Демонстрация нагрева и охлаждения, управляемых давлением, с использованием теплообменника, покрытого МОС

Преобразование давления в тепло и холод

Обеспечивать комфорт в зданиях, не нагревая при этом планету, становится всё более сложной задачей. Многие распространённые тепловые насосы по‑прежнему работают при высоких давлениях и с хладоносителями, вредящими климату. В этом исследовании рассматривается другой подход: использование безвредного углекислого газа (CO₂) и губкообразного материала для создания нагрева и охлаждения простым изменением давления, а не за счёт кипения и конденсации рабочего тела. Работа показывает в лаборатории, что эта идея не только теоретическая — она может быстро нагревать или охлаждать проточную воду на несколько градусов при относительно умеренных давлениях.

Новый способ переноса тепла

Обычные CO₂‑тепловые насосы обычно работают при очень высоких давлениях и в сверхкритическом состоянии, что делает оборудование более толстым, тяжёлым и сложным. Исследователи вместо этого испытывают концепцию гибридной компрессионно‑адсорбционной системы. В её основе — специальный теплообменник: металлическая трубка с пластинами, покрытая пористым материалом, известным как металло‑органическая каркасная структура, или МОС. Эта МОС (MIL‑101(Cr)) действует как нано‑губка, способная удерживать большие количества CO₂ на внутренних поверхностях. Когда CO₂ адсорбируется на МОС при повышенном давлении, выделяется тепло; при понижении давления и десорбции CO₂ материал поглощает тепло. Если в трубке при этом течёт вода, она может нагреваться или охлаждаться, не смешиваясь с газом.

Как работает испытательная система

Команда собрала пакетную установку: покрытый МОС теплообменник размещён в герметичном сосуде под давлением, соединённом с компрессором и отдельным газовым баллоном. Быстро повышая давление CO₂ с 0,8 до 3,0 мегапаскаля, они вталкивают газ в МОС, который нагревается и затем передаёт тепло проточной воде в трубке. Снижение давления заставляет CO₂ покинуть МОС, что охлаждает его и понижает температуру воды. При типичных условиях испытаний — вода комнатной температуры при умеренном расходе — система меняла температуру на выходе примерно на ±9 кельвинов (приблизительно ±9 °C), и почти вся адсорбция или десорбция CO₂ происходила в течение двух минут. В каждом цикле переносилось около 20 килоджоулей тепла, при этом около 81% этой энергии эффективно передавалось в воду.

Что определяет эффективность

Чтобы понять, как извлечь максимум из этого подхода, исследователи варьировали несколько рабочих параметров. Размер перепада давления оказался главным фактором, определяющим общий объём нагрева и охлаждения: большие перепады и более низкие абсолютные давления приводили к большему перемещению CO₂ в и из МОС и, следовательно, к более сильным тепловым эффектам. Скорость нарастания или падения давления в основном меняла форму температурного пика, но не суммарную энергию, переносимую за цикл. Аналогично, температура входящей воды оказывала лишь небольшое влияние, что подтверждает: ключевой источник тепла — адсорбция и десорбция CO₂ на МОС, а не простое нагревание или охлаждение самого газа. В отличие от этого, расход воды сильно влиял на мощность: более быстрый поток не сильно менял пиковую температуру воды, но сокращал время цикла и увеличивал среднюю мощность нагрева и охлаждения.

Заглядывая внутрь теплообменника

Поскольку слой МОС и вода одновременно меняют температуру со временем, стандартные стационарные формулы для теплообменников недостаточны для предсказания поведения. Авторы поэтому создали подробную компьютерную модель, которая симулирует перенос массы, импульса и энергии в слое МОС, металлической трубке и воде. Они откалибровали модель на известных свойствах CO₂ в MIL‑101(Cr) и сопоставили её предсказания с экспериментальными данными. Сопряжение было хорошим: симуляции воспроизводили эволюцию температур МОС и воды вдоль трубки и влияние разных расходных скоростей воды на мощность нагрева. Это даёт уверенность в том, что модель можно использовать для проектирования и оптимизации будущих устройств без необходимости собирать и испытывать каждую конфигурацию.

Почему это важно для будущих тепловых насосов

Эксперименты и моделирование вместе показывают, что адсорбция CO₂, управляемая давлением, надёжно обеспечивает полезный нагрев и охлаждение при давлениях ниже критической точки CO₂, избегая некоторых проблем безопасности и проектирования современных систем с высокими давлениями. Прототип работает в пакетном режиме, а не непрерывно, но он демонстрирует физические основы и выявляет практические ограничения, особенно необходимость улучшения теплообмена на стороне воды. С лучшими конструкциями теплообменников, последовательной работой нескольких слоёв и интеграцией с тепловыми накопителями эта концепция может привести к новым классам тепловых насосов, использующих климатически безопасный CO₂ и современные пористые материалы для более безопасного и эффективного обогрева и охлаждения домов и зданий.

Цитирование: Hu, MH., Boccamazzo, F., Shamim, J.A. et al. Demonstrating pressure-driven heating and cooling using a MOF-coated heat exchanger. npj Therm. Sci. Eng. 1, 7 (2026). https://doi.org/10.1038/s44435-026-00006-5

Ключевые слова: тепловой насос на углекислом газе, адсорбционное охлаждение, металло‑органическая каркасная структура, низкодавление холодильная техника, устойчивая ОВК