Bardziej wydajna, energooszczędna, ekologiczna i przenośna metoda chłodzenia to kierunek nieustannych poszukiwań człowieka. Niedawno artykuł internetowy w czasopiśmie Science doniósł o nowej elastycznej strategii chłodzenia odkrytej przez wspólny zespół badawczy złożony z chińskich i amerykańskich naukowców – „chłodzenie za pomocą ciepła skrętnego”. Zespół badawczy odkrył, że zmiana skrętu włókien może spowodować ochłodzenie. Ze względu na wyższą wydajność chłodniczą, mniejsze rozmiary i możliwość zastosowania do różnych zwykłych materiałów, obiecująca stała się również „lodówka typu twisted heat” wykonana w oparciu o tę technologię.
Osiągnięcie to jest efektem wspólnych badań zespołu profesora Liu Zunfenga z Państwowego Kluczowego Laboratorium Biologii Chemii Lekarskiej Szkoły Farmacji i Kluczowego Laboratorium Polimerów Funkcjonalnych Ministerstwa Edukacji Uniwersytetu Nankai oraz zespołu Raya H. Baugmana , profesor Texas State University, Dallas Branch i Yang Shixian, docent Uniwersytetu Nankai.
Wystarczy obniżyć temperaturę i przekręcić
Według danych Międzynarodowego Instytutu Badań nad Chłodnictwem, zużycie energii elektrycznej przez klimatyzatory i lodówki na świecie stanowi obecnie około 20% światowego zużycia energii elektrycznej. Powszechnie stosowana obecnie zasada chłodzenia sprężonego powietrza ma na ogół sprawność Carnota mniejszą niż 60%, a gazy uwalniane w tradycyjnych procesach chłodniczych zaostrzają globalne ocieplenie. Wraz ze wzrostem zapotrzebowania ludzi na urządzenia chłodnicze, pilnym zadaniem stało się badanie nowych teorii i rozwiązań chłodniczych w celu dalszej poprawy wydajności chłodzenia, zmniejszenia kosztów i zmniejszenia rozmiarów urządzeń chłodniczych.
Kauczuk naturalny będzie generował ciepło podczas rozciągania, ale temperatura spadnie po wycofaniu. Zjawisko to nazywane jest „elastycznym chłodzeniem termicznym” i zostało odkryte już na początku XIX wieku. Jednakże, aby uzyskać dobry efekt chłodzenia, gumę należy wstępnie rozciągnąć do 6-7 razy większej długości, a następnie zwinąć. Oznacza to, że chłodzenie wymaga dużej objętości. Co więcej, obecna wydajność Carnota w „chłodzeniu termicznym” jest stosunkowo niska i zwykle wynosi tylko około 32%.
Dzięki technologii „chłodzenia skrętnego” badacze dwukrotnie rozciągnęli włóknisty elastomer gumowy (odkształcenie 100%), następnie unieruchomili oba końce i skręcili z jednego końca, tworząc strukturę Superhelix. Następnie nastąpiło gwałtowne rozkręcenie, a temperatura włókien gumy spadła o 15,5 stopnia Celsjusza.
Wynik ten jest lepszy niż efekt chłodzenia uzyskany przy zastosowaniu technologii „elastycznego chłodzenia termicznego”: guma rozciągnięta 7 razy dłużej kurczy się i schładza do 12,2 stopnia Celsjusza. Jeśli jednak guma zostanie skręcona i rozciągnięta, a następnie jednocześnie zwolniona, „skrętne chłodzenie termiczne” może ostygnąć do 16,4 stopnia Celsjusza. Liu Zunfeng powiedział, że przy tym samym efekcie chłodzenia objętość gumy w „skrętnym chłodzeniu termicznym” wynosi tylko dwie trzecie objętości gumy w „elastycznym chłodzeniu termicznym”, a jej wydajność Carnota może osiągnąć 67%, co znacznie przewyższa zasadę działania powietrza chłodzenie kompresyjne.
Żyłkę wędkarską i żyłkę tekstylną można również chłodzić
Badacze wprowadzili, że nadal jest wiele do zrobienia w przypadku gumy jako materiału chłodzącego na gorąco skrętne. Na przykład guma ma miękką teksturę i wymaga wielu skrętów, aby uzyskać znaczne chłodzenie. Szybkość wymiany ciepła jest niska i należy wziąć pod uwagę takie kwestie, jak wielokrotne użycie i trwałość materiału. Dlatego badanie innych materiałów „chłodzących skrętnie” stało się ważnym przełomowym kierunkiem dla zespołu badawczego.
Co ciekawe, odkryliśmy, że schemat „chłodzenia ciepłem skrętnym” ma również zastosowanie w przypadku żyłek wędkarskich i tekstylnych. Wcześniej ludzie nie zdawali sobie sprawy, że te zwykłe materiały można wykorzystać do chłodzenia” – powiedział Liu Zunfeng.
Naukowcy najpierw skręcili te sztywne włókna polimerowe i utworzyli spiralną strukturę. Rozciągnięcie spirali może podnieść temperaturę, ale po wycofaniu spirali temperatura spada.
Eksperyment wykazał, że stosując technologię „chłodzenia ciepłem skrętnym”, drut z oplotu polietylenowego może wygenerować spadek temperatury o 5,1 stopnia Celsjusza, podczas gdy materiał jest bezpośrednio rozciągany i uwalniany niemal bez zaobserwowania zmiany temperatury. Zasada „skrętnego chłodzenia cieplnego” tego typu włókien polietylenowych polega na tym, że podczas procesu rozciągania i skurczu wewnętrzne skręcenie spirali zmniejsza się, co prowadzi do zmian energii. Liu Zunfeng stwierdził, że te stosunkowo twarde materiały są trwalsze niż włókna gumy, a szybkość chłodzenia jest większa niż w przypadku gumy nawet przy bardzo krótkim rozciągnięciu.
Naukowcy odkryli również, że zastosowanie technologii „chłodzenia ciepłem skrętnym” do stopów niklowo-tytanowych z pamięcią kształtu o wyższej wytrzymałości i szybszym przekazywaniu ciepła skutkuje lepszą wydajnością chłodzenia, a do uzyskania lepszego efektu chłodzenia wymagany jest jedynie mniejszy skręt.
Na przykład, skręcając ze sobą cztery druty ze stopu niklowo-tytanowego, maksymalny spadek temperatury po rozkręceniu może osiągnąć 20,8 stopnia Celsjusza, a ogólny średni spadek temperatury może również osiągnąć 18,2 stopnia Celsjusza. To nieco więcej niż temperatura chłodzenia wynosząca 17,0 stopni Celsjusza uzyskana przy użyciu technologii „chłodzenia termicznego”. Jeden cykl chłodzenia trwa tylko około 30 sekund” – powiedział Liu Zunfeng.
W przyszłości nową technologię będzie można zastosować w lodówkach
W oparciu o technologię „chłodzenia ciepłem skrętnym” badacze stworzyli model lodówki, który może chłodzić przepływającą wodę. Jako materiały chłodzące wykorzystali trzy druty ze stopu niklowo-tytanowego, obracające się z prędkością 0,87 obrotu na centymetr, aby uzyskać chłodzenie na poziomie 7,7 stopnia Celsjusza.
Przed tym odkryciem jeszcze daleka droga, zanim komercjalizacja „lodówek ze skręconym ciepłem” wiąże się zarówno z możliwościami, jak i wyzwaniami” – powiedział Ray Bowman. Liu Zunfeng uważa, że nowa technologia chłodnicza odkryta w tym badaniu poszerzyła nowy sektor w dziedzinie chłodnictwa. Zapewni to nowy sposób na zmniejszenie zużycia energii w chłodnictwie.
Innym szczególnym zjawiskiem w „chłodzeniu ciepłem skrętnym” jest to, że różne części włókna wykazują różne temperatury, co jest spowodowane okresowym rozkładem spirali generowanej przez skręcenie włókna wzdłuż kierunku długości włókna. Naukowcy pokryli powierzchnię drutu ze stopu niklu i tytanu powłoką termochromową, aby uzyskać włókno zmieniające kolor „chłodzące skrętnie”. W procesie skręcania i rozwijania włókno ulega odwracalnym zmianom barwy. Można go zastosować jako nowy typ czujnika do zdalnego optycznego pomiaru skrętu światłowodu. Przykładowo, obserwując zmiany koloru gołym okiem, można dowiedzieć się, ile obrotów materiał wykonał w pewnej odległości, co jest bardzo prostym czujnikiem. „Liu Zunfeng powiedział, że w oparciu o zasadę „skrętnego chłodzenia cieplnego” niektóre włókna można również wykorzystać w inteligentnych tkaninach zmieniających kolor.
Czas publikacji: 13 lipca 2023 r