吸附式制冷迎曙光:IBM研发新吸附换热器,制冷功率密度提高10倍

近日,IBM研究院发布了一项关于废热再利用的研究结果。该项研究至今已持续了整整47个月,在四年前,来自IBM研究院的科学家以及其他一些合作者联手解决这个问题,并在一个名为THRIVE(用于替代电力和化石燃料的热驱动热泵)的项目中聚集在一起。该研究的重点是吸附式热泵(AdHP,Adsorption Heat Pump)技术。

1IBM研究院THRIVE项目开发的10 kW吸附式热泵原型机

图:IBM研究院THRIVE项目开发的10 kW吸附式热泵原型机

在THRIVE中,实现了几个技术里程碑,以推进吸附式热泵技术。

创新一:更高效的吸附剂

市场上现有的吸附式热泵(制冷)机组绝大多数都采用硅胶-水工质对,以硅胶作为吸附剂。该研究团队的科学家们开发出一种新型的整体式活性炭吸附剂,而不是硅胶,类似于木炭,可以模塑和加工成任意形状,以适应AdHPs的热交换器。在都是以60℃的废热作为驱动力的情况下,使用整体式活性炭吸附剂的单位质量制冷功率是使用硅胶的3.8

IBM研究院THRIVE项目开发的整体式活性炭吸附剂

图:IBM研究院THRIVE项目开发的整体式活性炭吸附剂

创新二:更高效的吸附换热器

目前,市场上吸附式热泵(制冷)机组的一大缺陷是循环周期太长,不仅限制了机组对能源的使用率,同时限制了单位时间制冷量的提高。该问题的主要症结在于吸附换热器的传热效果不佳。

针对这一技术瓶颈,THRIVE项目组的科学家们开发出了新的吸附换热器。和普通的吸附换热器相比,该换热器对换热器翅片表面的吸附剂涂层进行了结构化处理,与普通的非结构化涂层相比,吸附速率提高了3。这种结构化的吸附剂涂层每平方米能够提供5kW的制冷功率。

IBM科学院THRIVE项目对吸附换热器涂层的结构化处理

图:IBM科学院THRIVE项目对吸附换热器涂层的结构化处理(右侧第一种方案)[2]

新吸附剂材料和吸附换热器结构的改进可以将吸附换热器的制冷功率密度提高10倍。这可以大大降低未来AdHP的成本,使其在许多应用中的整体经济、技术和环境优于其他方法。

为了证明该方法也能在更大规模上运行,科学家们建造了一个四腔吸附式热泵系统,可提供高达10kW的制冷功率(上文第一个图所示)——这将满足温热气候区单户住宅的典型空调要求。

据悉,这项紧凑的AdHP技术将会被应用于数据中心冷却,利用来自高性能服务器的废热来驱动AdHPs,以产生冷量来满足同一数据中心内的电源和数据存储的空调需求,从而使数据中心能够利用自己的废热来冷却自己

参考资料:
[1] IBM:Addressing Climate Change at a Major Source: Buildings
https://www.ibm.com/blogs/research/2018/11/climate-change-buildings-2/
[2] Jens Ammann, Bruno Michel, André R. Studart, Patrick W. Ruch.Sorption rate enhancement in SAPO-34 zeolite by directed mass transfer channels[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer,Volume 130,2019,Pages 25-32
https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.10.065

延伸阅读:
吸附式制冷循环的分类、工作原理、特点、优缺点