Termoakustyczna pompa HDTAHP i działanie bez ruchomych elementów
Nowa termoakustyczna pompa ciepła osiąga temperaturę 270 stopni Celsjusza, co stanowi wzrost o 90 stopni w porównaniu z poprzednimi rekordami w tej dziedzinie. Technologia opracowana przez naukowców z Chińskiej Akademii Nauk, Uniwersytetu Chińskiej Akademii Nauk oraz Aero Engine Corporation of China zasadniczo różni się od konwencjonalnych rozwiązań. Zamiast skomplikowanych mechanizmów wykorzystuje zjawisko akustyczne do transportu energii cieplnej. Kluczową rolę w układzie odgrywa sprężony hel, który oscyluje tworząc falę akustyczną. To właśnie te drgania przenoszą energię i umożliwiają osiąganie wyższych temperatur. Cały układ składa się z trzech modułów: silnika termoakustycznego, pompy ciepła oraz rezonatorów akustycznych łączących je w zamknięty obieg.
Najważniejszą cechą tego rozwiązania jest całkowity brak ruchomych części. W silniku niskotemperaturowy wymiennik ciepła przekazuje energię poprzez termosyfony, a cały proces opiera się wyłącznie na akustycznych oscylacjach gazu roboczego. Takie podejście do konstrukcji przekłada się na większą niezawodność i stabilność pracy w ekstremalnych warunkach, gdzie tradycyjne pompy z kompresorami często zawodzą. W warunkach laboratoryjnych układ zademonstrował imponujące możliwości. Przy temperaturze rzędu 350 stopni Celsjusza i średnim ciśnieniu 5 MPa uzyskano temperaturę zasilania 270 stopni przy różnicy temperatur 125 stopni. Współczynnik efektywności grzewczej (COPh) wyniósł 0,41, względna sprawność Carnota osiągnęła 33%, a moc dostarczanego ciepła 1903 W. Badacze testowali również zachowanie układu przy wyższych ciśnieniach. Zwiększenie średniego ciśnienia do 8 MPa przy utrzymaniu temperatury na poziomie 350 stopni Celsjusza spowodowało wzrost mocy dostarczanego ciepła do 2873 W. Niestety, ten przyrost mocy odbył się kosztem efektywności: COPh spadł do 0,36, a sprawność względna do 29%.
Co w kontekście zastosowań przemysłowych?
Najlepsze wyniki uzyskano przy średnim ciśnieniu 5 MPa oraz średnicy rury rezonansowej 120 mm. W tych warunkach temperatura inicjacji systemu wynosi 74,5 stopnia Celsjusza, a COPh osiąga wartość szczytową 0,36. Zastosowanie termosyfonów po stronie zimnej silnika zapewnia stabilne odprowadzanie ciepła w zakresie 3566-4202 W przy zachowaniu stałej temperatury około 50 stopni. To rozwiązanie pozwala na efektywne zarządzanie ciepłem odpadowym. Nowa technologia wypełnia lukę tam, gdzie konwencjonalne układy sprężarkowe i absorpcyjne nie są w stanie pracować powyżej 200 stopni Celsjusza. Dotychczasowe pompy absorpcyjne osiągały około 100 stopni przy różnicy temperatur 50 stopni, a transformatory absorpcyjne pozostawały poniżej 200 stopni Celsjusza. Osiągnięcie temperatury wyższej o 90 stopni od poprzednich rekordów otwiera możliwość zastosowania w procesach przemysłowych, które wcześniej były poza zasięgiem pomp ciepła.
Czytaj też: Nowa rzeczywistość wytwarzania energii ze słońca. Kwantowy mechanizm przetwarza niemal każdą cząstkę!
Potencjalne obszary zastosowań obejmują:
- wtrysk tworzyw sztucznych – procesy wymagające precyzyjnej kontroli wysokich temperatur
- obróbkę ceramiki – gdzie konieczne są stabilne, wysokie temperatury
- procesy chemiczne – wymagające ciepła o temperaturze powyżej 200°C
- przemysł spożywczy – w procesach wymagających wysokotemperaturowej obróbki
Najważniejszą zaletą nowego układu jest prostota konstrukcji, brak części ruchomych oraz zastosowanie obojętnego gazu roboczego, co sprzyja niezawodności i bezpieczeństwu – wyjaśnia zespół badawczy z Chińskiej Akademii Nauk
Badacze planują dalsze prace nad optymalizacją geometrii układu, poprawą współczynnika COP oraz integracją z rzeczywistymi źródłami i odbiornikami ciepła. Wyniki badań opublikowano w pracy zamieszczonej na łamach Energy. Opisywana technologia może znacząco wpłynąć na proces dekarbonizacji przemysłu, umożliwiając zastąpienie tradycyjnych kotłów gazowych czy olejowych w aplikacjach wysokotemperaturowych. Brak ruchomych części przekłada się na niższe koszty eksploatacji i większą trwałość układu.