近乎零能量损失的热回收!利用铝纤维实现技术创新

来源: iGreen  时间: 2022.08.20  打印本页  分享:
优化热传递技术的关键——铝工厂和家庭使用的热能一定会有损失。那些无法回收的热能暂且不论,(工厂等地)由于成本问题而被废弃的热能,可谓是真正的能量损失。消除这种能量损失是一项技术难题,对于构建可持续

优化热传递技术的关键——铝

工厂和家庭使用的热能一定会有损失。那些无法回收的热能暂且不论,(工厂等地)由于成本问题而被废弃的热能,可谓是真正的“能量损失”。

消除这种“能量损失”是一项技术难题,对于构建可持续社会意义非凡。

对于这一技术难题,三菱材料认为可以利用铝的特性,并结合其专有技术来解决。铝材具有快速冷却的特征,其热传导率是铁的大约3倍,且重量轻。同时,三菱材料拥有生产烧结体的专有技术,即在低于材料粉末熔点的温度环境下对粉末进行加热来制造致密烧结体。将该技术应用于铝,有望同时实现对200℃以下的废热,以及对气化天然气时产生的低温废热进行回收利用。

幸俊彦表示:“为了更好地利用铝的特性,基于测量建立扎实的热传递理论,我们咨询了热能专家榎木副教授。”

榎木光治副教授(左)正在与学生们一起进行热交换器和废热回收等方面的研究。接受了三菱材料的研究委托后,双方于2016年开始联合研究。(文中图片均来自网络)

榎木副教授曾从事液化天然气在零下200℃的冷热回收技术的研发。在提到当时的经验时,他回忆道:“当时开始感觉到社会对提高传热效率的需求有所增长。”

“2016年,我们开始思考有没有什么好的技术。就在这个时候,三菱材料向我咨询,他们表示有制造加工技术,但却不知道如何应用。热交换器需要承受零下200℃的极低温,在这种情况下,不锈钢等合金传热管会发生‘低温脆化’现象,在低温下有可能变脆并破裂。当时三菱材料公司提议采用全铝传热管,不但可以避免破裂,还能实现热回收,由于发现了这条路线,我们的联合研究就这样开始了。”

用于实验的传热管直径约为12mm。“虽然看起来很密实,但实际上有85%的体积是空心的。对着它轻轻吹气,能从对面进直接感觉到气流。”(榎木副教授)

铝纤维的“蓬松感”实现了趋近于零的热阻

经过五年的试错,项目团队开发出一种传热管,管内填充了细小而轻量的纯铝纤维烧结体。它看似平平无奇,却具有无与伦比的热交换性能。

热能损失的原因在于热阻,而这种传热管成功将热阻保持在趋近于零的水平。

“气体的密度是很低的,所以容易出现热传递不良,即当具有热能的气体通过传热管时,热量无法被完全回收就直接被排出去了。但使用本次开发的这种填充了铝纤维烧结体的传热管,可以回收趋近于100%的热量。”(榎木副教授)

管内的铝纤维非常细微,原本我们需要进一步填充纤维才能实现趋近于0%的能量损失。但结果证实三菱材料的专有粘合技术非常优秀。”(榎木副教授)

幸俊彦说明了粘合的秘密。在传热管内测,纤维部分和传热管体在热力层面和物理层面都牢固地粘合在一起。为确认粘合情况,测量了管体和纤维部分的电阻(Ω),结果显示为0Ω。也就是说可以确认热能的传输没有损失。

“在传统方法中,粘合剂和(用于粘合的)钎料会导致热阻。考虑到耐热性和耐久性,我们不得不对传热管内侧进一步加热,对粘合进行加强,在有效提升能效的同时进行粘合是非常困难的。但组合使用本公司专有的烧结技术,可以将纤维部分和管体牢固地粘合在一起,同时这种粘合方法也保证了与热交换器的良好兼容性,最终获得了成功。”(幸俊彦)。

还有一点非常重要,那就是粘合过程维持了金属烧结体的特长,即其“蓬松感”。

“烧结体具有类似棉花的结构,进行拉伸就可以发现管内填充了很多纤维。如果在粘合时拉伸过度,纤维就会由于拉伸过度导致断裂,但如果填充过多,又会失去蓬松感。通过我们的专有技术,可以在保持绝佳的蓬松感(挠性)的前提下实现粘合,达成创新性的热传导效果。”

对此,榎木副教授补充道:“我们在针对这种创新性传热管独有的问题进行研究时发现,多孔体的蓬松感非常关键。”

“传热管内的纤维体在热回收时显示出非常大的温度分布。当发生剧烈的温度变化时,纤维体会进行结构性伸缩,但如果伸缩范围无法承受,纤维体和管体之间的粘合部分就会断裂,无法再进行热交换。要解决这个问题就需要维持纤维的蓬松感,这是非常有难度的。可以说,本次能够实现热回收,都要归功于三菱材料的技术。”

“近来,废热能的利用需求增长,我们也即将进入了解客户需求的阶段。如果能通过本次采访把消息传播出去,同时获得客户需求,也能够激励我们进行研发。”(幸俊彦)

高性能引发的烦恼以及能源利用的希望

榎木副教授将该热交换技术评价为“热回收领域的全球性突破”。对该技术的进一步研究将继续进行,但目前还没有实际应用的计划。

至于其原因,幸俊彦表示,“它不是现有技术的替代品,而是一项前所未有的新技术,因此需要先构建具体的应用方法”。

“因为性能过高,如果将它组装到现有的热交换系统当中,很难实现与外围设备的匹配。我们不希望用它取代现有的热交换系统,而是希望收到新的需求,把这项技术组装入未来新开发的设备和系统中去。作为材料制造商,如果能收到‘想利用被排放到海洋的废热能’这样的构思,我们会非常开心。同时,要想实现在新系统上的应用,热能专业知识非常重要,我们希望能与榎木副教授在这方面继续合作。”(幸俊彦)

“它非常轻,婴儿都可以拿得动,所以比如可以将这种传热管组装到无人机上,在飞行过程中进行某种形式的能量交换,来增加无人机的续航距离。”(榎木副教授)

榎木副教授认为,该传热管未来应用的关键在于轻量。

“比如很久以前就开始普遍使用的管式热交换器(即管壳式热交换器,在粗圆筒内排列大量细管构成,是最标准的热交换器形式,也是工业热交换器中使用最多的热交换器,广泛应用于建筑和酒店空调等领域),这种传统的热交换器细管内是空气,细管外的粗圆筒内则是水流,圆筒内直径约为110mm,细管直径为6mm,将170根细管并列排列,可以实现100W的热交换能力,热交换器由不锈钢制成。

为了对这种热交换器进行试验性改良,我们将空气流经的细管改为用新的多孔体填充,外部的粗圆筒也改为全铝材料,在这种情况下,我们成功将细管的数量减少到13根,在相同的实验条件下,回收了1600W空气所携带的热能。”

与传统的不锈钢制热交换器相比,该热交换器的体积减少到十六分之一,而传热量却增加了16倍;同时还将热交换器的总重量从200kg减轻到五十分之一,即4kg。

“通过试验,我们认为热交换器的性能提升和重量大幅减轻将为运输和安装提供便利,比如在出口时能为产品提供附加价值,还能节省资源。”

用于对填充铝纤维烧结体的传热管进行性能测试的实验设备。示范试验中分别将传热管温度提升至100℃、200℃和300℃,并使热风通过传热管,在设备设定的温度(试验中为5℃)下排出。成功实现了热回收。

“目前我们已经使用这种传热管实证了200摄氏度以内的热交换。理论上这项技术可以覆盖高达400℃的温度,但我们尝试在400℃进行实验时,超过了实验设备的极限……在不混合气体和液体的单相状态下,我认为这项技术的热传递可能是世界第一。它为热能利用提供了一个新的选项,而且它还会不断进步,从这个意义上来说,真的是革命性技术。”(榎木副教授)

铝纤维烧结体不是“传统设备的替代品”,而是“使以前不可能的成为可能”,其未来非常令人期待。这项全新的技术,有望使人类向实现碳中和,构建可持续发展社会迈出一大步。

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