Ученые придумали экологичный кондиционер с твердым хладагентом
© pixabay.com
Разработка американцев работает без использования парниковых газов
Лето в США в самом разгаре, и люди включают свои кондиционеры, чтобы победить жару. Но гидрофторуглеродные хладагенты в этих и других охлаждающих устройствах являются мощными парниковыми газами и основными факторами изменения климата. Phys.org сообщает о создании устройства, которое когда-нибудь сможет заменить существующие кондиционеры. Оно гораздо более экологично и использует твердые хладагенты для эффективного охлаждения помещений.
«Установка кондиционера или его утилизация — огромный фактор глобального потепления», — говорит Адам Славни, один из разработчиков. Хладагенты, используемые в этих системах, в тысячи раз мощнее углекислого газа и могут случайно вытечь при эксплуатации или утилизации.
Читайте также
Традиционные системы охлаждения, такие как кондиционеры, работают, заставляя хладагент циклически переходить из газообразного состояния в жидкое. Когда жидкость становится газом, она расширяется и поглощает тепло, охлаждая комнату или внутреннюю часть холодильника. Компрессор, который работает при давлении около 4,8-10,3 бар, превращает газ обратно в жидкость, выделяя тепло. В случае кондиционеров это тепло направляется за пределы дома. Хотя этот цикл эффективен, опасения по поводу изменения климата и более строгие правила в отношении гидрофторуглеродных хладагентов стимулируют поиск более экологически безопасных хладагентов.
Твердые хладагенты могут быть идеальным решением. В отличие от газов, твердые частицы не будут попадать в окружающую среду из кондиционеров. Один класс твердых хладагентов, называемых барокалорическими материалами, работает аналогично традиционным газожидкостным системам охлаждения. Они используют изменение 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 его внутренняя молекулярная структура. Ключевым структурным аспектом этих барокалорических твердых материалов является то, что они содержат длинные гибкие молекулярные цепи, которые обычно являются гибкими и неупорядоченными. Но под давлением цепи становятся более упорядоченными и жесткими — происходит изменение, которое высвобождает тепло. Процесс перехода от упорядоченной структуры к расслабленной подобен плавлению воска, но без превращения его в жидкость, говорит Джарад Мейсон, руководитель исследований, работающий в Гарвардском университете. 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 таких давлений системам требуется дорогостоящее специализированное оборудование, которое нецелесообразно для реальных систем охлаждения. Мейсон и его команда недавно сообщили о барокалорических материалах, которые могут действовать как хладагенты при гораздо более низких давлениях. Они показали, что хладагенты, называемые металлогалогенидными перовскитами, могут работать в системе охлаждения, которую они построили с нуля. «Материалы, о которых мы сообщали, могут работать при давлении около 200 бар, что является давлением, при котором может работать типичная гидравлическая система», — говорит Славни.
Сейчас команда построила первый в своем роде прототип, демонстрирующий использование этих новых материалов в практической системе охлаждения. Устройство состоит из трех основных частей. Одна 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, сама жидкость помогает передавать это давление хладагенту и переносить тепло через систему.
Решив несколько инженерных задач, команда показала, что барокалорические материалы работают как функциональные хладагенты, превращая изменение 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 опытное устройство, команда планирует протестировать различные барокалорические материалы. «Мы действительно надеемся использовать эту машину в качестве испытательного стенда, чтобы найти еще лучшие материалы, — говорит Славни. — В том числе те, которые работают при более низком давлении и лучше проводят тепло». Исследователи считают, что с оптимальным материалом твердые хладагенты могут стать жизнеспособной заменой нынешним системам кондиционирования воздуха и другим технологиям охлаждения.
