제퍼넷 로고

새로운 형태의 냉장고를 만드는 이온칼로리 냉각

시간

이 콜라주는 연구자들이 지구 온난화에 기여하는 냉매를 단계적으로 제거하는 데 도움이 되기를 바라는 새로 개발된 냉동 사이클인 이온칼로리 냉각과 관련된 요소를 묘사합니다.
이온 열량 냉각은 지구 온난화에 기여하는 냉매를 단계적으로 제거하는 데 도움이 될 수 있습니다. (제공: Jenny Nuss/Berkeley Lab)

"이온 열량 냉각"이라고 불리는 새로운 냉각 방법은 언젠가는 증기 압축을 기반으로 하는 기존 시스템을 대체하여 지구 대기에 해를 끼치고 기후 변화에 기여하는 가스의 필요성을 줄일 수 있습니다. 미국 로렌스 버클리 국립 연구소(LBNL)의 연구원들이 개발한 이 방법은 고체에서 액체로 또는 그 반대로 물질이 상을 바꿀 때 에너지가 저장되거나 방출되는 방식을 이용합니다.

기존의 냉장고와 에어컨은 지구 온난화 지수(GWP)가 이산화탄소보다 2000배 더 큰 매우 강력한 온실 가스인 휘발성 수소불화탄소를 사용하도록 설계되었습니다. 그러한 시스템에서, 냉매는 액체에서 기체로 그리고 다시 액체로 상 변화를 겪는 폐쇄 루프 주위로 펌핑됩니다. 가스로의 전환에는 팽창이 포함되며 냉매가 "차가운" 주변 환경을 냉각하여 획득하는 에너지가 필요합니다. 그런 다음 유체가 다시 액체로 응축될 때 "뜨거운" 쪽에서 열이 방출됩니다.

이 표준 주기는 열의 흡수 및 방출과 관련된 상전이를 유사하게 겪는 다른 물질에도 적용될 수 있습니다. 이러한 대체 물질에는 적용된 전기장 또는 자기장이 있을 때 두 개의 고체상 사이를 전환하는 전기열량 및 자기열량 물질이 포함됩니다. 단점은 전기열량 및 자기열량 냉매의 가열 및 냉각 능력이 상대적으로 약하여 광범위한 실용화에 비효율적인 냉각 주기를 초래한다는 것입니다.

세 번째 가능성은 압축 및 팽창하는 물질이 액체나 기체가 아닌 고체일 때 발생하는 바로칼로릭 효과를 사용하는 것입니다. 그러나 대부분의 바로칼로릭 재료의 경우 이 효과는 주변 온도와 압력에서 매우 작습니다.

완전히 새로운 칼로리 효과

가 발명한 신기술 드류 릴리라비 프라셔 LBNL에서는 완전히 다른 칼로리 효과를 사용합니다. 그것은 차갑고 얼음이 많은 도로에 소금을 첨가하면 얼음이 진창으로 변하는 것과 같은 방식으로 고체에 소금을 첨가하여 고체가 액체가 되고 싶어하게 만드는 방식으로 작동합니다.

"액체가 되려면 고체가 녹아야 합니다. 즉, 에너지를 흡수해야 합니다."라고 Lilley는 설명합니다. “고체가 주변에서 에너지를 흡수하지 못하게 막으면 자체에서 에너지를 '훔쳐' 전체 재료를 식힙니다(위 이미지의 1~2단계 참조). 일단 냉각되면 고체는 계속 녹을 수 있지만 더 낮은 온도에서 주변 에너지를 흡수합니다. 이것은 냉장으로 이어집니다(다이어그램의 2~3단계).”

Lilley는 계속해서 이 "이온열량" 주기에서 위상 및 온도 변화에 대한 메커니즘은 전류가 시스템에 적용될 때 전하를 띤 원자 또는 분자(이온)의 흐름이라고 설명합니다. 나중에 이온이 용해된 염을 포함하는 액체에서 제거되면(다이어그램의 3-4단계) 역효과가 발생합니다. 즉, 물질이 더 이상 액체가 되기를 “원하지” 않아 고체가 됩니다. 그러기 위해서는 결정화해 에너지를 방출해야 하는데, 주변과 에너지 교환을 방해하면 오히려 스스로 에너지를 방출해 뜨거워진다. 일단 가열되면 결정화를 통해 계속해서 에너지를 방출하고 이 열을 환경에 내보냅니다.

이 용매-염 혼합 공정의 냉각 기능을 테스트하기 위해 고안된 일련의 실험에서 Lilley와 Prasher는 28V 미만의 인가 전류를 사용하여 온도가 최대 1°C까지 감소한다는 것을 발견했습니다. 그들은 또한 엔트로피(냉각 원리의 효율성을 추정하는 데 사용되는 물리적 실체)의 변화가 500JK에 달하는 것을 관찰했습니다.-1 kg-1. 이것은 자기열량 및 전기열량 재료에서 관찰되는 변화보다 크며 최고의 기압열량 재료(네오펜틸글리콜의 플라스틱 결정)와 유사합니다. 또한 오늘날의 냉매와 잘 비교됩니다.

느리고 짜릿한 주기

연구원들이 사용한 소금은 요오드와 나트륨으로 만들어졌으며 리튬 이온 배터리 전해질의 일반적인 첨가제인 일반적인 유기 용매인 에틸렌 카보네이트와 혼합되었습니다. 생성된 에틸렌 카보네이트-요오드화 나트륨(EC-NaI) 혼합물은 CO2 음성이고 환경 친화적이며 무해하고 GWP가 없으며 무독성 및 불연성입니다.

"우리 기술은 지속 가능하고 [그리고] 극한의 필드를 사용하지 않습니다. 약 1V만 적용하면 됩니다."라고 Lilley는 말합니다. 물리 세계. 그는 실험에서 프로토타입 시스템의 효율성이 "고체 상태 재료를 사용하는 이전 프로토타입보다 XNUMX~XNUMX배 더 크고" "증기 압축에 필적하는 전력 밀도"를 보인다고 덧붙였습니다.

이온칼로리 냉동의 주요 단점은 느린 속도입니다. Lilley와 Prasher에 따르면 과학, 단일 주기는 XNUMX분에서 몇 시간이 소요될 수 있습니다. 비록 그렇다 하더라도, 엠마누엘 디파이의 연구원 룩셈부르크 과학 기술 연구소 작업에 참여하지 않은 그는 열량 물질 계열의 이 새로운 구성원의 잠재력에 깊은 인상을 받았습니다. "그것은 큰 효율성을 나타내며 환경 친화적일 수 있습니다." 관심 기사. "이것은 냉각의 미래에 대한 진지한 경쟁자입니다."

LBNL 연구원의 다음 단계는 기술을 상업화하기 위해 회사를 시작하는 것입니다. Lilley는 "우리의 접근 방식이 효율성 향상과 냉매의 탈탄소화를 통해 냉동 및 히트 펌핑을 개선하는 데 실질적인 영향을 미치기를 바랍니다."라고 말합니다.

spot_img

최신 인텔리전스

spot_img