中国科学院理化技术研究所研究员罗二仓说，在相近的工况下，该性能系数是以往报道的同类型样机最高水平的2.7倍，并超过现有吸附式和单效吸收式制冷技术的水平，可媲美部分双效吸收式制冷系统。

  • 原文来源：http://www.cnenergynews.cn/kejizhuangbei/2024/02/07/detail_20240207147183.html
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    • 编译者：郭楷模
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    • 在国家自然科学基金项目（批准号：62134009，62121005）等资助下，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所李炜研究员团队及其合作者在热光子学领域取得新进展。研究团队利用热光子学手段，成功实现了热辐射角度和光谱的跨波段协同调控，并设计出具有跨尺度对称破缺性、角度非对称光谱选择性的定向发射器件，在国际上首次实现了竖直表面的日间亚环境辐射制冷。相关成果以“竖直表面的日间亚环境辐射制冷（Subambient daytime radiative cooling of vertical surfaces）”为题发表在《科学》（Science）杂志上，论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn2524。并且该成果获3项授权专利。 热辐射是自然界中最重要的能量传递方式之一。然而，传统的黑体辐射因其非定向、非相干、宽光谱、无偏振等固有特性，导致辐射体与其周围所有物体均进行热量交换，极大限制了传热效率和热流操控能力，从而制约了其实际应用。特别是在辐射制冷领域，传统辐射制冷器件通常表现出全向的热辐射特性，因此仅适用于开阔的水平表面（如屋顶）。然而，当这些器件用于竖直表面（如墙面、衣物、车辆侧面等实际场景）时，器件面向低温天空的视场角显著缩小，同时会大量吸收来自地面、周围物体及大气非透明窗口波段向下辐射的热量，导致其亚环境辐射制冷功能失效。尽管近年来一些国际研究团队尝试调控热辐射的光谱或角度，竖直表面的日间亚环境辐射制冷仍然面临巨大挑战。 研究团队以热力学、互易性、波导以及声子激化共振等理论为基础，利用跨尺度对称破缺结构，实现了热辐射在空间角度上的非对称分布以及在光谱上的选择性调控，攻克了竖直表面的日间亚环境辐射制冷难题（图）。这一技术突破了传统辐射制冷器件仅能在水平表面工作的局限，实现了辐射制冷技术从平面应用向实际三维场景的跨维度飞跃，为辐射制冷技术在节能减排等领域的广泛应用奠定了重要基础。此外，该团队提出的设计策略突破了热辐射角度与光谱跨波段协同调控能力，打破了传统黑体辐射在传热效率和热流操控能力上的限制，为热光子学操控打开了全新局面。同时，该成果为高效、精准地调控热流和信息开辟了新机遇，有望在高效能量利用、新型储能以及在空间光学系统中的高精度热控等国家重大需求方面发挥作用。
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  • 《“行走的空调”——东华大学研发出新型面料帮您在夏天保持凉爽》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2020-08-10
    • 炎炎夏日，站在窗边，听着聒噪的蝉声，看着路上稀稀落落的行人和车辆、还有那因为高温而显得模糊不清的路面，你不禁又调低了空调的度数，嘴里喃喃：“太热了太热了，迟点再出门吧” 空调本是人类夏季不可缺少的伙伴之一，但是它带来的环境影响让人们对其又爱又恨：能源危机被认为是21世纪最紧迫的问题，全球15%的电力消耗来自冷却系统。然而，个人制冷仅需要在人体自身的“微气候”中进行热管理即可实现，也就是说现今的制冷方式对于能源而言着实浪费！对此，东华大学的丁彬教授、斯阳研究员等人设计出一种可以在不使用任何电力情况下降温的材料FPU-BN，FPU-BN膜是通过聚合物（聚氨酯）、疏水型聚合物（氟化聚氨酯）和一种导热填料（氮化硼纳米片）混合后通过静电纺丝机制备的（图1a）制成的，可有效将热量从身体散发出去，同时又透气、防水且易于制造，不同于现有的降温技术：被动激活冷却机制或者体积大、重量大不适用于日常生活。该成果以“Thermoconductive, Moisture-Permeable, and Superhydrophobic Nanofibrous Membranes with Interpenetrated Boron Nitride Network for Personal Cooling Fabrics”为题发表在《ACS Applied Materials & Interfaces 》杂志。 图1 （a）FPU/BN膜的制备与结构示意图；（b）FPU/BN膜的防水性、透气性和热传导的示意图 FPU-BN膜的制备与表征 用不同的BN纳米片（BN质量浓度为0、6、12、18和24%）制备了FPU-BN膜，所得膜形貌如图2a-e所示：随着BN含量的增加，BN纳米片随着纺丝射流一起沿着轴向堆积在FPU纳米纤维表面，呈线性的有序排列，纳米纤维相互连接。FT-IR光谱也证实BN纳米片的存在（图2f）上述表征结果证明材料复合膜保持疏水性的多孔结构，以透湿和组织水分渗透。 图2 不同BN含量的FPU/BN膜的SEM图像：（a）0（b）6（c）12（d）18和（e）24%（f） 不同BN含量的BN和FPU/BN膜的FTIR光谱 材料表面湿润性测试 文章探究不同BN膜的表面微观结构与湿润性。图3a显示膜表面的高度变化，随着BN含量的增加，膜表面的粗糙度（Ra值）从0.84μm增加到9.06μm；FPU/BN膜也从疏水状态转变为超疏水性状态；从图3b也可以看出，FPU/BN0纳米纤维表面光滑，与水滴接触面积更大，而含有BN的膜表面与水滴接触的面积减小，阻止水滴湿润材料。 图3 （a）以（1）0％（2）6％（3）12％和（4）18％BN质量比制造的FPU / BN膜的光学轮廓图图像 （b）FPU / BN18-RH90膜的超疏水性示意图 材料的透气性与导热性 人体释放的热量包括水分蒸发热损失和直接散热，材料结构决定水分蒸发热，而直接散热主要受织物的传热控制。因此，从透湿性和导热性2方面探究FPU/BN膜的热管理。静电纺纳米纤维形成的大部分空隙大于0.1μm，大于汗液水分的大小；图4a所示，FPU/BN随着BN纳米片的增加，膜的孔隙率由46%逐渐增加到62.5%，相应微孔膜传湿速率（WVT）从12.0kg m−2day−1提高到13.4。表明膜的孔隙率对膜WVT速率有积极影响，有利于释放水分蒸发。图4b表明，材料的透气性也随之提高，表明材料也可以通过气流轻易地传递热量。 图4 （a）FPU/BN膜的孔隙率和WVT速率（b）薄膜的透气性（c）FPU/BN膜的λ∥和λ⊥变化（d） FPU/BN膜的Rct与Ret变化 为更直观地展现材料的导热性与透气性，作者们加热FM1、FM-2和FM-3膜（FM1、FM-2和FM-3分别表示FPU/BN0膜、FPU/BN18-RH90膜、FPU/BN18-RH30，90/30为纺丝湿度），观察材料的温度变化，如图5a所示：在热传导过程中，FM-3表面温度升高更快，这是因为FM-3超高的热导率而表现出快速的热响应；另外，FM-3膜在加热40s后的平衡表面温度为31.2°C，与FM-1和FM-2相比分别提高了1.2和0.7°C（图5b），表明FM-3膜优越的传热能力，优秀的热转移能力表明材料可以立即转移身体产生的热量，使身体时刻保持凉爽。 接着，作者们将FPU/BN18-RH50膜固定在密闭室之间，密闭室与进气管相连，发现注入的空气很容易通过膜，并在膜表面产生大量的气泡，表明其优秀的透气性。 图5 （a）FM-1、FM-2和FM-3在加热过程中的红外热像图（b）表面温度随FM-1、FM-2和FM-3加热时间的变化（c） FPU/BN膜的防水透气性演示 小结 有了这款“行走的空调”，随时随地享受凉爽舒畅的感受，无惧高温，无畏流汗！并且，研究人员说，这款新型膜不仅可用于个人降温，而且还可用于太阳能收集，海水淡化和电子设备的热管理。 全文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c04486
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