Китайские учёные представили прототип термоакустического сверхвысокотемпературного теплового насоса

Аккумулятор Challenger A12-200

Исследователи из Китайской академии наук разработали прототип термоакустического теплового насоса Стирлинга, который отличается высокой тепловой эффективностью, максимальным коэффициентом полезного действия 1,68 и может применяться в высокотемпературных промышленных процессах, обеспечивая безуглеродный нагрев в таких отраслях, как нефтехимия и металлургия.

Китайская академия наук (КАН) объявила на этой неделе, что группа её исследователей разработала прототип термоакустического теплового насоса, способного нагревать воду до температуры более 200 °C.

Акустические тепловые насосы передают тепло с помощью звуковых волн, а не традиционных механических деталей, таких как компрессоры. Громкий звук в специально сконструированной трубке заставляет молекулы воздуха вибрировать, создавая перепады давления, которые переносят тепло от одного конца к другому. Поскольку в них нет движущихся частей, они работают тише и служат дольше, чем обычные системы, хотя высокая стоимость и ограничения по производительности по-прежнему препятствуют их коммерческому внедрению.

Термоакустические тепловые насосы — это специализированный тип насосов, в которых используется термодинамическое взаимодействие между звуковыми волнами и изменениями температуры в теплообменнике или регенераторе. Они обеспечивают более высокую эффективность и точный тепловой контроль для определённых областей применения.

В качестве прототипа исследователи использовали термоакустический тепловой насос Стирлинга (TAHP), в котором для передачи тепла используются звуковые волны в замкнутом газовом контуре. Эта система имитирует двигатель Стирлинга — регенеративный тепловой двигатель с замкнутым циклом, в котором используется постоянная газообразная рабочая жидкость, например воздух или газ, а сжатие и расширение под воздействием тепла создают механическое движение, при этом теплоноситель доставляет энергию по мере необходимости.

Система использует механизм переключения электрических фаз для реализации того, что учёные называют «обратной фазой» акустического поля в тепловом насосе двойного действия. Сообщается, что такая конструкция позволяет осуществлять обратную передачу акустической энергии внутри системы, благодаря чему высокотемпературный и низкотемпературный теплообменники меняются функциями.

Конфигурация системы позволяет компрессору работать при более низких температурах, что эффективно решает проблемы, связанные с разработкой сверхвысокотемпературных компрессоров. «Используя этот подход, мы успешно создали первый в мире прототип термоакустического теплового насоса Стирлинга со свободным поршнем двойного действия, способный достигать температуры нагнетания выше 200 °C, — заявили учёные. Экспериментальный прототип, работающий на тепловой энергии, может перекачивать низкопотенциальную тепловую энергию температурой около 14 °C в источник тепла с температурой выше 270 °C.

Результаты эксперимента показали, что система может значительно повышать температуру с 25 до 166 °C и что в диапазоне температур от 74 °C она может достичь максимального коэффициента полезного действия (КПД) в 1,68. Когда температура окружающей среды повышается до 67 °C, система обеспечивает температуру подачи тепла 214 °C, при этом соответствующий КПД и относительный коэффициент эффективности цикла Карно достигают 1,5 % и 45,2 % соответственно.

В перспективе исследовательская группа намерена разработать предложенную технологию тепловых насосов для высокотемпературных промышленных процессов, таких как нефтехимия, металлургия и производство керамики, где требуются более высокие температуры.

«Например, температура источника тепла, которая составляет всего около 300 °C для водо-водяных реакторов или от 400 до 500 °C для параболических коллекторов, может быть увеличена до 500–800 °C с помощью технологии сверхвысокотемпературных термоакустических тепловых насосов, что представляет собой совершенно новый технический подход к высокотемпературному нагреву с нулевым выбросом углерода в тяжелой промышленности», — сказал ведущий автор исследования Луо Эрканг.

Система была описана в статье «Сверхвысокотемпературный беспоршневой термоакустический тепловой насос Стирлинга, способный работать при температуре выше 200 °C», опубликованной в Applied Physics Letters.