Эластокалорическая технология может быть следующей

Jan 12, 2024

На кондиционирование воздуха, охлаждение и другие технологии охлаждения приходится более 20% сегодняшнего глобального потребления энергии, а ПГП хладагентов ГФУ в тысячи раз превышает потенциал углекислого газа. В выпуске журнала Science от 18 мая группа под руководством профессора материаловедения и инженерии (MSE) Университета Мэриленда Ичиро Такеучи и профессоров машиностроения (ME) Рейнхарда Радермахера и Юнхо Хванга представила высокопроизводительную эластокалорическую систему охлаждения, которая не только отвечает требованиям проблемы изменения климата, но могут представлять собой следующее поколение охлаждающих устройств.

В статье подробно описана работа Такеучи и его команды над тем, что он описывает как «совершенно другую, совершенно зеленую, экологически чистую технологию охлаждения». Первый автор статьи, Сусин Цюан, доктор философии '15, был первым учеником Радермахера, работавшим над этим проектом. Второй автор Дэвид Каталини, доктор философии '20, пошел по этим стопам, работая над проектированием, работой и тестированием новой системы охлаждения.

Калорические материалы, в том числе магнитокалорические, электрокалорические и эластокалорические материалы, могут подвергаться фазовому переходу, выделять и поглощать тепло при приложении различных полей. Ключевой особенностью эластокалорической системы является сжатие и освобождение устойчивых к усталости нитиноловых (NiTi) трубок, сконфигурированных в универсальной многорежимной архитектуре теплообмена. Чтобы сделать такие материалы коммерчески жизнеспособными, они должны отвечать строгим требованиям: достаточная мощность охлаждения, высокая энергоэффективность, достаточная отказоустойчивость, достаточная доступность ингредиентов и низкая стоимость.

«Более десяти лет назад мы просто играли с никель-титановой проволокой», — описывает Такеучи. «Растягивая его, вы можете получить существенный охлаждающий эффект, который можно почувствовать рукой. Именно тогда мы начали думать о применении этой концепции к охлаждающему устройству». Уже более десяти лет работу лаборатории финансирует Министерство энергетики США.

В недавней статье в журнале Science команда Такеучи отметила: «Чтобы охватить лучшие аспекты цикла активной регенерации и масштабной операции использования в одном практическом прототипе, мы разработали многорежимную эластокалорическую систему охлаждения, использующую широкий температурный диапазон режима активной регенерации и эффективное охлаждение режима максимального использования. В прототипе два режима можно легко переключать один на другой, управляя последовательностью работы клапанов в сети теплоносителя».

Благодаря новой технологии материалы остаются в твердом состоянии по сравнению с традиционными хладагентами, такими как ГФУ, которые работают за счет смещения газовой и жидкой фаз. Новая система имеет охлаждающую мощность 260 Вт полезной охлаждающей мощности и максимальный температурный диапазон 22,5 Кельвина — один из самых высоких показателей для любой системы теплового охлаждения.

«Наша технология, разработанная за последние восемь лет, позволила продемонстрировать устройства и системы, которые могут работать на том же уровне, что и магнитокалорические системы, существующие с 1980-х годов», — говорит Такеучи. В настоящее время команда работает над повышением производительности и увеличением температуры устройства, а также над поиском более мягкого материала для достижения того же эффекта при значительно меньшей силе или напряжении.

«Двадцать лет назад мы проверяли теорию фазового превращения, работая над другим аспектом того же материала, чтобы оптимизировать сплав с памятью формы — материал привода — и продлить усталостную долговечность», — объясняет Такеучи. «Ключом к созданию конкурентоспособных коммерческих устройств является определение доступных материалов, которые могут подвергаться большим температурным изменениям, легко восстанавливаться и выдерживать длительные, в некоторых случаях миллионы, циклы без разрушения».

Расчеты команды показывают, что общая эффективность системы может быть повышена в шесть раз за счет использования более эффективных приводов. Кроме того, исследователи надеются повысить эффективность, заменив NiTi на известный материал на основе меди, который демонстрирует аналогичное упругокалорическое изменение температуры при меньшем напряжении.