Nowa termoakustyczna pompa ciepła osiąga rekordowe temperatury

Najnowsze badania zespołu Chińskiej Akademii Nauk pokazują, że rozwiązania termoakustyczne mogą wypełnić lukę tam, gdzie konwencjonalne układy sprężarkowe i absorpcyjne nie są w stanie pracować powyżej 200 st. C.

Zespół naukowców z Chińskiej Akademii Nauk (CAS), Uniwersytetu Chińskiej Akademii Nauk oraz Aero Engine Corporation of China opracował termoakustyczną pompę ciepła napędzaną ciepłem (HDTAHP – heat-driven thermoacoustic heat pump). Urządzenie ma według nich potencjał zrewolucjonizować przemysłowe dostawy ciepła, ponieważ osiąga stabilną temperaturę zasilania na poziomie 270 st. C i różnicę temperatur sięgającą 125 st. C – to wartości niedostępne dla konwencjonalnych pomp absorpcyjnych i transformatorów absorpcyjnych.

Prosta konstrukcja i zasada działania

System składa się z trzech głównych elementów: jednostki silnika termoakustycznego, jednostki pompy ciepła oraz rezonatorów akustycznych, które łączą oba moduły w układ zamknięty. W silniku niskotemperaturowy wymiennik ciepła przekazuje energię przez termosyfony, a nośnikiem energii jest sprężony hel, który oscyluje w układzie w formie fali akustycznej. Powstające drgania akustyczne są następnie wykorzystywane przez jednostkę pompy ciepła do transportu energii i podnoszenia temperatury. Rozwiązanie nie wymaga żadnych ruchomych części, co podnosi niezawodność i umożliwia stabilną pracę w wysokich temperaturach.

REKLAMA

Eksperymenty przeprowadzono z wykorzystaniem oprogramowania Sage do modelowania układów termoakustycznych, a następnie w warunkach laboratoryjnych. Przy temperaturze tzw. gorącego końca (czyli tam gdzie do układu doprowadzone jest ciepło z zewnętrznego źródła) 350 st. C i średnim ciśnieniu 5 MPa system uzyskał temperaturę zasilania 270 st. C i różnicę temperatur 125 st. C. W tych warunkach współczynnik efektywności grzewczej COPh wyniósł 0,41, względna sprawność Carnota – 33% (w uproszczeniu jest to teoretyczna, maksymalna sprawność, jaką może osiągnąć silnik cieplny lub pompa ciepła pracująca między dwoma temperaturami), a moc dostarczanego ciepła – 1 903 W.

Dalsze testy wykazały, że przy wzroście średniego ciśnienia do 8 MPa i utrzymaniu gorącego końca na poziomie 350 st. C moc dostarczanego ciepła osiągnęła 2 873 W, choć współczynnik COPh spadł do 0,36, a sprawność względna do 29 proc. Obserwowano również, że zwiększanie temperatury dostawy powoduje spadek zarówno wydajności cieplnej, jak i sprawności, co potwierdza kompromis pomiędzy uzyskiwaną temperaturą a efektywnością systemu.

Stabilność i optymalizacja

Dzięki zastosowaniu termosyfonów po stronie zimnej silnika udało się zapewnić stabilne odprowadzanie ciepła w zakresie 3 566–4 202 W przy zachowaniu stałej temperatury około 50 st. C. Badacze zauważyli, że optymalne parametry pracy uzyskuje się przy średnim ciśnieniu 5 MPa oraz średnicy rury rezonansowej 120 mm. W tym stanie temperatura inicjacji systemu wynosiła 74,5 st. C, a COPh osiągał wartość szczytową 0,36.

Nowy system stanowi znaczący krok w rozwoju technologii pomp ciepła. Dotychczasowe rozwiązania, takie jak pompy sprężarkowe czy absorpcyjne, były ograniczone do temperatur dostawy poniżej 200 st. C. Najlepsze pompy absorpcyjne (AHP) osiągały około 100 st. C przy różnicy 50 st. C, a transformatory absorpcyjne (AHT) pozostawały poniżej 200 st.C. Rekordowy dotąd HDTAHP opisany przez badaczy zapewniał maksymalnie 180 st. C, jednak bez danych o mocy i sprawności.

REKLAMA

Opracowany w Chinach system przekroczył te granice, oferując o 90 st. C wyższą temperaturę dostawy niż wcześniejsze rekordy, co otwiera drogę do zastosowań w procesach przemysłowych wymagających wysokiej temperatury, takich jak wtrysk tworzyw sztucznych czy obróbka ceramiki.
.
.

.

Perspektywy rozwoju

Badacze podkreślają, że najważniejszą zaletą nowego układu jest prostota konstrukcji, brak części ruchomych oraz zastosowanie obojętnego gazu roboczego, co sprzyja niezawodności i bezpieczeństwu. W kolejnych etapach prac planowana jest optymalizacja geometrii układu, poprawa współczynnika COP oraz integracja z rzeczywistymi źródłami i odbiornikami ciepła.

Dotychczasowe efekty swoich działań badacze opisali w pracy naukowej “A heat-driven thermoacoustic heat pump supplying heat up to 270 °C” opublikowanej w czasopiśmie Energy.