Більш ефективний, енергозберігаючий, екологічно чистий і портативний метод охолодження є напрямком невпинних досліджень людини.Нещодавно в онлайн-статті в журналі Science повідомлялося про нову гнучку стратегію охолодження, відкриту спільною дослідницькою групою китайських і американських вчених – «торсійне теплове охолодження».Дослідницька група виявила, що зміна скручування всередині волокон може досягти охолодження.Завдяки більш високій ефективності охолодження, меншим розмірам і застосовності до різних звичайних матеріалів «холодильник крученого тепла», виготовлений за цією технологією, також став перспективним.
Це досягнення стало результатом спільного дослідження команди професора Лю Цзуньфена з Державної ключової лабораторії медичної хімії, біології, Фармацевтичної школи та Ключової лабораторії функціональних полімерів Міністерства освіти Нанкайського університету, а також команди Рея Х. Баугмана , професор Університету штату Техас, філія в Далласі, і Ян Шисянь, доцент Нанкайського університету.
Просто знизити температуру і закрутити
Згідно з даними Міжнародного науково-дослідного інституту холоду, споживання електроенергії кондиціонерами та холодильниками в світі наразі становить близько 20% світового споживання електроенергії.Широко використовуваний сьогодні принцип охолодження повітряним стисненням зазвичай має ефективність Карно менше 60%, а гази, що виділяються традиційними процесами охолодження, посилюють глобальне потепління.Зі зростанням попиту на охолодження з боку людей дослідження нових теорій охолодження та рішень для подальшого підвищення ефективності охолодження, зниження витрат і зменшення розміру холодильного обладнання стало актуальним завданням.
Натуральний каучук виділяє тепло при розтягуванні, але температура зменшується після втягування.Це явище називається «пружним тепловим охолодженням», яке було відкрито ще на початку 19 століття.Однак для досягнення хорошого ефекту охолодження гуму потрібно попередньо розтягнути в 6-7 разів більше її власної довжини, а потім втягнути.Це означає, що для охолодження потрібен великий обсяг.Крім того, нинішня ефективність Карно «термічного охолодження» відносно низька, зазвичай лише близько 32%.
За допомогою технології «торсійного охолодження» дослідники двічі розтягнули волокнистий гумовий еластомер (деформація 100%), потім зафіксували обидва кінці та скрутили його з одного кінця, щоб утворити структуру Superhelix.Згодом відбулося швидке розкручування, і температура гумових волокон знизилася на 15,5 градусів Цельсія.
Цей результат перевершує ефект охолодження за допомогою технології «пружного термічного охолодження»: гума, яка розтягується в 7 разів довше, стискається й охолоджується до 12,2 градусів за Цельсієм.Однак, якщо гуму скрутити й розтягнути, а потім одночасно відпустити, «торсійне термічне охолодження» може охолонути до 16,4 градусів за Цельсієм.Лю Цзуньфен сказав, що за такого ж ефекту охолодження об’єм гуми «торсійного термічного охолодження» становить лише дві третини об’єму гуми «пружного термічного охолодження», а його ефективність Карно може досягати 67%, що значно перевершує принцип повітряного. компресійне охолодження.
Волосінь і текстильна волосінь також можна охолоджувати
Дослідники зазначили, що є ще багато можливостей для вдосконалення каучуку як матеріалу для «терсійного охолодження».Наприклад, гума має м'яку текстуру і вимагає багато скручувань для досягнення значного охолодження.Швидкість його теплопередачі низька, тому необхідно враховувати такі питання, як багаторазове використання та довговічність матеріалу.Таким чином, дослідження інших матеріалів для «торсійного охолодження» стало важливим проривним напрямком для дослідницької групи.
Цікаво, що ми виявили, що схема «терсійного теплового охолодження» також застосовна до рибальських і текстильних шнурів.Раніше люди не усвідомлювали, що ці звичайні матеріали можна використовувати для охолодження», — сказав Лю Цзуньфен.
Дослідники спочатку скрутили ці жорсткі полімерні волокна та сформували гвинтову структуру.Розтягування спіралі може підвищити температуру, але після втягування спіралі температура знижується.
Експеримент показав, що за допомогою технології «терсійного теплового охолодження» поліетиленовий плетений дріт може генерувати падіння температури на 5,1 градуса Цельсія, тоді як матеріал безпосередньо розтягується та вивільняється, майже не спостерігаючи зміни температури.Принцип «терсійного теплового охолодження» цього типу поліетиленового волокна полягає в тому, що під час процесу скорочення розтягування внутрішня скручуваність спіралі зменшується, що призводить до змін енергії.Лю Цзуньфен сказав, що ці відносно тверді матеріали довговічніші, ніж гумові волокна, і швидкість охолодження перевищує швидкість охолодження гуми, навіть якщо вона дуже коротка.
Дослідники також виявили, що застосування технології «торсійного теплового охолодження» до нікель-титанових сплавів з пам’яттю форми з більш високою міцністю та швидшим теплообміном призводить до кращої продуктивності охолодження, і для досягнення більшого ефекту охолодження потрібно лише менше кручення.
Наприклад, скручуючи разом чотири дроти з нікель-титанового сплаву, максимальне падіння температури після розкручування може досягати 20,8 градусів Цельсія, а загальне середнє падіння температури також може досягати 18,2 градуса Цельсія.Це трохи вище, ніж охолодження 17,0 градусів за Цельсієм, досягнуте за допомогою технології «термічного охолодження».Один цикл охолодження займає лише близько 30 секунд», – сказав Лю Цзуньфен.
Нову технологію в майбутньому можна буде використовувати в холодильниках
На основі технології «торсіонного теплового охолодження» дослідники створили модель холодильника, яка може охолоджувати проточну воду.Вони використовували три дроти з нікель-титанового сплаву як охолоджувальні матеріали, обертаючись на 0,87 обороту на сантиметр, щоб досягти охолодження 7,7 градусів за Цельсієм.
«Цьому відкриттю ще попереду довгий шлях до комерціалізації «холодильників зі скрученим нагріванням», з як можливостями, так і викликами», — сказав Рей Боумен.Лю Цзуньфен вважає, що нова технологія охолодження, відкрита в цьому дослідженні, розширила новий сектор у галузі охолодження.Це забезпечить новий спосіб зменшення споживання енергії в холодильній сфері.
Іншим особливим явищем у «терсійному охолодженні» є те, що різні частини волокна демонструють різні температури, що спричинено періодичним розподілом спіралі, створеної скручуванням волокна вздовж напрямку довжини волокна.Дослідники покрили поверхню дроту з нікель-титанового сплаву покриттям Thermochromism, щоб зробити волокно, що змінює колір із «крутильним охолодженням».Під час процесу скручування та розкручування волокно зазнає оборотних змін кольору.Його можна використовувати як новий тип чутливого елемента для дистанційного оптичного вимірювання скручування волокна.Наприклад, спостерігаючи зміни кольору неозброєним оком, можна дізнатися, скільки обертів зробив матеріал на відстані, що є дуже простим датчиком.«Лю Цзуньфен сказав, що на основі принципу «терсійного теплового охолодження» деякі волокна також можна використовувати для інтелектуальної зміни кольору тканин.
Час публікації: 13 липня 2023 р