剛剛,一項困擾全球能源界數十年的魔咒被徹底打破——利用看不見摸不著的“聲波”,中國科學家成功將低品位的熱能“泵”到了驚人的270℃,一舉攻克了工業供熱領域的“珠穆朗瑪峰”!
這不僅是數字的飛躍,更是底層邏輯的重構。近日,中國科學院理化技術研究所羅二倉團隊在《自然-能源》、《應用物理快報》和《能源》等國際頂刊上,密集發布了這一改變游戲規則的成果:他們成功研制出全球首臺泵熱溫度超過200℃的電驅動熱泵,以及無運動部件、溫升驚人的熱驅動熱泵。在全球競相尋找替代化石燃料供熱方案的今天,中國科學家用一種極其優雅的方式,給出了“滿分答卷”。
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要在冬天把房間弄暖和,我們有空調(熱泵)。但在工業界,事情沒那么簡單。
造紙、印染、化工、冶金……這些工業巨獸每天都要吞噬海量的熱能。據統計,工業供熱占了中國熱能消耗的40%。然而,目前絕大多數工廠還在簡單粗暴地“燒開水”——燃燒煤炭或天然氣。
為什么不用熱泵?因為傳統的蒸汽壓縮式熱泵(就是你家空調那套原理)太“嬌氣”了。
一旦工作溫度超過160℃,普通的潤滑油會碳化,壓縮機會過熱“罷工”,連常用的制冷劑都會變成環境毒藥。所以在200℃以上的溫區,熱泵技術幾乎是一片荒漠。科學家們眼睜睜看著大量的工業余熱白白飄散,卻無計可施。
直到羅二倉團隊換了個思路:既然機械活塞怕熱,那我們就用“聲音”來干活。
這聽起來像魔法,但原理并不復雜:聲音本質上是空氣的振動,有壓縮也有膨脹。有壓縮,就有熱。
羅二倉團隊祭出的“大殺器”,叫熱聲斯特林技術
他們并不想制造噪音,而是利用高強度的聲波在封閉管道內傳遞能量。這里沒有復雜的機械連桿,工質也不再是破壞臭氧層的氟利昂,而是氦氣、氮氣這些在大自然中隨處可見的“老實人”。
但光有熱聲技術還不夠,因為想要突破200℃的物理極限,還有一個致命BUG:壓縮機依然怕熱。
在傳統設計中,產生壓力波的組件(壓縮機)通常和高溫區挨得很近。一旦溫度飆升,壓縮機內部的材料就會失效。這就好比你想從火山口取暖,但你的鏟子還沒伸過去就先化了。
怎么破?團隊在電驅動雙作用自由活塞熱泵中,玩了一手漂亮的“移形換影”。
他們創新性地提出了一種“聲場調相機制”。
請注意,這是整套系統的靈魂所在。簡單來說,科學家們通過精密的聲學設計,強行扭轉了系統內部聲波的“相位”。這一扭,奇跡發生了:系統內的能量傳輸方向被巧妙地“調包”了。
原本應該承受高溫的壓縮機,被“騙”到了低溫區舒服地待著;而原本的低溫部件,則搖身一變承擔起了高溫供熱的任務。
這就是一場工程學上的“太極”,借力打力,四兩撥千斤。
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結果是震撼的:這臺原型機在溫差74℃的情況下,依然保持了1.68的性能系數(COP)。如果不考慮溫差,它最高能輸出214℃的高溫。
這是國際上首次有熱泵能“活著”闖入200℃以上的禁區。
如果你覺得電驅動還不夠科幻,那另一臺完全無運動部件的熱聲熱泵,絕對能刷新你的認知。
這臺機器里,連一個活塞都沒有。它就像一個靜靜躺著的幽靈,不需要插電。
它“吃”進去的是工廠里原本要扔掉的140℃~300℃的中低品位廢熱,在管子里轉了一圈,利用熱能驅動聲波,再用聲波泵送熱量,最后“吐”出來的,是270℃以上的高品質高溫熱源。
這是什么概念?
這意味著陶瓷廠、冶金廠那些原本被視為“垃圾”的廢氣廢熱,現在可以被原地回收,升溫增壓,再次通過管道送回爐膛。
這不叫變廢為寶,這叫“吃干抹凈”。
很多人可能還沒意識到這項技術的破壞力。
目前的270℃只是一個開始。由于使用的是惰性氣體,不受高溫分解限制,羅二倉團隊已經把目光投向了更遠的未來:500℃,800℃,甚至1300℃。
想象一下,未來的化工廠里不再有黑煙滾滾的鍋爐,取而代之的是一排排安靜的管道,利用核能或太陽能的熱量,通過這些“聲波搬運工”,源源不斷地為重工業提供幾百甚至上千度的高溫。
正如國際能源署(IEA)所言,中國的選擇將深刻影響全球趨勢。而在高溫工業熱泵這條賽道上,中國科學家剛剛按下了“加速鍵”。
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參考文獻:
- Emerging opportunities for high-temperature solid-state and gas-cycle heat pumps.Nature Energy(2025). https://doi.org/10.1038/s41560-025-01908-4
- A ultra-high-temperature free-piston thermoacoustic Stirling heat pump capable of achieving above 200°C.Appl. Phys. Lett.(2025). https://doi.org/10.1063/5.0292379
- A heat-driven thermoacoustic heat pump supplying heat up to 270°C.Energy(2025). https://doi.org/10.1016/j.energy.2025.138325
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