Naukowcy opracowali magnetokaloryczną pompę ciepła, która dorównuje konwencjonalnym systemom pod względem kosztów, masy i wydajności, eliminując szkodliwe czynniki chłodnicze. Dzięki optymalizacji materiałów i konstrukcji pompa osiąga porównywalną gęstość mocy, oferując bardziej ekologiczną i wydajną alternatywę w zakresie ogrzewania i chłodzenia.
Naukowcy z Narodowego Laboratorium Ames Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych opracowali magnetokaloryczną pompę ciepła, która może konkurować z tradycyjnymi pompami ciepła wykorzystującymi sprężanie pary pod względem masy, kosztów i wydajności. Technologia sprężania pary, która od ponad stu lat stanowi podstawę systemów ogrzewania i chłodzenia, opiera się na czynnikach chłodniczych, które stwarzają znaczne ryzyko dla środowiska. Te czynniki chłodnicze przyczyniają się do globalnej emisji dwutlenku węgla, a w przypadku wycieku uwalniają substancje chemiczne szkodliwe zarówno dla ludzi, jak i ekosystemów.
Magnetokaloryczne pompy ciepła stanowią obiecującą alternatywę dla ogrzewania i chłodzenia, eliminując emisję czynnika chłodniczego i pracując z większą efektywnością energetyczną. Jednak do tej pory urządzenia magnetokaloryczne miały trudności z dorównaniem systemom sprężania pary we wszystkich trzech kluczowych obszarach: wadze, kosztu i wydajności. To nowe osiągnięcie stanowi znaczący krok w kierunku bardziej zrównoważonej technologii ogrzewania i chłodzenia.
Julie Slaughter, liderka zespołu badawczego, wyjaśniła, że badania rozpoczęły się od zbudowania magnetokalorycznej pompy ciepła. „Najpierw przyjrzeliśmy się, co tam jest i jak bardzo istniejące urządzenia magnetokaloryczne są podobne do pasujących sprężarek” – powiedziała. „Następnie opracowaliśmy projekt bazowy, a następnie zapytaliśmy: «OK, jak daleko możemy rozwinąć technologię?»”.
Magnetokaloryczna pompa ciepła działa poprzez zmianę pola magnetycznego przykładanego do materiału magnetokalorycznego podczas pompowania płynu w celu przenoszenia ciepła. Slaughter wyjaśnił, że zwykle robi się to za pomocą magnesów trwałych. Rdzeń urządzenia opiera się na obracaniu magnesów trwałych względem materiału magnetokalorycznego i wykorzystaniu stali magnetycznej do utrzymywania pola magnetycznego. Układ tych trzech elementów odgrywa główną rolę w przewidywaniach zespołu badającego, w jaki sposób zwiększyć gęstość mocy pompy ciepła.
Zwiększanie wykorzystania materiałów i wydajności
Kolejna część badania obejmowała ocenę dwóch najpopularniejszych materiałów magnetokalorycznych stosowanych w tych pompach ciepła. Materiał na bazie gadolinu i lantanu, żelaza i wodorku krzemu.
„W naszym podstawowym urządzeniu zachowaliśmy prostotę, używając jednego materiału, gadolinu. Materiały lantanowo-żelazowo-krzemowe mają większą moc niż gadolin. To w naturalny sposób zwiększa gęstość mocy. Po prostu nie są tak łatwo dostępne i wymagają wielu materiałów w jednym urządzeniu, aby uzyskać dobrą wydajność” – powiedział Slaughter. „W naszych ocenach uwzględniliśmy szacunki wydajności LaFeSi dla urządzeń o największej gęstości mocy”.
Zespół Slaughtera skupił się na efektywniejszym wykorzystaniu przestrzeni i materiałów oraz zmniejszeniu ilości materiału z magnesami trwałymi i stali magnetycznej potrzebnych do wydajnego działania pompy. Wysiłki te pomogły w dostosowaniu głównych elementów systemu do ciężaru dostępnych obecnie sprężarek.
„Udało nam się pokazać, że jesteśmy konkurencyjni pod względem gęstości mocy niektórych sprężarek dostępnych obecnie na rynku” – powiedział Slaughter. „Magnesy trwałe i stal magnetyczna stanowią większość masy, a nie drogi materiał magnetokaloryczny, co jest naprawdę pomocne w kontekście przystępności cenowej. Założyliśmy, że jeśli urządzenie waży mniej więcej tyle samo, koszt w przypadku masowej produkcji będzie mniej więcej taki sam.”
Odniesienie: „Skalowalna i kompaktowa technologia magnetokalorycznych pomp ciepła” Julie Slaughter, Lucas Griffith, Agata Czernuszewicz i Vitalij Pecharsky, 28 października 2024 r., Zastosowana energia.
DOI: 10.1016/j.apenergy.2024.124696
