Ученые представили первый в мире эластокалорический кондиционер мощностью в один киловатт

Гонконгский университет науки и технологий (HKUST) совершил значительный прорыв в области климатических технологий, разработав первый в мире кондиционер, использующий эластокалорический эффект и обладающий мощностью в один киловатт. Результаты испытаний, опубликованные в журнале Nature, продемонстрировали, что устройство успешно поддерживало комфортную температуру в помещениях на уровне 21–22 °C, когда наружная температура достигала 30–31 °C.

«Производительность системы охлаждения можно будет еще улучшить за счет разработки новых эластокалорических материалов и оптимизации ротационной архитектуры привода. Эти усовершенствования позволят достичь еще большей мощности охлаждения — то есть помещения можно будет остужать за гораздо меньшее время»,

— отметил профессор Яо Шухуай.

С увеличением глобального потепления и ростом уровня жизни наблюдается стремительный рост спроса на системы кондиционирования воздуха. По данным HKUST, около 20% мирового потребления электроэнергии уходит на охлаждение воздуха, что вызывает озабоченность в связи с использованием традиционных парокомпрессионных кондиционеров, которые применяют хладагенты с высоким коэффициентом глобального потепления. В качестве устойчивой и экологически чистой альтернативы ученые рассматривают твердотельные технологии охлаждения, основанные на эластокалорическом эффекте, в частности на сплавах с памятью формы (SMA).

Эластокалорический эффект заключается в адиабатической деформации специальных материалов, таких как никель-титановые сплавы. При механическом воздействии эти сплавы выделяют скрытую теплоту, которую можно эффективно отводить, а при снятии нагрузки — остывают.

Ранее создание прототипов кондиционеров с мощностью выше 260 Вт было затруднено. Однако исследователи из Департамента механической и аэрокосмической инженерии HKUST определили препятствия и предложили решения. В частности, они применили многоячеечную архитектуру, в которой сплавы с памятью формы действуют последовательно, а охлаждающая жидкость — параллельно.

Фото: Nature Press

10 эластокалорических охлаждающих блоков, каждый из четырех тонкостенных никель-титановых трубок, расположены вдоль направления приложения силы и охлаждаются жидкостью под давлением около 1,5 бар

Кроме того, вместо дистиллированной воды для теплоотведения была использована графеновая наножидкость.

Фото: Nature Press

Диаметр наночастиц графена (0,8 микрометра) намного меньше толщины каналов (150-500 микрометров) (a), при этом такой носитель при концентрации всего 2 грамма на литр отводит тепло на 50% эффективнее, чем вода (b)

Наночастицы графена диаметром 0,8 микрометра значительно эффективнее отводят тепло, что позволило достичь удельной мощности охлаждения в 12,3 Вт/г при частоте работы устройства 3,5 Гц. В результате общая мощность охлаждения превысила 1280 ватт при нулевом повышении температуры, что подтверждает жизнеспособность данной технологии для реальных условий эксплуатации.

«Достижение демонстрирует потенциал для крупномасштабного применения эластокалорической технологии охлаждения. Мы уже сотрудничаем с промышленностью, чтобы ускорить ее коммерциализацию. Инновация полезна не только из-за ужесточения норм на гидрофторуглероды — потребители также выиграют от снижения счетов за электроэнергию, а технологические улучшения позволят создавать более компактные устройства, экономящие ценное внутреннее пространство»,

— пояснил профессор Сун Цинпин.

Таким образом, разработка HKUST открывает новые горизонты для создания экологически чистых и эффективных систем кондиционирования воздуха.