01
背景介绍
能效低：空调场景（5-20°C 温差）下 COP 仅 2.5-4.5，远低于理论卡诺效率；
环保问题：制冷剂（氢氟烃、氢氟烯烃）虽降低全球变暖潜能，但存在能效 / 易燃性 / 可持续性权衡。
热电制冷：COP 0.3-1.5，受材料性能限制；
固态卡路里制冷（弹性 / 电 / 磁 / 压热）：机械疲劳（弹性热）、高电压（电热）、昂贵材料 / 强磁场（磁热）、高压需求（压热）；
离子制冷：非水溶液膜电阻高、固态浆料易堵塞膜表面，循环稳定性差。
寻找一种兼具高能效、低环境影响的新型制冷方式，已经成为全球能源科学的焦点难题。
02
成果掠影
近日，麻省理工学院（MIT）Seonggon Kim联合韩国高丽大学Yong Tae Kang教授提出了一种基于硝酸盐溶液的液态偶极热卡制冷循环，首次利用“盐溶解吸热”的物理原理，实现了高效且环保的液体制冷系统。以硝酸盐（硝酸铵、硝酸钾）- 水体系为工质，通过吸热溶解实现冷却、电渗析完成工质再生，解决传统蒸汽压缩制冷的环保问题及固态卡路里制冷的流动性 / 性能局限；实验验证硝酸铵的最大绝热温变达37.3°C、硝酸钾达18.6°C，硝酸钾循环在5-10°C温差下COP为9.37-4.32，硝酸铵循环在5-20.7°C 温差下 COP 为3.07-1.65，单堆电渗析装置冷却功率3.5-96 W/L、15堆装置达287-1965W/L，且总传热系数达3000-10000W/(m²・K)，兼具高能效、环保、可扩展性，为制冷/空调领域提供新型解决方案。研究成果“liquid-state dipolarcaloric refrigeration cycle with nitrate-based salts”为题发表在《Science》。
03
图文导读
图1.偶极热制冷循环的示意图。（A）由绝热混合器、冷侧换热器、离子分离器和热侧换热器组成的系统配置。（B）理论温度-比焓图。假设绝热混合器中的等焓混合（偶极热效应）和使用电渗析的等熵离子分离。等浓度曲线表示质量分数（w）溶解盐相对于它们在给定温度下的溶解度。（C）温度特定熵图，其中每个点代表状态的质量加权平均熵。
图2.偶极热材料的工作行为。（A）实验测量的最佳偶极热材料硝酸钾（KNO₃）和硝酸铵（NH₄NO₃）的绝热温度变化。hd表示溶解焓，w表示质量分数，T对应于温度。（B）硝酸钾的工作焓图（热侧温度：30℃和冷侧温度：20℃）和硝酸铵（热侧温度：20℃和冷侧温度：10℃）作为偶极热制冷循环中的温度和重量浓度的函数。(C)偶极热效应引起的等温熵变作为温度的函数。
图3.通过电渗析的离子分离性能。（A）实验装置的示意图和图像，包括电渗析装置（稀流和浓流）、蠕动泵和溶液容器。（B和C）通过总溶解固体（TDS）方法测量的硝酸钾（B）和硝酸铵（C）溶液在单堆装置中的重结晶质量。(D)15对电渗析堆在不同温差下TDS的变化。ηc代表电流效率。
图4.偶极热制冷循环的性能。（A和B）对于使用单堆装置的不同初始浓度的稀溶液：硝酸钾（A）和硝酸铵（B），性能系数（COP）作为温度跨度（冷热储液器温度之间的差异）的函数。(C)在硝酸钾系统中，考虑不同的温度跨度，以比冷却功率表示的COP。
图5.偶极热材料与其他热材料的绝热温度变化和等温熵变的比较。ECCE是由PVDF-TrFE组成的电热系统（40），ESCE是由Ni-Mn-Ti合金组成的弹性热系统（41），BCE是由NPG组成的压热系统（42），ICE是离子热制冷系统（27），DCE是本工作的偶极热制冷循环。
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