Chińczycy opracowali termoakustyczną pompę ciepła do temperatur powyżej 200 st.
Badacze widzą w tej technologii potencjał dla dekarbonizacji wysokotemperaturowych procesów przemysłowych, m.in. w petrochemii, hutnictwie i przemyśle ceramicznym. Technologia termoakustycznych pomp ciepła znajduje zastosowanie także w domach.
Naukowcy z Chińskiej Akademii Nauk opracowali prototyp termoakustycznej pompy ciepła Stirlinga, zdolnej do dostarczania ciepła w temperaturach przekraczających 200 st. C, co otwiera drogę do dekarbonizacji procesów wysokotemperaturowych w przemyśle ciężkim. Urządzenie wykorzystuje fale akustyczne w zamkniętej pętli gazowej zamiast klasycznego sprężarki, co pozwala ograniczyć liczbę ruchomych części i poprawić niezawodność.
Zadowalające wyniki testów
Opracowany z Chińskiej Akademii Nauksystem to podwójnie działająca (double-acting), wolnotłokowa termoakustyczna pompa Stirlinga z możliwością dwukierunkowej regulacji przepływu mocy. Kluczowe jest tu sterowanie relacją fazową między tłokami akustycznymi: przejście z trybu „wyprzedzającego” do „opóźnionego” pozwala pokonać ograniczenia klasycznych sprężarek, wynikające z bardzo wysokiej temperatury pracy, i osiągnąć temperatury zasilania przekraczające 200 st. C. Zastosowany układ czterech cylindrów zwiększa gęstość mocy całego systemu, co poprawia jego przydatność w zastosowaniach przemysłowych.
W doświadczeniach prototyp wykazał zdolność do podnoszenia temperatury z 25 do 166 st. C. W zakresie różnicy temperatur 74 st. C (od 45 do 119 st. C) system osiągnął maksymalny współczynnik wydajności COP równy 1,68, co jak na tak wysokie poziomy temperatur jest wynikiem istotnym z punktu widzenia efektywności energetycznej. Przy temperaturze otoczenia 67 st. C pompa dostarczała temperaturę zasilania 214 st. C, a odpowiadający temu COP wyniósł 1,5, przy względnej sprawności względem obiegu Carnota na poziomie 45,2 proc. Jak podkreślają badacze, wyniki te potwierdzają przydatność opracowanego układu do zastosowań, w których wymagane są duże skoki temperatury i stabilna praca w warunkach wysokich obciążeń termicznych.
Zespół badawczy widzi potencjał tej technologii przede wszystkim w wysokotemperaturowych pompach ciepła dla przemysłu – wszędzie tam, gdzie dotąd dominowały paliwa kopalne: w sektorze petrochemicznym, hutnictwie, przemyśle ceramicznym i innych procesach wymagających gorących mediów roboczych. Autorzy podsumowują, że przedstawiony system oferuje unikalne korzyści w osiąganiu dużych podbić temperatury i zasilania powyżej 200 st. C, co może stać się ważnym elementem ścieżki do zeroemisyjnego ogrzewania procesowego w ciężkim przemyśle.
Termoakustyczne pompy ciepła dla domów
Dynamika rozwoju termoakustyki nie ogranicza się jednak do laboratoriów przemysłowych i wysokotemperaturowych pomp ciepła dla hutnictwa czy petrochemii. Równolegle technologia ta coraz śmielej wchodzi do segmentu domowych systemów ogrzewania i chłodzenia, czego przykładem jest współpraca amerykańskiej firmy Copeland z holenderskim startupem BlueHeart Energy.
BlueHeart rozwija własną koncepcję termoakustycznej pompy ciepła opartej na tzw. BlueHeart Engine – jednostce pracującej w uszczelnionym obwodzie wypełnionym helem, w którym dwa tłoki, pracujące z tą samą częstotliwością, generują falę ciśnienia przesuwającą się przez dwa wymienniki ciepła oddzielone regeneratorem. W jednym punkcie hel rozszerza się i schładza, pobierając ciepło ze źródła, w drugim jest sprężany i ogrzewany, oddając energię do instalacji grzewczej. Brak klasycznych ruchomych części mechanicznych przekłada się na cichą pracę, wysoką trwałość i redukcję ryzyka wycieków, a jednocześnie eliminuje konieczność stosowania konwencjonalnych czynników chłodniczych.
BlueHeart podkreśla, że ich system może pracować w szerokim zakresie temperatur zewnętrznych (od około −20 do 50 st. C), być dostosowany do różnych źródeł ciepła (powietrze, grunt, sieci niskotemperaturowe) oraz łatwo integrować się z istniejącą infrastrukturą grzewczą, co czyni termoakustykę realnym konkurentem dla klasycznych pomp ciepła także w skali gospodarstw domowych.
Więcej na temat prototypu pompy ciepła opracowanej przez naukowców z Chińskiej Akademii Nauk można przeczytać w artykule naukowym pt.: “A ultra-high-temperature free-piston thermoacoustic Stirling heat pump capable of achieving above 200 st. C” opublikowanym w czasopiśmie Applied Physics Letters.
Radosław Błoński
redakcja@gramwzielone.pl
© Materiał chroniony prawem autorskim. Wszelkie prawa zastrzeżone. Dalsze rozpowszechnianie artykułu tylko za zgodą wydawcy Gramwzielone.pl Sp. z o.o.
