Zero ruchomych części, zero smarów. Termoakustyczna pompa bije rekordy
Zespół naukowców z Chińskiej Akademii Nauk dokonał czegoś, co jeszcze do niedawna wydawało się niemożliwe. Ich najnowsza pompa ciepła osiąga stabilną temperaturę zasilania na poziomie 270 stopni Celsjusza, co stanowi ogromny skok w porównaniu z dotychczasowymi ograniczeniami. Poprzednie rekordy zatrzymywały się bowiem poniżej 200 stopni, a to wykluczało zastosowanie tych urządzeń w wielu gałęziach przemysłu. Kluczem do tego sukcesu okazało się podejście oparte na termoakustyce.
Czytaj też: Węgiel stracił koronę. Energetyczna rewolucja właśnie stała się faktem
Wspomniani badacze we współpracy z Uniwersytetem Chińskiej Akademii Nauk oraz firmą Aero Engine Corporation of China opracowali system, który zasadniczo różni się od konwencjonalnych rozwiązań. Ich pompa ciepła wykorzystuje zupełnie inną fizykę działania. Jej konstrukcja składa się z trzech głównych komponentów: jednostki silnika termoakustycznego, modułu pompy ciepła oraz rezonatorów akustycznych łączących obie części. Energię przenosi sprężony hel, który oscyluje w układzie w formie fali dźwiękowej. Tego typu akustyczne drgania są następnie przekształcane w energię cieplną pozwalającą osiągać ekstremalnie wysokie temperatury.
Jedną z największych zalet tego rozwiązania jest całkowity brak ruchomych części. Termoakustyczny silnik pobudza bowiem oscylacje helu, a rezonatory przenoszą energię bez sprężarki, łożysk i uszczelnień dynamicznych. Taka konstrukcja przekłada się na znacznie wyższą niezawodność i możliwość pracy w warunkach, w których tradycyjne pompy sprężarkowe po prostu uległyby awarii. W testach laboratoryjnych system pokazał swoją efektywność przy temperaturze gorącego końca wynoszącej 350 stopni i średnim ciśnieniu rzędu 5 MPa. W tych warunkach pompa osiągnęła temperaturę zasilania 270 stopni z różnicą temperatur na poziomie 125 stopni.
Czytaj też: “Prawdziwa magia” Jeśli to wejdzie do fabryk, to rynek fotowoltaiczny wybuchnie
Współczynnik efektywności grzewczej wyniósł 0,41 przy mocy dostarczanego ciepła 1903 watów. Kiedy zaś naukowcy zwiększyli średnie ciśnienie do 8 MPa, moc wzrosła do 2873 watów, choć kosztem spadku współczynnika efektywności do 0,36. Jest to jednak typowy kompromis w tego typu technologiach, bo wyższe temperatury wymagają pewnych ustępstw w zakresie wydajności. Najlepsze parametry pracy badacze uzyskali przy średnim ciśnieniu 5 MPa i średnicy rury rezonansowej 120 mm. W tej konfiguracji temperatura inicjacji systemu wynosiła zaledwie 74,5 stopnia, a współczynnik efektywności osiągał wartość na poziomie 0,36.
Co teraz z tą przełomową pompą ciepła?
Przełamanie bariery 200 stopni otwiera drogę do zastosowań w procesach takich jak wtrysk tworzyw sztucznych czy obróbka ceramiki, które wymagają właśnie tak wysokich temperatur. Tradycyjne pompy absorpcyjne osiągały dotąd maksymalnie około 100 stopni przy różnicy temperatur 50 stopni, a transformatory absorpcyjne pozostawały poniżej 200 stopni. Nawet najlepsze dotychczasowe termoakustyczne pompy ciepła nie przekraczały 180 stopni. Chińskie rozwiązanie nie tylko przekroczyło te granice, ale zrobiło to z zapasem 90 stopni w stosunku do poprzedniego rekordu.
Chociaż wyniki laboratoryjne robią wrażenie, to prawdziwe wyzwanie jest dopiero przed badaczami. W kolejnych etapach prac planują optymalizację geometrii układu, poprawę współczynnika efektywności i co najważniejsze, integrację z rzeczywistymi źródłami i odbiornikami ciepła. To ostatnie zadanie może okazać się kluczowe dla komercjalizacji technologii, ponieważ stworzenie systemu działającego niezawodnie w przemysłowych warunkach to zupełnie inna sprawa niż eksperymenty w kontrolowanym laboratorium. Wyniki badań zostały szczegółowo opisane w pracy naukowej opublikowanej w czasopiśmie Energy, a one same stanowią solidną podstawę do dalszego rozwoju technologii, która może wypełnić lukę tam, gdzie konwencjonalne układy sprężarkowe i absorpcyjne okazują się niewystarczające.
Musimy jednocześnie pamiętać, że nie jest to pompa ciepła pozbawiona wad, bo wymaga solidnych uszczelnień statycznych do radzenia sobie z helium przy ciśnieniu 5-8 MPa i temperaturze 350°C. Gdyby tego było mało, obecne w niej rezonatory akustyczne będą wymagały wygłuszenia i walidacji pod kątem wpływu na otoczenie produkcji. Technologia jest też napędzana ciepłem, a nie dużą mocą elektryczną, więc najlepiej sprawdzi się tam, gdzie dostępna jest tania energia odpadowa z procesu albo ciepło niskiej jakości, które i tak trzeba odprowadzić. W takich miejscach nawet umiarkowana efektywność może wygrać z tradycyjnym kotłem.