По-ефективен, енергоспестяващ, екологичен и преносим метод за охлаждане е посоката на непрестанното изследване на хората. Наскоро онлайн статия в списание Science съобщи за нова гъвкава стратегия за охлаждане, открита от съвместен изследователски екип от китайски и американски учени – „охлаждане с усукваща топлина“. Изследователският екип установи, че промяната на усукването във влакната може да постигне охлаждане. Поради по-високата ефективност на охлаждане, по-малкия размер и приложимостта към различни обикновени материали, „хладилникът с усукана топлина“, направен въз основа на тази технология, също стана обещаващ.
Това постижение идва от съвместното изследване на екипа на професор Liu Zunfeng от Държавната ключова лаборатория по медицинска химия, биология, Факултет по фармация и ключовата лаборатория за функционални полимери на Министерството на образованието на университета Nankai, и екипа на Ray H. Baugman , професор в Тексаския държавен университет, клон в Далас, и Янг Шиксиан, доцент от университета Нанкай.
Просто намалете температурата и го завъртете
Според данни на Международния институт за изследване на хладилното оборудване потреблението на електроенергия от климатици и хладилници в света в момента възлиза на около 20% от световното потребление на електроенергия. Широко използваният принцип на охлаждане с въздушна компресия днес обикновено има ефективност на Карно под 60%, а газовете, отделяни от традиционните процеси на охлаждане, влошават глобалното затопляне. С нарастващото търсене на охлаждане от страна на хората, изследването на нови теории за охлаждане и решения за по-нататъшно подобряване на ефективността на охлаждане, намаляване на разходите и намаляване на размера на хладилното оборудване се превърна в спешна задача.
Естественият каучук ще генерира топлина при разтягане, но температурата ще намалее след прибиране. Това явление се нарича „еластично термично охлаждане“, което е открито още в началото на 19 век. Въпреки това, за да се постигне добър охлаждащ ефект, гумата трябва да бъде предварително разтегната до 6-7 пъти собствената си дължина и след това да се прибере. Това означава, че охлаждането изисква голям обем. Освен това текущата ефективност на Carnot на „термичното охлаждане“ е сравнително ниска, обикновено само около 32%.
Чрез технологията на "торзионно охлаждане" изследователите опънаха влакнестия каучуков еластомер два пъти (100% напрежение), след това фиксираха двата края и го усукаха от единия край, за да образуват структура Superhelix. Впоследствие настъпи бързо разплитане и температурата на гумените влакна се понижи с 15,5 градуса по Целзий.
Този резултат е по-висок от охлаждащия ефект при използване на технологията „еластично термично охлаждане“: гумата, която е разтегната 7 пъти по-дълго, се свива и охлажда до 12,2 градуса по Целзий. Въпреки това, ако гумата бъде усукана и удължена и след това освободена едновременно, „торсионното термично охлаждане“ може да се охлади до 16,4 градуса по Целзий. Liu Zunfeng каза, че при същия охлаждащ ефект обемът на каучука на "торзионното термично охлаждане" е само две трети от този на "еластичния термичен хладилен" каучук и неговата ефективност на Карно може да достигне 67%, далеч по-добра от принципа на въздуха компресионно охлаждане.
Риболовната и текстилната линия също могат да бъдат охладени
Изследователите са въвели, че все още има много място за подобрение на каучука като материал за „хладилно охлаждане с усукване“. Например, гумата има мека текстура и изисква много усуквания, за да се постигне значително охлаждане. Скоростта на пренос на топлина е бавна и трябва да се вземат предвид проблеми като многократна употреба и издръжливост на материала. Следователно изследването на други материали за „торсионно охлаждане“ се превърна във важна насока за пробив за изследователския екип.
Интересното е, че открихме, че схемата за „торсионно топлинно охлаждане“ е приложима и за риболовни и текстилни влакна. Преди това хората не осъзнаваха, че тези обикновени материали могат да се използват за охлаждане“, каза Лиу Зунфенг.
Изследователите първо усукаха тези твърди полимерни влакна и образуваха спирална структура. Разтягането на спиралата може да повиши температурата, но след прибиране на спиралата температурата намалява.
Експериментът установи, че използвайки технологията за „охлаждане с усукване на топлина“, полиетиленовата плетена тел може да генерира спад на температурата от 5,1 градуса по Целзий, докато материалът се разтяга и освобождава директно, без да се наблюдава почти никаква промяна на температурата. Принципът на „торсионно топлинно охлаждане“ на този тип полиетиленови влакна е, че по време на процеса на свиване при разтягане вътрешното усукване на спиралата намалява, което води до промени в енергията. Liu Zunfeng каза, че тези сравнително твърди материали са по-издръжливи от гумените влакна и скоростта на охлаждане надвишава тази на гумата, дори когато е разтегната много късо.
Изследователите също така откриха, че прилагането на технологията „торсионно топлинно охлаждане“ към никел-титаниеви сплави с памет на формата с по-висока якост и по-бърз пренос на топлина води до по-добро охлаждане и е необходимо само по-ниско усукване, за да се постигне по-голям охлаждащ ефект.
Например, чрез усукване на четири проводника от никел-титанова сплав заедно, максималният спад на температурата след разплитане може да достигне 20,8 градуса по Целзий, а общият среден спад на температурата също може да достигне 18,2 градуса по Целзий. Това е малко по-високо от охлаждането от 17,0 градуса по Целзий, постигнато чрез технологията за „термично охлаждане“. Един цикъл на охлаждане отнема само около 30 секунди“, каза Лиу Зунфенг.
Нова технология може да се използва в хладилниците в бъдеще
Въз основа на технологията за „торсионно топлинно охлаждане“, изследователите са създали модел хладилник, който може да охлажда течаща вода. Те използваха три проводника от никел-титанова сплав като охлаждащи материали, въртящи се с 0,87 оборота на сантиметър, за да постигнат охлаждане от 7,7 градуса по Целзий.
Това откритие все още има да извърви дълъг път преди комерсиализацията на „хладилниците с усукана топлина“, както с възможности, така и с предизвикателства“, каза Рей Боуман. Liu Zunfeng вярва, че новата технология за охлаждане, открита в това проучване, е разширила нов сектор в областта на охлаждането. Той ще предостави нов начин за намаляване на потреблението на енергия в областта на охлаждането.
Друго специално явление при „торсионно топлинно охлаждане“ е, че различните части на влакното показват различни температури, което се дължи на периодичното разпределение на спиралата, генерирана от усукване на влакното по дължината на влакното. Изследователите покриха повърхността на тел от никел-титанова сплав с термохромно покритие, за да направят влакно с „усукващо охлаждане“, променящо цвета. По време на процеса на усукване и развиване, влакното претърпява обратими промени в цвета. Може да се използва като нов тип чувствителен елемент за дистанционно оптично измерване на усукване на влакна. Например, като наблюдавате промените в цвета с невъоръжено око, можете да разберете колко оборота е направил материалът в разстоянието, което е много прост сензор. „Liu Zunfeng каза, че въз основа на принципа на „торсионно топлинно охлаждане“, някои влакна могат да се използват и за тъкани с интелигентна промяна на цвета.
Време на публикуване: 13 юли 2023 г