Ученые строят систему охлаждения с использованием твердых хладагентов
Ученые из Гарвардского университета построили, как утверждается, первый в своем роде прототип системы охлаждения, использующий твердые барокалорические хладагенты.
Барокалорические материалы работают аналогично традиционным газожидкостным системам охлаждения, используя изменения давления для прохождения тепловых циклов, но в этом случае давление вызывает фазовый переход от твердого к твердому. Это означает, что материал остается твердым, но изменяется внутренняя молекулярная структура. Ключевым структурным аспектом этих барокалорических твердых материалов является то, что они содержат длинные гибкие молекулярные цепи, которые обычно гибкие и неупорядоченные. Но под давлением цепи становятся более упорядоченными и жесткими — изменение, которое высвобождает тепло.
Джарад Мейсон, главный исследователь проекта в Гарвардском университете, описывает процесс перехода от упорядоченной структуры к расслабленной как «как плавление воска, но без превращения его в жидкость». Когда давление сбрасывается, материал снова поглощает тепло, завершая цикл.
Однако недостатком барокалорических систем является то, что большинству этих материалов требуется огромное давление для запуска тепловых циклов. Для создания такого давления системам требуется дорогостоящее специализированное оборудование, которое нецелесообразно для реальных приложений охлаждения.
Прототип
Гарвардский университет — одна из многих команд, изучающих использование этих дешевых и нетоксичных органических материалов.
Мейсон и его команда недавно сообщили о барокалорических материалах, которые могут действовать как хладагенты при гораздо более низких давлениях. Теперь они показали, что хладагенты — металлогалогенидные перовскиты — могут работать в системе охлаждения, которую они построили с нуля.
Сейчас команда построила прототип, демонстрирующий использование этих новых материалов в практической системе охлаждения. Устройство состоит из трех основных частей. Один представляет собой металлическую трубку, заполненную твердым хладагентом и инертной жидкостью — водой или маслом. Другая часть устройства представляет собой гидравлический поршень, оказывающий давление на жидкость. Наконец, жидкость помогает передавать это давление хладагенту и помогает переносить тепло через систему.
Решив несколько инженерных задач, команда показала, что барокалорийные материалы работают как функциональные хладагенты, превращая изменения давления в полные циклы изменения температуры.
«Наша система по-прежнему не использует такое низкое давление, как в коммерческих холодильных системах, но мы приближаемся к этому», — говорит Мейсон. Насколько известно команде, это первая работающая система охлаждения, в которой используются твердотельные хладагенты, зависящие от изменения давления.
Имея устройство в руках, команда планирует протестировать различные барокалорические материалы. «Мы действительно надеемся использовать эту машину в качестве испытательного стенда, чтобы помочь нам найти еще лучшие материалы», — говорит Славней, в том числе те, которые работают при более низком давлении и лучше проводят тепло. Исследователи считают, что с оптимальным материалом твердотельные хладагенты могут стать жизнеспособной заменой нынешним системам кондиционирования воздуха и другим технологиям охлаждения.
Барокалорические материалы работают аналогично традиционным газожидкостным системам охлаждения, используя изменения давления для прохождения тепловых циклов, но в этом случае давление вызывает фазовый переход от твердого к твердому. Это означает, что материал остается твердым, но изменяется внутренняя молекулярная структура. Ключевым структурным аспектом этих барокалорических твердых материалов является то, что они содержат длинные гибкие молекулярные цепи, которые обычно гибкие и неупорядоченные. Но под давлением цепи становятся более упорядоченными и жесткими — изменение, которое высвобождает тепло.
Джарад Мейсон, главный исследователь проекта в Гарвардском университете, описывает процесс перехода от упорядоченной структуры к расслабленной как «как плавление воска, но без превращения его в жидкость». Когда давление сбрасывается, материал снова поглощает тепло, завершая цикл.
Однако недостатком барокалорических систем является то, что большинству этих материалов требуется огромное давление для запуска тепловых циклов. Для создания такого давления системам требуется дорогостоящее специализированное оборудование, которое нецелесообразно для реальных приложений охлаждения.
Прототип
Гарвардский университет — одна из многих команд, изучающих использование этих дешевых и нетоксичных органических материалов.
Мейсон и его команда недавно сообщили о барокалорических материалах, которые могут действовать как хладагенты при гораздо более низких давлениях. Теперь они показали, что хладагенты — металлогалогенидные перовскиты — могут работать в системе охлаждения, которую они построили с нуля.
Сейчас команда построила прототип, демонстрирующий использование этих новых материалов в практической системе охлаждения. Устройство состоит из трех основных частей. Один представляет собой металлическую трубку, заполненную твердым хладагентом и инертной жидкостью — водой или маслом. Другая часть устройства представляет собой гидравлический поршень, оказывающий давление на жидкость. Наконец, жидкость помогает передавать это давление хладагенту и помогает переносить тепло через систему.
Решив несколько инженерных задач, команда показала, что барокалорийные материалы работают как функциональные хладагенты, превращая изменения давления в полные циклы изменения температуры.
«Наша система по-прежнему не использует такое низкое давление, как в коммерческих холодильных системах, но мы приближаемся к этому», — говорит Мейсон. Насколько известно команде, это первая работающая система охлаждения, в которой используются твердотельные хладагенты, зависящие от изменения давления.
Имея устройство в руках, команда планирует протестировать различные барокалорические материалы. «Мы действительно надеемся использовать эту машину в качестве испытательного стенда, чтобы помочь нам найти еще лучшие материалы», — говорит Славней, в том числе те, которые работают при более низком давлении и лучше проводят тепло. Исследователи считают, что с оптимальным материалом твердотельные хладагенты могут стать жизнеспособной заменой нынешним системам кондиционирования воздуха и другим технологиям охлаждения.
