Эластокалорический кондиционер охлаждает помещение на 10 градусов за 15 минут
Большинство коммерческих кондиционеров используют системы сжатия пара, которые выделяют парниковые газы. Среди экологичных альтернатив — твердотельное охлаждение с использованием эластокалорического эффекта сплавов с памятью формы (SMA). Эластокалорический эффект — это явление, при котором материал меняет свою температуру при механической деформации, например, сжатии или растяжении. Такие технологии могут быть энергоэффективными и не выбрасывают вредные вещества. Однако предыдущие разработки обеспечивали только 260 Вт охлаждения. Этого недостаточно для коммерческого применения, где требуется мощность в киловаттах.
Для охлаждения на уровне киловатт пришлось решить два ключевых вопроса. Во-первых, сбалансировать охлаждающую способность никель-титанового хладагента с общей массой, поскольку простое увеличение массы снижало эффективность. Во-вторых, высокие рабочие частоты ограничивали теплообмен, что замедляло процесс удаления тепла.
Исследователи создали систему, которая обеспечивает большую мощность при высоких скоростях охлаждения. Они соединили 10 эластокалорических охлаждающих блоков последовательно вдоль направления приложения силы. Также они использовали тонкостенные трубки из никель-титанового сплава с высоким отношением площади поверхности к объему. Так им удалось улучшить теплообмен.
Давление в системе не превышало 1,5 бар благодаря параллельным каналам для жидкости, что обеспечило стабильную работу на частоте 3,5 Гц. Дистиллированную воду заменили на графеновую наножидкость. Даже при концентрации 2 г/л она проводила тепло на 50% эффективнее. Риск закупорки свели к минимум за счет использования наночастиц диаметром 0,8 микрометра — намного меньше, чем ширина каналов (150–500 микрометров). Рентгеновская томография показала, что трубки деформируются равномерно при сжатии.
При испытаниях в модели дома объемом 2,7 м³ устройство обеспечило охлаждение мощностью 1284 Вт. Оно также достигло охлаждающей способности 12,3 Вт/г — почти в три раза выше, чем у любых жидкостных эластокалорических устройств. Прибор стабилизировал температуру в помещении на уровне 21-22°C за 15 минут, несмотря на наружную температуру 30-31°C. Это первый случай, когда подобная технология достигает киловаттной мощности.
Энергоэффективное решение не только снизит счета за электроэнергию, но и позволит создавать более компактные устройства, экономя пространство. Ученые работают над коммерциализацией решения.