Efikasnija, štedljivija, zelena i prenosiva metoda hlađenja je pravac ljudskog neprestanog istraživanja. Nedavno je online članak u časopisu Science izvijestio o novoj fleksibilnoj strategiji hlađenja koju je otkrio zajednički istraživački tim kineskih i američkih naučnika – “torziona toplotna hlađenja”. Istraživački tim je otkrio da se promjenom zavoja unutar vlakana može postići hlađenje. Zbog veće efikasnosti hlađenja, manjih dimenzija i primenljivosti na razne obične materijale, obećavajući je postao i „upleteni toplotni frižider“ napravljen po ovoj tehnologiji.
Ovo postignuće dolazi iz zajedničkog istraživanja tima profesora Liu Zunfenga iz Državne ključne laboratorije za biologiju medicinske hemije, Farmaceutskog fakulteta i Ključne laboratorije funkcionalnih polimera Ministarstva obrazovanja Univerziteta Nankai, i tima Raya H. Baugmana , profesor Teksaškog državnog univerziteta, podružnica u Dallasu, i Yang Shixian, docent Univerziteta Nankai.
Samo smanjite temperaturu i uvrnite je
Prema podacima Međunarodnog instituta za istraživanje hlađenja, potrošnja električne energije klima uređaja i frižidera u svijetu trenutno čini oko 20% svjetske potrošnje električne energije. Široko korišteni princip hlađenja zračnom kompresijom danas općenito ima Carnotovu efikasnost manju od 60%, a plinovi koji se oslobađaju tradicionalnim procesima hlađenja pogoršavaju globalno zagrijavanje. Sa sve većom potražnjom za hlađenjem od strane ljudi, istraživanje novih teorija hlađenja i rješenja za dalje poboljšanje efikasnosti hlađenja, smanjenje troškova i smanjenje veličine rashladne opreme postalo je hitan zadatak.
Prirodna guma će stvarati toplinu kada se rasteže, ali će se temperatura smanjiti nakon povlačenja. Ovaj fenomen se naziva "elastično termalno hlađenje", što je otkriveno još početkom 19. stoljeća. Međutim, da bi se postigao dobar efekat hlađenja, guma se mora prethodno rastegnuti do 6-7 puta njene sopstvene dužine, a zatim uvući. To znači da je za hlađenje potrebna velika zapremina. Štaviše, trenutna Carnotova efikasnost “termalnog hlađenja” je relativno niska, obično samo oko 32%.
Kroz tehnologiju "torzionog hlađenja", istraživači su dvaput istegnuli vlaknasti gumeni elastomer (100% deformacija), zatim fiksirali oba kraja i uvrnuli ga s jednog kraja kako bi formirali Superhelix strukturu. Nakon toga je došlo do brzog odmotavanja, a temperatura gumenih vlakana se smanjila za 15,5 stepeni Celzijusa.
Ovaj rezultat je veći od efekta hlađenja upotrebom tehnologije 'elastičnog termalnog hlađenja': guma koja je rastegnuta 7 puta duže se skuplja i hladi na 12,2 stepena Celzijusa. Međutim, ako se guma uvrne i produži, a zatim otpusti istovremeno, 'torziona termička hlađenja' može se ohladiti na 16,4 stepena Celzijusa. Liu Zunfeng je rekao da je pod istim efektom hlađenja, zapremina gume 'torzionog termičkog hlađenja' samo dvije trećine gume za 'elastično termalno hlađenje', a njena Carnotova efikasnost može doseći 67%, daleko bolja od principa zraka. kompresijsko hlađenje.
Konop za pecanje i tekstilni konop se takođe mogu hladiti
Istraživači su uveli da još uvijek ima mnogo prostora za poboljšanje gume kao materijala za hlađenje na torzijskoj toplini. Na primjer, guma ima meku teksturu i zahtijeva mnogo uvijanja da bi se postiglo značajno hlađenje. Njegova brzina prijenosa topline je spora i potrebno je razmotriti pitanja kao što su ponovljena upotreba i trajnost materijala. Stoga je istraživanje drugih "torzionih rashladnih" materijala postalo važan probojni pravac za istraživački tim.
Zanimljivo je da smo otkrili da je shema 'torzionog hlađenja toplinom' također primjenjiva na ribolovne i tekstilne konopce. Ranije ljudi nisu shvatali da se ovi obični materijali mogu koristiti za hlađenje“, rekao je Liu Zunfeng.
Istraživači su prvo uvrnuli ova kruta polimerna vlakna i formirali spiralnu strukturu. Istezanje spirale može povećati temperaturu, ali nakon uvlačenja spirale, temperatura se smanjuje.
Eksperiment je otkrio da korišćenjem tehnologije „torzionog toplotnog hlađenja“, polietilenska pletena žica može generisati pad temperature od 5,1 stepen Celzijusa, dok se materijal direktno rasteže i oslobađa bez skoro nikakve promene temperature. Princip 'torzionog toplotnog hlađenja' ove vrste polietilenskih vlakana je da se tokom procesa kontrakcije istezanja unutrašnji uvijanje spirale smanjuje, što dovodi do promjena u energiji. Liu Zunfeng je rekao da su ovi relativno tvrdi materijali izdržljiviji od gumenih vlakana, a brzina hlađenja je veća od gume čak i kada je vrlo kratko rastegnuta.
Istraživači su također otkrili da primjena tehnologije "torzionog toplinskog hlađenja" na legure nikl-titanijuma sa memorijom oblika sa većom čvrstoćom i bržim prijenosom topline rezultira boljim performansama hlađenja, a samo je manji okret potreban za postizanje većeg efekta hlađenja.
Na primjer, uvrtanjem četiri žice od legure nikla i titanijuma, maksimalni pad temperature nakon odvrtanja može doseći 20,8 stepeni Celzijusa, a ukupni prosječni pad temperature također može doseći 18,2 stepena Celzijusa. Ovo je nešto više od hlađenja od 17,0 stepeni Celzijusa postignutog upotrebom tehnologije 'termalnog hlađenja'. Jedan ciklus hlađenja traje samo 30 sekundi“, rekao je Liu Zunfeng.
Nova tehnologija se može koristiti u frižiderima u budućnosti
Na osnovu tehnologije „torzionog toplotnog hlađenja“, istraživači su kreirali model frižidera koji može da hladi tekuću vodu. Koristili su tri žice od legure titanijuma nikla kao rashladnog materijala, rotirajući 0,87 obrtaja po centimetru da bi postigli hlađenje od 7,7 stepeni Celzijusa.
Ovo otkriće ima još dug put do komercijalizacije 'frižidera sa uvrnutim grijanjem', sa mogućnostima i izazovima,” rekao je Ray Bowman. Liu Zunfeng vjeruje da je nova tehnologija hlađenja otkrivena u ovoj studiji proširila novi sektor u području rashladnih uređaja. To će pružiti novi način smanjenja potrošnje energije u oblasti hlađenja.
Još jedan poseban fenomen u “torzionom hlađenju toplinom” je da različiti dijelovi vlakna pokazuju različite temperature, što je uzrokovano periodičnom distribucijom spirale koja nastaje uvijanjem vlakna duž smjera dužine vlakna. Istraživači su površinu žice od legure nikla titanijuma premazali termohromskim premazom kako bi napravili vlakna koja menjaju boju „torzionog hlađenja“. Tokom procesa uvijanja i odmotavanja, vlakno prolazi kroz reverzibilne promjene boje. Može se koristiti kao nova vrsta senzorskog elementa za daljinsko optičko mjerenje uvijanja vlakana. Na primjer, promatranjem promjena boje golim okom, može se znati koliko je okretaja materijal napravio u daljini, što je vrlo jednostavan senzor. „Liu Zunfeng je rekao da se na osnovu principa „torzionog toplotnog hlađenja“, neka vlakna mogu koristiti i za inteligentne tkanine koje menjaju boju.
Vrijeme objave: Jul-13-2023