中國的超高溫?zé)岜糜型麑㈥柟廪D(zhuǎn)化為工業(yè)

中國科學(xué)院物理化學(xué)技術(shù)研究所的科研團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種無運(yùn)動(dòng)部件的超高溫?zé)岜茫軌蚶孟鄬?duì)低溫的熱源產(chǎn)生遠(yuǎn)超傳統(tǒng)熱泵極限的高溫輸出。

在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，這種基于熱聲學(xué)原理的裝置以145攝氏度的熱源驅(qū)動(dòng)，成功輸出270攝氏度的熱能，突破了困擾工業(yè)熱泵技術(shù)多年的200攝氏度瓶頸。研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人羅爾倉博士表示，隨著材料和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的進(jìn)步，到2040年該技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)1300攝氏度的零碳熱能輸出，這將為陶瓷、冶金和石化等高耗能行業(yè)的脫碳提供關(guān)鍵技術(shù)路徑。

工業(yè)供熱占據(jù)中國總能源消耗的近40%，而中國又是全球最大的工業(yè)生產(chǎn)國，其技術(shù)選擇對(duì)全球減排目標(biāo)具有決定性影響。國際能源署數(shù)據(jù)顯示，工業(yè)部門的脫碳進(jìn)展遠(yuǎn)落后于電力和交通領(lǐng)域，主要原因是許多工業(yè)流程需要極高溫度，而這些熱能傳統(tǒng)上只能通過燃燒化石燃料獲得。造紙、染色和制藥等行業(yè)需要100到200攝氏度的蒸汽，陶瓷燒制和金屬冶煉則要求溫度超過1000攝氏度。用電力或可再生能源直接加熱到如此高溫不僅成本高昂，而且技術(shù)上面臨諸多挑戰(zhàn)。

更嚴(yán)峻的現(xiàn)實(shí)是能源浪費(fèi)問題。中國工業(yè)系統(tǒng)以廢熱形式損失的能量占總能耗的10%到27%，這些熱量通常直接排放到大氣或冷卻水中。如果能夠捕獲并升級(jí)這些廢熱，將其轉(zhuǎn)化為可用的高品質(zhì)熱能，既能提高能源效率，又能減少對(duì)化石燃料的依賴。但傳統(tǒng)熱泵技術(shù)存在根本性限制，目前商業(yè)化的吸收式熱泵輸出溫度通常不超過100攝氏度，即使最先進(jìn)的吸收式熱變壓器也難以超越200攝氏度，遠(yuǎn)不能滿足高溫工業(yè)流程的需求。

熱聲學(xué)原理的創(chuàng)新應(yīng)用

中科院團(tuán)隊(duì)開發(fā)的熱聲熱泵采用了完全不同的工作機(jī)制。傳統(tǒng)熱泵依靠壓縮機(jī)等機(jī)械部件驅(qū)動(dòng)制冷劑循環(huán)，通過相變吸收和釋放熱量。這種系統(tǒng)雖然成熟可靠，但機(jī)械部件限制了工作溫度上限，高溫環(huán)境下潤滑劑失效和材料疲勞問題難以克服。熱聲熱泵則利用聲波與熱量的相互作用來傳遞能量，完全沒有運(yùn)動(dòng)部件。

熱聲效應(yīng)的基本原理是，當(dāng)聲波在充滿氣體的管道中傳播時(shí)，會(huì)引起氣體分子的周期性壓縮和膨脹。在適當(dāng)設(shè)計(jì)的諧振腔內(nèi)，這些壓縮和膨脹會(huì)伴隨溫度變化，形成"熱聲堆"效應(yīng)。通過精心布置的多孔材料堆棧，可以將熱量從低溫端泵送到高溫端。這個(gè)過程本質(zhì)上是利用聲能驅(qū)動(dòng)熱量逆著溫度梯度流動(dòng)，類似于傳統(tǒng)熱泵用機(jī)械功驅(qū)動(dòng)熱量從冷端到熱端。

熱聲技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于簡(jiǎn)單性和可靠性。沒有運(yùn)動(dòng)部件意味著磨損和故障點(diǎn)大幅減少，維護(hù)需求降低。更重要的是，系統(tǒng)可以使用惰性氣體作為工質(zhì)，避免了傳統(tǒng)制冷劑的環(huán)境問題。高溫材料的發(fā)展使得諧振腔和熱交換器能夠承受極端溫度，突破了機(jī)械壓縮系統(tǒng)的溫度限制。研究團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)中采用了斯特林循環(huán)的熱聲學(xué)實(shí)現(xiàn)方式，這種循環(huán)理論上可以達(dá)到接近卡諾效率的性能。

實(shí)驗(yàn)原型機(jī)的成功驗(yàn)證了概念可行性。以145攝氏度的熱源驅(qū)動(dòng)輸出270攝氏度熱能，溫升達(dá)到125攝氏度，這在熱泵領(lǐng)域是顯著的成就。更關(guān)鍵的是，這個(gè)溫度級(jí)別已經(jīng)可以滿足不少工業(yè)流程的需求。研究團(tuán)隊(duì)指出，通過級(jí)聯(lián)配置多個(gè)熱聲熱泵，或者優(yōu)化諧振腔幾何結(jié)構(gòu)和工質(zhì)選擇，輸出溫度可以進(jìn)一步提升。

通往超高溫的技術(shù)路線

超高溫?zé)岜?/p>

羅爾倉團(tuán)隊(duì)設(shè)定的長期目標(biāo)極具雄心：到2040年實(shí)現(xiàn)1300攝氏度的輸出溫度。這個(gè)目標(biāo)如果實(shí)現(xiàn)，將徹底改變高溫工業(yè)的能源格局。鋼鐵冶煉、玻璃熔化、水泥煅燒等流程都需要這個(gè)溫度范圍的熱能，目前完全依賴化石燃料燃燒。如果能用太陽能熱收集器、核反應(yīng)堆余熱或工業(yè)廢熱驅(qū)動(dòng)熱聲熱泵產(chǎn)生千度級(jí)高溫，這些行業(yè)的碳排放可以大幅削減。

實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)需要多方面的技術(shù)突破。首先是材料挑戰(zhàn)，1300攝氏度環(huán)境下，普通金屬會(huì)熔化或嚴(yán)重氧化，需要采用陶瓷基復(fù)合材料或難熔金屬合金。這些材料不僅要耐高溫，還要具有良好的熱傳導(dǎo)性能和機(jī)械強(qiáng)度。其次是系統(tǒng)效率問題，熱聲轉(zhuǎn)換過程存在各種不可逆損失，包括粘性耗散、熱傳導(dǎo)損失和聲波輻射。提高效率需要精密的聲學(xué)設(shè)計(jì)和優(yōu)化的熱交換結(jié)構(gòu)。

工質(zhì)選擇也是關(guān)鍵因素。常溫下使用空氣或氦氣作為工質(zhì)，但在極高溫度下需要考慮氣體的熱穩(wěn)定性和化學(xué)惰性。氦氣雖然性能優(yōu)異但成本較高，可能需要探索其他惰性氣體或混合氣體。熱源溫度與輸出溫度之間的匹配也影響系統(tǒng)整體效率，需要根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)。

太陽能熱利用可能是該技術(shù)最有前景的應(yīng)用方向之一。聚光太陽能系統(tǒng)可以將陽光聚焦到很小的面積上，產(chǎn)生數(shù)百甚至上千攝氏度的高溫。但這些熱能的利用效率一直受限，直接發(fā)電的效率不高，儲(chǔ)熱系統(tǒng)成本昂貴。如果能用聚光太陽能驅(qū)動(dòng)熱聲熱泵，將溫度進(jìn)一步提升并輸出穩(wěn)定的工業(yè)用熱，將大幅提高太陽能的價(jià)值。這種方案特別適合日照充足的地區(qū)建設(shè)零碳工業(yè)園區(qū)。

核能余熱回收是另一個(gè)潛在應(yīng)用。核反應(yīng)堆產(chǎn)生大量熱能,目前主要用于發(fā)電,但熱效率只有30%到40%,大量余熱通過冷卻系統(tǒng)排放。如果能將這些200到300攝氏度的余熱升級(jí)到工業(yè)可用溫度,既提高了核能利用效率,又為周邊工業(yè)提供清潔熱源。這種核能-工業(yè)共生模式在一些國家已有探索,熱聲熱泵可能提供更高效的技術(shù)路徑。

當(dāng)然,從實(shí)驗(yàn)室原型到工業(yè)化應(yīng)用還有漫長的路要走。技術(shù)成熟度、經(jīng)濟(jì)可行性、工程放大等問題都需要時(shí)間解決。羅爾倉團(tuán)隊(duì)將2040年設(shè)為目標(biāo)年份,意味著還有約15年的研發(fā)周期。這個(gè)時(shí)間框架與中國雙碳目標(biāo)基本契合,2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰,2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和,工業(yè)脫碳是其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

國際能源署強(qiáng)調(diào),工業(yè)部門占全球溫室氣體排放的約四分之一,其脫碳進(jìn)展對(duì)實(shí)現(xiàn)全球氣候目標(biāo)至關(guān)重要。但工業(yè)脫碳面臨技術(shù)和經(jīng)濟(jì)雙重挑戰(zhàn),許多高溫流程缺乏可行的替代方案。熱聲熱泵這類突破性技術(shù)如果能夠成功商業(yè)化,將為全球工業(yè)轉(zhuǎn)型提供重要工具。

研究成果已在《自然·能源》《應(yīng)用物理快報(bào)》和《能源》等權(quán)威期刊發(fā)表,顯示了學(xué)術(shù)界對(duì)該技術(shù)的認(rèn)可。接下來的工作可能包括建造更大規(guī)模的示范裝置,在實(shí)際工業(yè)環(huán)境中驗(yàn)證性能,以及降低成本以提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。中國在工業(yè)規(guī)模和制造能力上的優(yōu)勢(shì),可能為該技術(shù)的推廣創(chuàng)造有利條件。如果進(jìn)展順利,這種基于聲波的供熱方式可能成為未來工業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)配置,為清潔能源時(shí)代的到來鋪平道路。