Разработано первое в мире эластокалорическое экологичное охлаждающее устройство мощностью в киловатт

Исследователи из Гонконгского университета науки и технологий (HKUST) разработали первое в мире эластокалорическое охлаждающее устройство киловаттного масштаба. Устройство может стабилизировать температуру в помещении на комфортных 21°C–22°C всего за 15 минут, даже если температура на улице достигает 30°C–31°C, что является значительным прорывом на пути к коммерческому применению технологии эластокалорического твердотельного охлаждения.

Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature и предлагают многообещающее решение для борьбы с изменением климата и ускорения низкоуглеродной трансформации глобальной индустрии охлаждения.

По мере усиления глобального потепления растёт спрос на кондиционирование и охлаждение воздуха , причём на охлаждение уже приходится 20% мирового потребления электроэнергии. Основная технология охлаждения с помощью паровой компрессии основана на хладагентах с высоким потенциалом глобального потепления (ПГП).

Будучи экологически чистой альтернативой, технология твердотельного охлаждения, основанная на эластокалорическом эффекте сплавов с эффектом памяти формы (SMA), привлекла пристальное внимание как со стороны академических кругов, так и со стороны промышленности из-за её нулевого уровня выбросов парниковых газов и высокого потенциала энергоэффективности.

Однако максимальная мощность охлаждения предыдущих эластокалорических охлаждающих устройств составляла около 260 Вт, что не могло удовлетворить требования киловаттного масштаба для коммерческого кондиционирования воздуха. Исследовательская группа HKUST под руководством профессора Сунь Цинпина и профессора Яо Шухуая, профессоров кафедры машиностроения и аэрокосмической техники (MAE), определила, что это узкое место возникает из-за двух основных проблем: (1) сложности в балансировке удельной мощности охлаждения (SCP) хладагента с общей активной массой; и (2) недостаточной эффективности теплопередачи во время высокочастотной работы.

Чтобы преодолеть эти ограничения, исследовательская группа предложила многоячеистую архитектуру «SMAs in series—fluid in parallel». Эта архитектура последовательно соединяет 10 эластокалорических охлаждающих блоков вдоль направления приложения силы, причём каждый блок содержит четыре тонкостенные трубки из никель-титанового сплава общей массой всего 104,4 грамма.

Никель-титановые трубки имеют высокое отношение площади поверхности к объёму 7,51 мм -1 , что значительно повышает эффективность теплообмена. Между тем, конструкция параллельного жидкостного канала поддерживает давление в системе ниже 1,5 бар, обеспечивая стабильную высокочастотную работу.

Ещё одним ключевым новшеством является замена традиционной дистиллированной воды на графеновую наножидкость, передовую теплопередающую среду с исключительной теплопроводностью. Эксперименты показали, что графеновая наножидкость при концентрации всего 2 грамма на литр проводит тепло на 50% эффективнее, чем дистиллированная вода.

Диаметр его наночастиц (0,8 микрометра) намного меньше ширины каналов жидкости (150–500 микрометров), что позволяет избежать риска закупорки. Рентгеновская томография подтвердила, что никель-титановые трубки сохраняли равномерную деформацию сжатия под напряжением 950 мегапаскалей без разрушения из-за прогиба.

На высокой частоте 3,5 Гц устройство достигло удельной мощности охлаждения 12,3 Вт/г и общей мощности охлаждения 1284 Вт (в условиях нулевой температуры подъёма), что демонстрирует его практическую жизнеспособность в реальных условиях.

В ходе практических испытаний устройство успешно охладило модель дома площадью 2,7 м3 летом на открытом воздухе при температуре от 30℃ до 31℃, стабилизировав температуру в помещении на комфортном уровне 21℃–22℃ за 15 минут.

По сравнению с существующими твердотельными технологиями охлаждения это новаторское устройство лидирует по мощности охлаждения и производительности подъёма температуры. Его значение SCP (12,3 Вт/г) почти утроило предыдущий рекорд жидкостных теплопередающих эластокалорических устройств (4,4 Вт/г), и оно впервые преодолело порог охлаждения в киловаттном масштабе.

Профессор Сунь Цинпин сказал: «Это достижение демонстрирует потенциал широкомасштабного применения технологии эластокалорического охлаждения. Мы работаем с отраслью, чтобы стимулировать её коммерциализацию».

«Поскольку мировые правила по гидрофторуглеродам (ГФУ) ужесточаются, эта энергоэффективная технология охлаждения с нулевым уровнем выбросов готова изменить отрасль кондиционирования воздуха и предоставить ключевое техническое решение для достижения углеродной нейтральности. Потребители также выиграют от более низких счетов за электроэнергию, в то время как технологические достижения позволяют использовать более компактные охлаждающие устройства, которые экономят ценное пространство в помещении».

Профессор Яо Шухуай сказал: «В будущем эффективность охлаждения системы может быть дополнительно улучшена за счёт разработки новых эластокалорических материалов и оптимизации архитектуры роторного привода. Эти усовершенствования могут помочь достичь большей мощности охлаждения , что означает, что внутренние помещения можно будет охлаждать за значительно меньшее время».

Это нововведение стало ещё одним крупным прорывом исследовательской группы менее чем за год. Оно основывается на их предыдущем успехе с многокомпонентным эластокалорическим устройством, которое установило рекорд по сроку службы при температуре 75 К, как было опубликовано в Nature Energy в 2024 году.

Ведёт расследования о коррупции в любых эшелонах власти