中国科学院物理化学技术研究所的科研团队开发出一种无运动部件的超高温热泵，能够利用相对低温的热源产生远超传统热泵极限的高温输出。
在实验室测试中，这种基于热声学原理的装置以145摄氏度的热源驱动，成功输出270摄氏度的热能，突破了困扰工业热泵技术多年的200摄氏度瓶颈。研究团队负责人罗尔仓博士表示，随着材料和系统设计的进步，到2040年该技术有望实现1300摄氏度的零碳热能输出，这将为陶瓷、冶金和石化等高耗能行业的脱碳提供关键技术路径。
工业供热占据中国总能源消耗的近40%，而中国又是全球最大的工业生产国，其技术选择对全球减排目标具有决定性影响。国际能源署数据显示，工业部门的脱碳进展远落后于电力和交通领域，主要原因是许多工业流程需要极高温度，而这些热能传统上只能通过燃烧化石燃料获得。造纸、染色和制药等行业需要100到200摄氏度的蒸汽，陶瓷烧制和金属冶炼则要求温度超过1000摄氏度。用电力或可再生能源直接加热到如此高温不仅成本高昂，而且技术上面临诸多挑战。
更严峻的现实是能源浪费问题。中国工业系统以废热形式损失的能量占总能耗的10%到27%，这些热量通常直接排放到大气或冷却水中。如果能够捕获并升级这些废热，将其转化为可用的高品质热能，既能提高能源效率，又能减少对化石燃料的依赖。但传统热泵技术存在根本性限制，目前商业化的吸收式热泵输出温度通常不超过100摄氏度，即使最先进的吸收式热变压器也难以超越200摄氏度，远不能满足高温工业流程的需求。
热声学原理的创新应用
中科院团队开发的热声热泵采用了完全不同的工作机制。传统热泵依靠压缩机等机械部件驱动制冷剂循环，通过相变吸收和释放热量。这种系统虽然成熟可靠，但机械部件限制了工作温度上限，高温环境下润滑剂失效和材料疲劳问题难以克服。热声热泵则利用声波与热量的相互作用来传递能量，完全没有运动部件。
热声效应的基本原理是，当声波在充满气体的管道中传播时，会引起气体分子的周期性压缩和膨胀。在适当设计的谐振腔内，这些压缩和膨胀会伴随温度变化，形成"热声堆"效应。通过精心布置的多孔材料堆栈，可以将热量从低温端泵送到高温端。这个过程本质上是利用声能驱动热量逆着温度梯度流动，类似于传统热泵用机械功驱动热量从冷端到热端。
热声技术的优势在于简单性和可靠性。没有运动部件意味着磨损和故障点大幅减少，维护需求降低。更重要的是，系统可以使用惰性气体作为工质，避免了传统制冷剂的环境问题。高温材料的发展使得谐振腔和热交换器能够承受极端温度，突破了机械压缩系统的温度限制。研究团队在设计中采用了斯特林循环的热声学实现方式，这种循环理论上可以达到接近卡诺效率的性能。
实验原型机的成功验证了概念可行性。以145摄氏度的热源驱动输出270摄氏度热能，温升达到125摄氏度，这在热泵领域是显著的成就。更关键的是，这个温度级别已经可以满足不少工业流程的需求。研究团队指出，通过级联配置多个热声热泵，或者优化谐振腔几何结构和工质选择，输出温度可以进一步提升。
通往超高温的技术路线
超高温热泵
罗尔仓团队设定的长期目标极具雄心：到2040年实现1300摄氏度的输出温度。这个目标如果实现，将彻底改变高温工业的能源格局。钢铁冶炼、玻璃熔化、水泥煅烧等流程都需要这个温度范围的热能，目前完全依赖化石燃料燃烧。如果能用太阳能热收集器、核反应堆余热或工业废热驱动热声热泵产生千度级高温，这些行业的碳排放可以大幅削减。
实现这个目标需要多方面的技术突破。首先是材料挑战，1300摄氏度环境下，普通金属会熔化或严重氧化，需要采用陶瓷基复合材料或难熔金属合金。这些材料不仅要耐高温，还要具有良好的热传导性能和机械强度。其次是系统效率问题，热声转换过程存在各种不可逆损失，包括粘性耗散、热传导损失和声波辐射。提高效率需要精密的声学设计和优化的热交换结构。
工质选择也是关键因素。常温下使用空气或氦气作为工质，但在极高温度下需要考虑气体的热稳定性和化学惰性。氦气虽然性能优异但成本较高，可能需要探索其他惰性气体或混合气体。热源温度与输出温度之间的匹配也影响系统整体效率，需要根据具体应用场景进行定制化设计。
太阳能热利用可能是该技术最有前景的应用方向之一。聚光太阳能系统可以将阳光聚焦到很小的面积上，产生数百甚至上千摄氏度的高温。但这些热能的利用效率一直受限，直接发电的效率不高，储热系统成本昂贵。如果能用聚光太阳能驱动热声热泵，将温度进一步提升并输出稳定的工业用热，将大幅提高太阳能的价值。这种方案特别适合日照充足的地区建设零碳工业园区。
核能余热回收是另一个潜在应用。核反应堆产生大量热能,目前主要用于发电,但热效率只有30%到40%,大量余热通过冷却系统排放。如果能将这些200到300摄氏度的余热升级到工业可用温度,既提高了核能利用效率,又为周边工业提供清洁热源。这种核能-工业共生模式在一些国家已有探索,热声热泵可能提供更高效的技术路径。
当然,从实验室原型到工业化应用还有漫长的路要走。技术成熟度、经济可行性、工程放大等问题都需要时间解决。罗尔仓团队将2040年设为目标年份,意味着还有约15年的研发周期。这个时间框架与中国双碳目标基本契合,2030年前实现碳达峰,2060年前实现碳中和,工业脱碳是其中的关键环节。
国际能源署强调,工业部门占全球温室气体排放的约四分之一,其脱碳进展对实现全球气候目标至关重要。但工业脱碳面临技术和经济双重挑战,许多高温流程缺乏可行的替代方案。热声热泵这类突破性技术如果能够成功商业化,将为全球工业转型提供重要工具。
研究成果已在《自然·能源》《应用物理快报》和《能源》等权威期刊发表,显示了学术界对该技术的认可。接下来的工作可能包括建造更大规模的示范装置,在实际工业环境中验证性能,以及降低成本以提高市场竞争力。中国在工业规模和制造能力上的优势,可能为该技术的推广创造有利条件。如果进展顺利,这种基于声波的供热方式可能成为未来工业的标准配置,为清洁能源时代的到来铺平道路。
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