В мире современных технологий охлаждения появилась настоящая революция: команда ученых из Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» и Тверского государственного университета представила новую разработку, способную изменить наше представление о холодильниках. Основой уникального устройства стала твердотельная магнитная система, обеспечивающая на 30–40% большую энергоэффективность по сравнению с традиционными газокомпрессорными агрегатами, в которых используется фреон или другие привычные хладагенты.
Современные холодильники и их энергопотребление
Холодильник давно стал неотъемлемой частью любой квартиры. Однако мало кто задумывается, что именно этот прибор способен поглощать до 40% всей бытовой электроэнергии в доме. Если посмотреть шире, на глобальные масштабы, выясняется, что производственные и бытовые системы охлаждения и кондиционирования, а также автомобильные кондиционеры, ежегодно расходуют порядка 10% всей электроэнергии на планете. Такие масштабные затраты серьезно стимулируют ученых искать новые, более эффективные решения для производства холода.
Магнетокалорический эффект – сердце инновации
Ключ к революционному охлаждению – магнетокалорический эффект. В отличие от классических холодильников, где за снижение температуры отвечает переход фреона из жидкого состояния в газообразное, магнетокалорический холодильник использует физическое изменение температуры особого магнитного материала при воздействии или снятии внешнего магнитного поля. Это принципиально иной подход к созданию холода, не требующий химических хладагентов, отличающийся безопасностью и экологичностью.
В материальном воплощении это выглядит так: металлический брусок попеременно помещается в магнитное поле и извлекается из него. В результате таких периодических манипуляций он последовательно нагревается и охлаждается. Чтобы достичь эффективной разницы температур, процесс должен быть не только быстрым, но и циклически повторяемым. Инженеры и физики двух вузов успешно спроектировали компактный рабочий прототип, который способен охлаждать довольно большой объем, сохраняя при этом миниатюрные габариты устройства.
Преимущества твердотельных магнитных холодильников
Одна из важнейших особенностей новой технологии заключается в том, что металлические магнитные сплавы, использующиеся в роли рабочего тела, обладают гораздо большей плотностью, чем газы. Благодаря этому в них накапливается значительно больше энтропии, а следовательно, и холодильная мощность таких материалов возрастает. Это позволяет достичь высокой энергоэффективности устройства – показатели превосходят традиционные холодильные машины на основе газа примерно на треть.
Компактность устройства не сказывается на его производительности: прототип обеспечивает разницу температур между горячим и холодным теплообменниками в 9 °C, что позволяет равномерно и эффективно охлаждать внутреннее пространство холодильника. Еще одним революционным технологическим решением стал отказ от классических насосов: сами рабочие тела взяли на себя одновременно функции хладагента и нагнетателя, полностью исключив дополнительную тепловую нагрузку на систему.
Интеллектуальная организация потоков и новые горизонты эффективности
Создатели магнитного холодильника позаботились о разделении потоков теплоносителя между горячей и холодной секциями. Благодаря этому рабочие металлические элементы могут переходить из одного потока в другой, находясь то в состоянии намагниченности, то размагниченности, тем самым обеспечивается плавная и надежная работа всей системы. Такой подход позволил реализовать принципиально новый уровень энергоэффективности и надежности, а само устройство стало легче в обслуживании и перспективнее с точки зрения долговечности.
Использование каскадных циклов магнитного охлаждения дало возможность увеличить диапазон охлаждения на внушительные 80%. Этим открываются возможности для широкого применения не только в бытовых холодильниках, но и в промышленных производственных линиях, серверных комнатах, медицинской технике и многих других областях, где необходимость надежного и экономичного охлаждения стоит особо остро.
Результаты испытаний и оптимистичные перспективы
В ходе экспериментальных тестов, проведенных с рабочим прототипом, было выявлено, что максимальное количество тепла, которое способно отводить устройство за цикл, достигает 405 Джоулей, что соответствует мощности охлаждения порядка 45 Вт. Такой результат соотносится с мощностями стандартных бытовых холодильников, но при этом потребление электроэнергии существенно сокращается. Разработанный лабораторный образец уже сейчас предъявляет впечатляющие показатели, стимулируя интерес со стороны промышленников и специалистов по энергосбережению.
Научная группа продолжает активную работу над усовершенствованием прототипа, проводя серию лабораторных испытаний и оптимизируя технические решения. В дальнейшем возможна интеграция новых технологий в уже существующие холодильные системы, а также разработка полностью новых, экологичных моделей бытовых и промышленных холодильников.
Будущее без фреона: возможности внедрения
Магнитное охлаждение способно стать реальной альтернативой традиционным системам, избавляя мир от необходимости использовать фреон и прочие опасные для климата и экологии хладагенты. Такая технология не только улучшает энергобаланс в быту и промышленности, но и влияет на состояние окружающей среды, снижая выбросы парниковых газов и минимизируя след от эксплуатации холодильных установок.
Рассмотрение экологических, экономических и эксплуатационных преимуществ магнитных холодильников показывает: за этой технологией настойчиво закрепляется будущее. Достижение российских ученых становится значимой вехой на пути к более чистым, эффективным и устойчивым энергетическим решениям во всем мире.
Пресс-служба НИТУ «МИСиС»
Изображение: refrigerator/Фотобанк RU.123RF
Источник: scientificrussia.ru
