Еластокалориката – процес, който обещава екологично отопление и охлаждане и революция в ОВК сектора

Еластокалориката е бързо развиваща се област, базирана на т.нар. еластокалорични материали, или материали с памет на формата. Те притежават уникалната способност да променят своята кристална решетка, като по време на деформация освобождават топлина, а при връщане в първоначалното си състояние я абсорбират. Новата система е разработена от немски инженери и се основава на никел-титанови сплави, които се подлагат на цикли на деформация и релаксация. Материалът отделя топлина, когато се натоварва, и я абсорбира отново, когато се разтоварва. Именно поради тези си свойства този тип технология може да се превърне в най-обещаващата алтернатива на конвенционалните климатици и термопомпи. А сред нейните основни предимства е, че не изисква вредните за околната среда хладилни агенти, ефективността ѝ може да бъде няколко пъти по-висока от тази на съществуващите технологии и е приложима в райони с ограничена електрическа инфраструктура. Освен това системата работи тихо и няма въртящи се части, което я прави по-надеждна и изискваща по-малко поддръжка.

От централизирана към децентрализирана климатизация

Както споменахме, еластокалориката като процес би могла да ни бъде най-полезна като заместител на настоящите климатични и отоплителни системи, предлагайки значителни икономии на енергия, особено в съчетание с фотоволтаици. Технологията е разработка на екип от учени от университета Саарланд в Германия, като изследователският проект има за цел създаване на прототип за децентрализирана климатизация в помещенията.

И точно това е най-интересното! На практика с технологията се цели отопляване и охлаждане на пространствата, но не посредством централизирана система, а по-скоро стая по стая – по децентрализиран и индивидуален начин. Компактният модул, който предстои да бъде разработен, трябва да може да се инсталира директно в нови сгради с вентилационни системи, като пресният въздух ще постъпва през тесни вентилационни отвори във външните стени и ще се нагрява или охлажда според нуждите, докато се достигне желаната температура в помещението.

Откритието на пионерите в еластокалориката

Процесът на отопление и охлаждане с твърдотелни материали се основава на транспортиране на топлина от или към дадено пространство чрез зареждане и разтоварване на така наречения „материал с памет на формата“, например чрез проводници. Материалът поглъща топлина, когато бъде натоварен, например при дърпане, и после я освобождава, когато товарът бъде премахнат.

За тази цел немските изследователи, водени от пионера в еластокалориката Пол Моцки, използват супереластична никел-титанова сплав. Материалите, направени от сместа, се връщат към първоначалната си форма след деформация, тъй като на практика имат две кристални решетки и следователно две фази. Докато водата например приема твърда, течна и газообразна фаза, в никел-титановата сплав и двете фази са твърди, но се сливат една с друга.

Посредством еластокалоричната система могат да се постигнат температурни разлики от около 20 °С при охлаждане и отопление, обясняват немските учени. Технологията може да се превърне в зелена алтернатива на конвенционалните методи за климатизация, тъй като не изисква охлаждащи течности и използва значително по-малко енергия, постигайки до десет пъти по-висока ефективност от днешните климатични или отоплителни системи.

Концепцията е оценена от Световния икономически форум (WEF) като една от „десетте най-добри технологии за 2024 г.“, а Министерството на енергетиката на САЩ и Комисията на Европейския съюз я определят като най-обещаващата алтернатива на конвенционалното отопление и охлаждане.

Към момента изследователският екип работи върху по-нататъшното развитие на технологията по отношение на процеса и дизайна, така че да може да се инсталира в домовете по практичен начин. Предизвикателството е да се проектира апарат, който да постигне най-добрия ефект на охлаждане или нагряване, когато покрай него преминава въздух. „Вместо проводниците, с които основно работихме, за да разработим процеса, ще експериментираме с тънки листове никел-титан, тъй като по-голямата им повърхност позволява да абсорбират и отделят повече топлина“, обяснява Пол Моцки.

Еластокалоричен ефект

Еластокалоричните материали са твърди вещества, способни на индуцирани от напрежение обратими фазови трансформации, по време на които латентната топлина се освобождава или абсорбира. Еластокалоричният ефект възниква, когато напрежението се приложи или премахне и се предизвика фазова трансформация. В резултат на разликата в ентропиятa между двете съвместно съществуващи фази, материалът се нагрява или охлажда. Един добър еластокалоричен материал трябва да показва голяма латентна топлина, голяма адиабатична промяна на температурата, добра топлопроводимост, дълъг експлоатационен живот и ниска цена. Полимерите с памет на формата също могат да проявят еластокалоричен ефект.

Еластокалорика от Изтока

Разбрахме, че твърдотелните еластокалорични хладилни системи, базирани на латентната топлина при цикличния фазов преход на сплави с памет на формата (SMA), безспорно са екологична алтернатива с характеристиките си на хладилни SMA агенти без парникови газове, като освен това са 100% рециклируеми и енергийно ефективни. Въпреки това сравнително малкият температурен подем между 20 и 50 К, който е критичен показател за ефективността на охлаждащото устройство, за да може то да пренася топлина от нискотемпературен източник към високотемпературен радиатор, се оказва основният фактор, който възпрепятства комерсиализацията на тази нова технология.

Освен учените от Германия, с материята се занимават и изследователи от Факултета по инженерни науки към Хонконгския университет за наука и технологии (HKUST), които са разработили екологично устройство с рекордна ефективност на охлаждане. За да се справи с предизвикателството, изследователският екип, ръководен от проф. Сун Цинпин и проф. Яо Шухуай от катедрата по машинно и космическо инженерство, разработва многоматериално каскадно еластокалорично охлаждащо устройство, изработено от никел-титанови (NiTi) сплави с памет на формата.

Избрани са три NiTi сплави с различни температури на фазов преход, които да работят съответно в студения край, междинния край и горещия край. Чрез съгласуване на работните температури на всеки модул със съответните температури на фазов преход свръхпластичният температурен прозорец на цялото устройство е разширен до над 100 К и всеки модул NiTi работи в оптималния си температурен диапазон, което значително повишава ефективността на охлаждането. На общо основание многоматериалното каскадно еластокалорично охлаждащо устройство успява да постигне повишаване на температурата от 75 K, надминавайки предишния световен рекорд от 50.6 K.

Въз основа на успеха в разработването на еластокалорични охлаждащи материали и архитектури изследователският екип планира да продължи работата по високоефективни сплави с памет на формата и устройства за еластокалорично охлаждане при отрицателни температури и високотемпературни приложения. Те ще продължат да оптимизират свойствата на материалите и да разработват високоенергийно ефективни охладителни системи, за да стимулират комерсиализацията на тази иновативна технология.

На охлаждането и отоплението на помещенията се падат 20% от общото потребление на електроенергия в света и според оценки на индустрията се очаква до 2050 г. да станат вторият по големина източник на глобално търсене на електроенергия. Ето защо нови технологии като еластокалориката биха могли да допринесат за подобряване на този показател.

За да подготвим този материал, използвахме информация от: uni-saarland.de, hicomm.bg, caloricool.org, technews.bg.

Източник на снимковия материал: © Sophie Lessure via uni-saarland.de, © cottonbro studio via pexels.com, ©Engineer BG via Canva.com