Более эффективный, энергосберегающий, экологичный и портативный метод охлаждения — это направление неустанных исследований человечества. Недавно в онлайн-статье в журнале Science сообщалось о новой гибкой стратегии охлаждения, открытой совместной исследовательской группой китайских и американских ученых, — «крутильном тепловом охлаждении». Исследовательская группа обнаружила, что изменение скрутки внутри волокон позволяет добиться охлаждения. Благодаря более высокой эффективности охлаждения, меньшим размерам и применимости к различным обычным материалам, созданный по этой технологии «витой тепловой холодильник» также стал перспективным.
Это достижение стало результатом совместных исследований команды профессора Лю Цзуньфэна из Государственной ключевой лаборатории медицинской химии, биологии Фармацевтического факультета и Ключевой лаборатории функциональных полимеров Министерства образования Нанкайского университета, а также команды Рэя Х. Баугмана. , профессор Техасского государственного университета, Далласский филиал, и Ян Шисянь, доцент Нанкайского университета.
Просто снизь температуру и покрути
По данным Международного научно-исследовательского института холода, потребление электроэнергии кондиционерами и холодильниками в мире в настоящее время составляет около 20% мирового потребления электроэнергии. Широко используемый в настоящее время принцип воздушного компрессионного охлаждения обычно имеет эффективность Карно менее 60%, а газы, выделяющиеся при традиционных процессах охлаждения, усугубляют глобальное потепление. В связи с растущим спросом людей на охлаждение, изучение новых теорий и решений в области охлаждения для дальнейшего повышения эффективности охлаждения, снижения затрат и уменьшения размеров холодильного оборудования стало неотложной задачей.
Натуральный каучук выделяет тепло при растяжении, но после втягивания температура снижается. Это явление называется «эластичным тепловым охлаждением», оно было открыто еще в начале 19 века. Однако для достижения хорошего охлаждающего эффекта резину необходимо предварительно растянуть в 6–7 раз ее собственную длину, а затем втянуть. Это означает, что для охлаждения требуется большой объем. Более того, нынешняя эффективность Карно «термического охлаждения» относительно низка, обычно всего около 32%.
С помощью технологии «крутильного охлаждения» исследователи дважды растянули волокнистый резиновый эластомер (100% растяжение), затем зафиксировали оба конца и скрутили его с одного конца, образовав структуру суперспирали. Впоследствии произошло быстрое раскручивание, и температура резиновых волокон снизилась на 15,5 градусов Цельсия.
Этот результат выше, чем охлаждающий эффект при использовании технологии «эластичного термического охлаждения»: растянутая в 7 раз резина сжимается и охлаждается до 12,2 градуса Цельсия. Однако если резину скрутить и растянуть, а затем одновременно отпустить, «крутильное термическое охлаждение» может остыть до 16,4 градусов Цельсия. Лю Цзуньфэн сказал, что при том же охлаждающем эффекте объем резины «крутильного термического охлаждения» составляет всего две трети от объема резины «эластичного термического охлаждения», а ее эффективность Карно может достигать 67%, что намного превосходит принцип воздушного охлаждения. компрессионное охлаждение.
Леска и текстильная леска также могут охлаждаться.
Исследователи заявили, что еще есть много возможностей для совершенствования резины как материала, обеспечивающего «крутильное тепловое охлаждение». Например, резина имеет мягкую текстуру и требует множества скручиваний для достижения значительного охлаждения. Скорость теплопередачи у него низкая, поэтому необходимо учитывать такие вопросы, как многократное использование и долговечность материала. Поэтому изучение других материалов «торсионного охлаждения» стало важным прорывным направлением для исследовательской группы.
Интересно, что мы обнаружили, что схема «крутильного теплового охлаждения» также применима к рыболовным и текстильным лескам. Раньше люди не осознавали, что эти обычные материалы можно использовать для охлаждения», — сказал Лю Цзуньфэн.
Исследователи сначала скрутили эти жесткие полимерные волокна и сформировали спиральную структуру. Растягивание спирали может повысить температуру, но после втягивания спирали температура снижается.
Эксперимент показал, что при использовании технологии «крутильного теплового охлаждения» полиэтиленовая плетеная проволока может генерировать падение температуры на 5,1 градуса Цельсия, в то время как материал непосредственно растягивается и освобождается практически без изменения температуры. Принцип «крутильного теплового охлаждения» полиэтиленового волокна этого типа заключается в том, что в процессе сжатия при растяжении внутренняя крутка спирали уменьшается, что приводит к изменению энергии. Лю Цзуньфэн сказал, что эти относительно твердые материалы более долговечны, чем резиновые волокна, а скорость охлаждения превышает скорость охлаждения резины даже при очень коротком растяжении.
Исследователи также обнаружили, что применение технологии «крутильного теплового охлаждения» к никель-титановым сплавам с памятью формы, обладающим более высокой прочностью и более быстрой теплопередачей, приводит к лучшим характеристикам охлаждения, а для достижения большего эффекта охлаждения требуется только меньшая крутка.
Например, при скручивании вместе четырех проволок из никель-титанового сплава максимальное падение температуры после раскручивания может достигать 20,8 градуса Цельсия, а общее среднее падение температуры также может достигать 18,2 градуса Цельсия. Это немного выше, чем температура охлаждения в 17,0 градусов по Цельсию, достигнутая с использованием технологии «термического охлаждения». Один цикл охлаждения занимает всего около 30 секунд», — сказал Лю Цзуньфэн.
В будущем новую технологию можно будет использовать в холодильниках
На основе технологии «крутильного теплового охлаждения» исследователи создали модель холодильника, способную охлаждать проточную воду. В качестве охлаждающего материала они использовали три проволоки из никель-титанового сплава, вращающиеся со скоростью 0,87 оборота на сантиметр, чтобы достичь температуры 7,7 градусов Цельсия.
Этому открытию еще предстоит пройти долгий путь до коммерциализации «холодильников с искривленным теплом», со своими возможностями и проблемами», — сказал Рэй Боуман. Лю Цзуньфэн считает, что новая технология охлаждения, обнаруженная в этом исследовании, расширила новый сектор в области холодильного оборудования. Это обеспечит новый способ снижения энергопотребления в области охлаждения.
Еще одним особым явлением в «крутильном тепловом охлаждении» является то, что разные части волокна имеют разные температуры, что вызвано периодическим распределением спирали, образующейся при скручивании волокна в направлении его длины. Исследователи покрыли поверхность проволоки из никель-титанового сплава термохромным покрытием, чтобы получить волокно, меняющее цвет при «крутильном охлаждении». В процессе скручивания и раскручивания волокно претерпевает обратимые изменения цвета. Его можно использовать как новый тип чувствительного элемента для дистанционного оптического измерения скручивания волокна. Например, наблюдая за изменением цвета невооруженным глазом, можно узнать, сколько оборотов совершил материал на расстоянии, что представляет собой очень простой датчик. «Лю Цзуньфэн сказал, что на основе принципа «крутильного теплового охлаждения» некоторые волокна также можно использовать для интеллектуальных тканей, меняющих цвет.
Время публикации: 13 июля 2023 г.