Egy hatékonyabb, energiatakarékosabb, környezetbarátabb és hordozható hűtési módszer az emberi lankadatlan kutatás iránya. Nemrég a Science folyóiratban megjelent online cikk beszámolt egy új rugalmas hűtési stratégiáról, amelyet kínai és amerikai tudósok közös kutatócsoportja fedezett fel – a „torziós hőhűtésről”. A kutatócsoport megállapította, hogy a szálak belsejében lévő csavarodás megváltoztatásával hűtést lehet elérni. A nagyobb hűtési hatásfok, a kisebb méret, valamint a különféle hétköznapi anyagokra való alkalmazhatóság miatt ígéretessé vált az ezen a technológián alapuló „csavart hőhűtő” is.
Ez az eredmény Liu Zunfeng professzor csapatának, az Állami Orvosi Kémiai Biológia Állami Kulcslaboratóriumának, a Gyógyszerészeti Iskolának és a Nankai Egyetem Oktatási Minisztériumának Funkcionális polimerek Kulcslaboratóriumának, valamint Ray H. Baugman csapatának a közös kutatásának köszönhető. , a Texas Állami Egyetem dallasi fiókjának professzora és Yang Shixian, a Nankai Egyetem docense.
Csak csökkentse a hőmérsékletet, és csavarja meg
A Nemzetközi Hűtéstechnikai Kutatóintézet adatai szerint a klímaberendezések és hűtőszekrények villamosenergia-fogyasztása a világon jelenleg a globális villamosenergia-fogyasztás mintegy 20%-át teszi ki. A manapság elterjedt kompressziós hűtési elv Carnot hatásfoka általában 60% alatti, és a hagyományos hűtési eljárások során felszabaduló gázok súlyosbítják a globális felmelegedést. A hűtés iránti emberi igények növekedésével sürgető feladattá vált az új hűtési elméletek és megoldások feltárása a hűtés hatékonyságának további javítására, a költségek csökkentésére és a hűtőberendezések méretének csökkentésére.
A természetes gumi hőt termel a nyújtás során, de a hőmérséklet a visszahúzás után csökken. Ezt a jelenséget „elasztikus hőhűtésnek” nevezik, amelyet már a 19. század elején fedeztek fel. A jó hűtőhatás eléréséhez azonban a gumit saját hosszának 6-7-szeresére kell előfeszíteni, majd vissza kell húzni. Ez azt jelenti, hogy a hűtés nagy térfogatot igényel. Ráadásul a „termikus hűtés” jelenlegi Carnot-hatékonysága viszonylag alacsony, általában csak körülbelül 32%.
A „torziós hűtés” technológiával a kutatók kétszer megnyújtották a szálas gumi elasztomert (100%-os feszültség), majd mindkét végét rögzítették, és az egyik végéről megcsavarták, így Superhelix szerkezetet alkottak. Ezt követően gyors kicsavarodás következett be, és a gumiszálak hőmérséklete 15,5 Celsius-fokkal csökkent.
Ez az eredmény magasabb, mint az „elasztikus termikus hűtés” technológiájának köszönhetően: a 7-szer hosszabbra feszített gumi összehúzódik, és 12,2 Celsius-fokra hűl le. Ha azonban a gumit megcsavarják és kinyújtják, majd egyidejűleg elengedik, a „torziós termikus hűtés” 16,4 Celsius-fokra hűlhet le. Liu Zunfeng elmondta, hogy ugyanazon hűtőhatás mellett a „torziós hőhűtés” gumi térfogata csak kétharmada a „rugalmas termikus hűtés” gumi térfogatának, és Carnot-hatásfoka elérheti a 67%-ot, ami messze meghaladja a levegő elvét. kompressziós hűtés.
Horgászzsinór és textil zsinór is hűthető
A kutatók bevezették, hogy a gumin, mint „torziós hőhűtő” anyagon még mindig van mit javítani. Például a gumi puha szerkezetű, és sok csavarást igényel a jelentős hűtés eléréséhez. Hőátadási sebessége lassú, és olyan kérdéseket kell figyelembe venni, mint az ismételt használat és az anyag tartóssága. Ezért más „torziós hűtési” anyagok feltárása fontos áttörési irány lett a kutatócsoport számára.
Érdekes módon azt tapasztaltuk, hogy a „torziós hőhűtés” séma horgász- és textilzsinórok esetében is alkalmazható. Korábban az emberek nem vették észre, hogy ezek a közönséges anyagok hűtésre is használhatók – mondta Liu Zunfeng.
A kutatók először megcsavarták ezeket a merev polimer szálakat, és spirális szerkezetet alakítottak ki. A hélix nyújtása növelheti a hőmérsékletet, de a hélix visszahúzása után a hőmérséklet csökken.
A kísérlet során kiderült, hogy a „torziós hőhűtés” technológiát alkalmazva a polietilén fonott huzal 5,1 Celsius-fokos hőmérséklet-csökkenést tud produkálni, miközben az anyagot közvetlenül megnyújtják és elengedik, szinte hőmérsékletváltozás nélkül. Az ilyen típusú polietilén szálak „torziós hőhűtésének” elve az, hogy a nyújtásos összehúzódási folyamat során a hélix belső csavarodása csökken, ami energiaváltozásokhoz vezet. Liu Zunfeng elmondta, hogy ezek a viszonylag kemény anyagok tartósabbak, mint a gumiszálak, és a hűtési sebességük még nagyon rövidre feszítve is meghaladja a gumiét.
A kutatók azt is megállapították, hogy a „torziós hőhűtés” technológia alkalmazása nagyobb szilárdságú és gyorsabb hőátadású nikkel-titán alakú memóriaötvözetek esetén jobb hűtési teljesítményt eredményez, és csak kisebb csavarás szükséges a nagyobb hűtőhatás eléréséhez.
Például négy nikkel-titán ötvözet huzal összecsavarásával a kicsavarás utáni maximális hőmérséklet-esés elérheti a 20,8 Celsius-fokot, és az általános átlaghőmérséklet-esés is elérheti a 18,2 Celsius-fokot. Ez valamivel magasabb, mint a „termikus hűtés” technológiával elért 17,0 Celsius fokos hűtés. Egy hűtési ciklus csak körülbelül 30 másodpercet vesz igénybe – mondta Liu Zunfeng.
Az új technológia a jövőben alkalmazható lesz a hűtőszekrényekben
A „torziós hőhűtés” technológiája alapján a kutatók olyan hűtőmodellt készítettek, amely képes lehűteni az áramló vizet. Hűtőanyagként három nikkel-titánötvözet huzalt használtak, amelyek 0,87 fordulat/centiméter fordulatszámmal 7,7 Celsius fokos hűtést értek el.
Ez a felfedezés még hosszú utat kell megtennie a „csavart hőhűtésű hűtőszekrények” kereskedelmi forgalomba hozataláig, amely lehetőségeket és kihívásokat is rejt magában” – mondta Ray Bowman. Liu Zunfeng úgy véli, hogy a tanulmányban felfedezett új hűtési technológia új ágazatot bővített ki a hűtés területén. Új módot kínál az energiafogyasztás csökkentésére a hűtési területen.
A „torziós hőhűtés” másik speciális jelensége, hogy a szál különböző részei eltérő hőmérsékletet mutatnak, amit a szál szálhosszirány szerinti csavarása során keletkező hélix periodikus eloszlása okoz. A kutatók a nikkel-titán ötvözet huzal felületét Thermochromism bevonattal vonták be, hogy „torziós hűtés” színváltó szálat készítsenek. A csavarás és a kicsavarás során a szál visszafordítható színváltozásokon megy keresztül. Új típusú érzékelőelemként használható a szálcsavarodás távoli optikai mérésére. Például a színváltozások szabad szemmel történő megfigyelésével megtudhatjuk, hány fordulatot tett meg az anyag a távolban, ami egy nagyon egyszerű érzékelő. „Liu Zunfeng azt mondta, hogy a „torziós hőhűtés” elve alapján egyes szálak intelligens színváltó szövetekhez is használhatók.
Feladás időpontja: 2023.07.13