Ионокалорическое охлаждение
Ионокалорический цикл охлаждения — это передовая технология охлаждения, в которой используется ионокалорический эффект, вызываемый электрохимическим полем, для достижения эффективного и экологически чистого охлаждения. Управляя электрохимическим потенциалом путем добавления или удаления ионов, достигаются значительные изменения температуры и изменения энтропии. Этот цикл предлагает устойчивую альтернативу традиционным холодильным системам с потенциальным применением в различных отраслях промышленности. Текущие исследования направлены на оптимизацию ионокалорических материалов и конструкции системы для повышения ее производительности и жизнеспособности.
Его разработали Дрю Лилли и Рави Прашер в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики . [1] [2]
Обзор
[ редактировать ]Ионокалорический холодильный цикл — это передовая технология охлаждения, которая обеспечивает высокую эффективность и нулевой потенциал глобального потепления . В этом новом цикле используется ионокалорический эффект, вызываемый электрохимическим полем, для достижения значительных адиабатических изменений температуры и изотермических изменений энтропии. Ионокалорический холодильный цикл, разработанный как решение острой потребности в устойчивых и экологически чистых холодильных системах, показывает многообещающие результаты с точки зрения производительности и энергоэффективности .
Традиционные технологии охлаждения, такие как системы сжатия пара (VC), основывались на гидрофторуглеродах (ГФУ) в качестве хладагентов. Однако ГФУ обладают высоким потенциалом глобального потепления и вносят значительный вклад в выбросы парниковых газов . Чтобы решить эти экологические проблемы, исследователи исследовали твердотельные тепловые материалы, которые проявляют эффект охлаждения под воздействием внешних полей. В то время как предыдущие калорические материалы демонстрировали ограниченную эффективность и низкий коэффициент полезного действия (КПД), ионокалорический цикл демонстрирует значительные улучшения.
Ионокалорический эффект заключается в манипулировании электрохимическим полем, окружающим твердую фазу, путем добавления или удаления ионов. Это электрохимическое смешивание частиц вызывает значительные энергетические изменения, приводящие к тепловому отклику и изменению температуры внутри системы. В отличие от других тепловых эффектов, когда приложенное поле взаимодействует с парой сопряженных полей материала, ионокалорический эффект действует в обратном порядке. Контроль электрохимического потенциала достигается путем изменения концентрации химических веществ с помощью различных переменных поля, таких как температура, давление и напряжение.
Ионокалорический цикл охлаждения включает ионокалорический эффект в термодинамический цикл для обеспечения непрерывного и эффективного охлаждения. Цикл включает четыре стадии: изоэнтропическое смешение, изокомпозиционное и изотермическое плавление за счет поглощения тепла, изэнтропическое разделение, а также изокомпозиционная и изотермическая кристаллизация за счет отвода тепла. Следуя этим шагам, цикл достигает поведения Карно и обеспечивает эффективное охлаждение.
Среди различных ионокалорических систем этиленкарбонат — йодид натрия особую перспективность показала система . Он демонстрирует высокую скрытую теплоту плавления, температуру плавления выше комнатной температуры и экологическую безопасность, что делает его привлекательным вариантом для практического применения. Ионокалорический эффект в этой системе превосходит другие тепловые эффекты, о которых сообщалось на сегодняшний день, демонстрируя значительно более высокие адиабатические изменения температуры и изменения энтропии на единицу массы и объема.
Практическая реализация ионокалорического холодильного цикла предполагает использование методов опреснения, таких как электродиализ , для отделения раствора и регенерации системы. Хотя теоретические свойства системы EC/ NaI демонстрируют конкурентоспособность, реальная эффективность будет зависеть от деталей процесса разделения. Электрохимические методы, такие как электродиализ, обеспечивают высокую эффективность, не требуя высоких рабочих давлений или полей, что делает их пригодными для практического применения.
Идеальные ионокалорические материалы требуют значительной энтальпии плавления, повышенной криоскопической постоянной и большой диэлектрической проницаемости, что свидетельствует о высокой растворимости солей. Система этиленкарбонат-йодид натрия является многообещающим кандидатом для экспериментов. Хотя такие соли, как 𝑍𝑛𝐶𝑙 2 и 𝐻𝑔𝐶𝑙 2, имеют высокую растворимость, их прохождение через катионообменные мембраны затруднено, и они рискуют выделять токсичный газообразный хлор. И наоборот, 𝑁𝑎𝐼 и 𝐾𝐼 с высокой растворимостью и ионной проводимостью подходят для ионокалорических устройств, причем NaI предпочтителен из-за превосходной растворимости солей.
В заключение, ионокалорический цикл охлаждения представляет собой многообещающий подход к созданию эффективных и экологически чистых систем охлаждения. Примечательно, что использование специфических ионокалорийных материалов, таких как система этиленкарбонат-йодид натрия и NaI, известных своей высокой растворимостью и ионной проводимостью, еще больше повышает эффективность этой инновационной технологии. Используя ионокалорический эффект и интегрируя его в тщательно разработанный термодинамический цикл, мы движемся к нулевому потенциалу глобального потепления и более устойчивому будущему. Продолжающиеся исследования и разработки в области выбора и применения этих ионокалорических материалов имеют решающее значение для полной реализации потенциала этой новой технологии охлаждения.
Принцип работы
[ редактировать ]Ионокалорический тепловой насос представляет собой технологию теплового насоса на основе твердого тела и жидкости с высокой эффективностью в очень высоких температурных диапазонах. Он использует ионокалорический эффект путем изменения концентрации соли в смеси для регулирования температуры плавления материала и, следовательно, содержания тепла. Ионокалорический эффект определяется как термический отклик на приложенное электрохимическое поле (т.е. ионное поле). Ионокалорический нагрев/охлаждение использует ионокалорический эффект в рамках соответствующего термодинамического цикла (например, обратного цикла Карно или цикла Стирлинга ).
Ионокалорическое охлаждение работает путем окружения твердой фазы ионами (т.е. приложения к твердому телу электрохимического поля), что делает твердое тело более стабильным как жидкость. Чтобы перейти в жидкость, она должна расплавиться, а значит, должна поглотить энергию. Если расплавиться адиабатически (и, следовательно, изоэнтальпически ), он увеличит свою энергию так, что сможет стать жидкостью, отбирая энергию у самого себя, что охлаждает весь материал. После охлаждения материала твердое вещество может продолжать плавиться, но уже при более низкой температуре, поглощая таким образом энергию из окружающей среды (т. е. охлаждения).
Ионокалорический нагрев работает наоборот. Удаляя ионы из жидкости, жидкость (если ее выбирать тщательно) становится более стабильной как твердое вещество. Для перехода в твердую фазу он должен кристаллизоваться и высвободить энергию. Если кристаллизуется адиабатически, он нагревается (т. е. происходит «перекалесценция»). Как только материал нагреется, он продолжит выделять энергию путем кристаллизации, но теперь выделяет тепло в окружающую среду (т.е. перекачивание тепла).
Пройдя через эти четыре процесса, возникает цикл теплового насоса, подобный Карно, с нулевым потенциалом глобального потепления. Первый продемонстрированный прототип был опубликован в журнале Science. [2] в 2022 году, и является CO 2 -отрицательным, экологически безопасным, неопасным, с нулевым ПГП, нетоксичным и негорючим.
Преимущества
[ редактировать ]Ионокалорическое охлаждение имеет ряд преимуществ перед традиционными технологиями охлаждения.
- Он не требует каких-либо вредных хладагентов, таких как хлорфторуглероды (ХФУ) или гидрофторуглероды (ГФУ), которые, как известно, способствуют глобальному потеплению и разрушению озонового слоя .
- Имеет потенциал обеспечения высокой энергоэффективности, что может привести к значительной экономии затрат и уменьшению воздействия на окружающую среду.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Бирон, Лорен (3 января 2023 г.). «Ученые из лаборатории Беркли разработали новый крутой метод охлаждения» . Центр новостей . Национальная лаборатория Лоуренса Беркли . Проверено 14 января 2023 г.
- ^ Jump up to: а б Лилли, Дрю; Прашер, Рави (23 декабря 2022 г.). «Ионокалорический холодильный цикл». Наука . 378 (6626): 1344–1348. Бибкод : 2022Sci...378.1344L . дои : 10.1126/science.ade1696 . ПМИД 36548416 . S2CID 254998229 .