Эластокалорическая технология: путь к новому способу охлаждения или обогрева зданий
Метод компрессионного охлаждения, в настоящее время используемый в различных применениях, основан на использовании химических хладагентов, которые претерпевают жидкостно-газообразное преобразование, облегчая охлаждение посредством скрытой теплопередачи. Однако широкое использование этих хладагентов привело к значительным экологическим проблемам. Для решения этих проблем и смягчения энергетического кризиса, в качестве многообещающего решения появились твердотельные методы охлаждения, которые не используют обычные хладагенты, особенно для нишевых проектов. Технологии калорического охлаждения включают в себя: магнитокалорическое, эластокалорическое, барокалорическое и электрокалорическое, которые приводятся в действие внешними силами (магнитные поля, напряжение, гидростатическое давление и электрические поля соответственно). Магнитокалорическое охлаждение было наиболее широко исследовано и разработано, демонстрируя огромный потенциал для низкотемпературного охлаждения. Однако эластокалорический метод выделяется среди всех технологий, благодаря превосходному подъёму температуры, существенной эффективности и упрощённому механизму приведения в действие.
Эластокалорическая технология — это новый способ обогрева и охлаждения помещений с использованием эластичных металлов. Сверхэластичность материалов из сплавов с эффектом памяти формы (SMA — Shape Memory Alloy) отвечает за эластокалорический эффект при термоупругом охлаждении. Когда такие материалы подвергаются механической нагрузке за пределами своего напряжения насыщения, аустенитная фаза претерпевает экзотермическое превращение, превращаясь в мартенсит и выделяя скрытую тепло. И наоборот, во время разгрузки происходит обратное превращение из мартенсита в аустенит, когда напряжение уменьшается ниже напряжения насыщения, что приводит к эндотермическому превращению, которое поглощает тепло из окружающей среды, что приводит к охлаждению самого металла (сплава). Если говорить проще – то, если эти металлы сжимать или растягивать, они нагреваются, а когда это приложение усилия прекращается, то происходит обратный процесс — они охлаждаются.
Это свойство называется эластокалорическим эффектом, и он более энергоэффективен, чем традиционные системы охлаждения, что делает его более чистой и экологичной альтернативой. Эластокалорические системы могут охлаждать здания, использоваться для охлаждения серверов в дата-центрах, где тратится очень много усилий и хладагентов для этого, а также применяться в привычных бытовых целях — замораживание продуктов. Особенно актуально внедрение таких систем в районах с ограниченным электроснабжением. Исследователи также тестируют эту технологию для охлаждения и обогрева электромобилей, где она может помочь продлить срок службы батареи, и для обогрева зданий в более холодном климате. Несмотря на свой многообещающий потенциал, эта технология сталкивается с рядом проблем, такими как повышение долговечности материалов и ценовой доступности сплавов с эффектом памяти формы.
Кондиционер в наше время — это не роскошь, а кроме того он может спасать жизнь. Высокие температуры могут быть опасны, особенно для людей с проблемным здоровьем, детей и пожилых людей. По мере повышения глобальной температуры потребность в охлаждении быстро растёт. К 2050 году ожидается, что энергия, используемая для охлаждения серверных стоек в центрах обработки данных, увеличится более чем в три раза. Большинство систем охлаждения сегодня работают на электричестве, основная часть которого вырабатывается путём сжигания ископаемого топлива. Чем больше энергии используется, тем больше парниковых газов выбрасывается в атмосферу, что ещё больше усугубляет изменение климата. Есть ещё одна проблема: хладагенты (твёрдые или жидкие материалы, такие как фреон или гидрофторуглероды, используемые в кондиционерах и холодильниках), охлаждают воздух, но могут просачиваться в окружающую среду, снижая эффективность процесса и способствуя глобальному потеплению. Некоторые этих химикатов в тысячи раз более вредны для здоровой атмосферы планеты, чем углекислый газ.
В местах, где доступ к электричество ограничен или его стоимость очень высока, сложно рассчитывать на приемлемый необходимый уровень кондиционирования. Это означает, что миллионы людей, особенно в развивающихся странах, могут не иметь безопасного способа справиться с экстремальной жарой. Поэтому мировое научное сообщество разрабатывает новые системы охлаждения — такие, которые потребляют меньше энергии, не используют вредных химикатов и способны работать даже в районах, где присутствует проблема нехватки электричества.
Большинство современных систем охлаждения используют процесс, называемый парокомпрессионным, в котором воздух охлаждается от сжатия и расширения хладагента. Газы сжимаются для высвобождения тепла, а затем расширяются для поглощения тепла, охлаждая окружающий воздух. Несмотря на свою эффективность, этот процесс потребляет много электроэнергии для питания компрессора, в дополнение к использованию опасных охлаждающих газов.
Инновационный метод может предложить новый, лучший способ не только охлаждения, но и обогрева помещений, имитируя работу мышц. Когда вы растягиваете мышцу, она слегка нагревается, потому что молекулы внутри неё перестраиваются и трутся друг о друга, выделяя тепло. Когда вы расслабляете мышцу, она охлаждается, поскольку напряжение снимается, и поглощает тепло из окружающей среды. Эластокалорические тепловые насосы используют материалы, которые ведут себя схожим образом — выделяют тепло при растяжении или сжатии и поглощают тепло при расслаблении.
Вместо вредных хладагентов в эластокалорических системах используются сплавы с эффектом памяти формы (сейчас, чаще других используется никеле-титановый сплав), которые стремятся возвратиться к своей первоначальной форме после растяжения или сжатия. Их способность выдерживать многократное физическое преобразование делает их вполне подходящими для эластокалорического процесса. Эти металлы могут иметь различную форму, например, гибкие полосы или катушки, трубки или другие усовершенствованные структуры. Когда структуры из сплава с эффектом памяти формы растягиваются или сжимаются механически, они нагреваются. Вырабатываемое тепло/холод может передаваться теплоносителю (специальной жидкости-антифризу или воде) а также в воздух от рёбер радиатора. Когда механическое усилие прекращается, металл возвращается к своей первоначальной форме, охлаждаясь и поглощая тепло из окружающей среды. Это поглощённое тепло уносится жидкостью в следующем цикле, гарантируя, что комната или здание остаются прохладными. Этот цикл охлаждения повторяется снова и снова, и сплавы с эффектом памяти формы могут выдерживать миллионы циклов без разрушения.
Одним из больших преимуществ тепловых насосов нового типа является их эффективность. Непосредственно преобразуя механическую (растяжение/сжатие) энергию в термотрансформацию, они пропускают энергоёмкие этапы сжатия и расширения газов хладагента, используемые в традиционных системах. Это означает, что эластокалорические тепловые насосы потребляют меньше электроэнергии. Такое положение делает их экологически чистой и экономически эффективной альтернативой. Поскольку такие системы потребляют меньше энергии, то они могут могут работать на слабосильных возобновляемых источниках энергии (солнечные батареи, ветрогенераторы) которые часто более практичны в экстремальных климатических условиях.
Одна из главных проблем — долговечность материалов. Сплавы с эффектом памяти формы могут выдерживать миллионы циклов растяжения или сжатия, но исследователи работают над улучшением их срока службы и производительности, чтобы сделать их более экономичными для крупномасштабного использования. Ещё одна проблема — разработка оборудования, которое эффективно растягивает и расслабляет материалы с энергетической точки зрения. Эти приводные механизмы должны быть точными, долговечными и энергоэффективными, чтобы конкурировать с обычно используемыми парокомпрессионными насосами. Инженеры тестируют различные конструкции (усовершенствованные двигатели или вращающиеся механизмы), чтобы создавать растягивающее движение в непрерывном цикле. Кроме того, в настоящее время высока стоимость производства необходимых специализированных металлических сплавов, так же, как и стоимость исходного сырья. Поэтому учёные ищут более дешёвые способы их производства в больших количествах, либо подобрать другой химический состав с такими же свойствами. Сделать эти материалы доступными — ключ к тому, чтобы эта технология могла использоваться во всём мире. Если удастся преодолеть эти проблемы, то эластокалорические технологии смогут сократить выбросы парниковых газов, снизить затраты на электроэнергию и расширить доступ к охлаждению и отоплению.
