O metodă de răcire mai eficientă, economisitoare de energie, ecologică și portabilă este direcția explorării umane neîncetate.Recent, un articol online din revista Science a raportat despre o nouă strategie flexibilă de refrigerare descoperită de o echipă de cercetare comună de oameni de știință chinezi și americani – „refrigerarea cu căldură de torsiune”.Echipa de cercetare a descoperit că schimbarea răsucirii din interiorul fibrelor poate obține răcire.Datorită eficienței frigorifice mai mari, dimensiunilor mai mici și aplicabilității la diferite materiale obișnuite, „frigiderul cu căldură răsucită” realizat pe baza acestei tehnologii a devenit, de asemenea, promițător.
Această realizare vine din cercetarea în cooperare a echipei profesorului Liu Zunfeng de la Laboratorul cheie de stat de biologie de chimie medicinală, Școala de Farmacie și Laboratorul cheie de polimeri funcționali al Ministerului Educației de la Universitatea Nankai și a echipei Ray H. Baugman , profesor la Universitatea de Stat din Texas, Filiala Dallas, și Yang Shixian, Docent la Universitatea Nankai.
Doar reduceți temperatura și răsuciți-o
Conform datelor Institutului Internațional de Cercetare în Refrigerare, consumul de energie electrică al aparatelor de aer condiționat și al frigiderelor din lume reprezintă în prezent aproximativ 20% din consumul global de energie electrică.Principiul larg utilizat al refrigerarii cu compresie a aerului în zilele noastre are în general o eficiență Carnot mai mică de 60%, iar gazele eliberate de procesele tradiționale de refrigerare exacerbează încălzirea globală.Odată cu creșterea cererii de refrigerare de către oameni, explorarea de noi teorii și soluții de refrigerare pentru a îmbunătăți în continuare eficiența frigorifice, a reduce costurile și a reduce dimensiunea echipamentului de refrigerare a devenit o sarcină urgentă.
Cauciucul natural va genera căldură atunci când este întins, dar temperatura va scădea după retragere.Acest fenomen se numește „refrigerare termică elastică”, care a fost descoperit încă de la începutul secolului al XIX-lea.Cu toate acestea, pentru a obține un efect de răcire bun, cauciucul trebuie preîntins la 6-7 ori lungimea proprie și apoi retras.Aceasta înseamnă că refrigerarea necesită un volum mare.Mai mult, eficiența actuală Carnot a „refrigerării termice” este relativ scăzută, de obicei doar aproximativ 32%.
Prin tehnologia de „răcire torsională”, cercetătorii au întins de două ori elastomerul fibros de cauciuc (deformare 100%), apoi au fixat ambele capete și l-au răsucit de la un capăt pentru a forma o structură Superhelix.Ulterior, a avut loc o desfacere rapidă, iar temperatura fibrelor de cauciuc a scăzut cu 15,5 grade Celsius.
Acest rezultat este mai mare decât efectul de răcire folosind tehnologia „refrigerare termică elastică”: cauciucul care este întins de 7 ori mai mult se contractă și se răcește la 12,2 grade Celsius.Cu toate acestea, dacă cauciucul este răsucit și extins și apoi eliberat simultan, „refrigerarea termică de torsiune” se poate răci la 16,4 grade Celsius.Liu Zunfeng a spus că, sub același efect de răcire, volumul de cauciuc al „refrigerării termice torsionale” este de numai două treimi din cel al cauciucului „refrigerare termică elastică”, iar eficiența lui Carnot poate ajunge la 67%, mult superior principiului aerului. refrigerare prin compresie.
Linia de pescuit și firul textil pot fi, de asemenea, răcite
Cercetătorii au introdus că există încă mult loc de îmbunătățire în cauciucul ca material de „refrigerare cu căldură de torsiune”.De exemplu, cauciucul are o textură moale și necesită multe răsuciri pentru a obține o răcire semnificativă.Viteza sa de transfer de căldură este lentă și trebuie luate în considerare probleme precum utilizarea repetată și durabilitatea materialului.Prin urmare, explorarea altor materiale de „refrigerare torsională” a devenit o direcție de descoperire importantă pentru echipa de cercetare.
În mod interesant, am descoperit că schema de „răcire cu căldură de torsiune” este aplicabilă și liniilor de pescuit și textile.Anterior, oamenii nu și-au dat seama că aceste materiale obișnuite ar putea fi folosite pentru răcire”, a spus Liu Zunfeng.
Cercetătorii au răsucit mai întâi aceste fibre polimerice rigide și au format o structură elicoidală.Întinderea helixului poate crește temperatura, dar după retragerea helixului, temperatura scade.
Experimentul a constatat că, folosind tehnologia „răcire cu căldură torsională”, sârma împletită din polietilenă poate genera o scădere de temperatură de 5,1 grade Celsius, în timp ce materialul este întins direct și eliberat fără aproape nicio schimbare de temperatură observată.Principiul „răcirii cu căldură de torsiune” a acestui tip de fibre de polietilenă este că în timpul procesului de contracție de întindere, răsucirea internă a spiralei scade, ducând la modificări ale energiei.Liu Zunfeng a spus că aceste materiale relativ dure sunt mai durabile decât fibrele de cauciuc, iar viteza de răcire o depășește pe cea a cauciucului chiar și atunci când sunt întinse foarte scurt.
Cercetătorii au descoperit, de asemenea, că aplicarea tehnologiei „răcire cu căldură torsională” la aliajele cu memorie de formă nichel-titan cu rezistență mai mare și transfer de căldură mai rapid are ca rezultat o performanță de răcire mai bună și este necesară doar o răsucire mai mică pentru a obține un efect de răcire mai mare.
De exemplu, prin răsucirea a patru fire din aliaj de nichel-titan, scăderea maximă a temperaturii după desfacere poate ajunge la 20,8 grade Celsius, iar scăderea medie generală a temperaturii poate ajunge și la 18,2 grade Celsius.Aceasta este puțin mai mare decât răcirea de 17,0 grade Celsius realizată folosind tehnologia „refrigerare termică”.Un ciclu de refrigerare durează doar aproximativ 30 de secunde”, a spus Liu Zunfeng.
Noua tehnologie poate fi folosită în frigidere în viitor
Pe baza tehnologiei „refrigerare cu căldură de torsiune”, cercetătorii au creat un model de frigider care poate răci apa care curge.Au folosit trei fire din aliaj de nichel-titan ca materiale de răcire, rotindu-se cu 0,87 rotații pe centimetru pentru a obține o răcire de 7,7 grade Celsius.
Această descoperire are încă un drum lung de parcurs până la comercializarea „frigiderelor cu căldură răsucită”, cu atât oportunități, cât și provocări”, a spus Ray Bowman.Liu Zunfeng consideră că noua tehnologie de refrigerare descoperită în acest studiu a extins un nou sector în domeniul frigorifice.Acesta va oferi o nouă modalitate de reducere a consumului de energie în domeniul frigorific.
Un alt fenomen special în „refrigerarea căldurii de torsiune” este faptul că diferite părți ale fibrei prezintă temperaturi diferite, ceea ce este cauzat de distribuția periodică a helixului generată de răsucirea fibrei de-a lungul direcției lungimii fibrei.Cercetătorii au acoperit suprafața sârmei din aliaj de nichel-titan cu un strat de termocromism pentru a face o fibră care schimbă culoarea „răcire torsională”.În timpul procesului de răsucire și desfacere, fibra suferă modificări reversibile de culoare.Poate fi folosit ca un nou tip de element de detectare pentru măsurarea optică de la distanță a răsucirii fibrei.De exemplu, observând cu ochiul liber schimbările de culoare, se poate ști câte rotații a făcut materialul în depărtare, care este un senzor foarte simplu.„Liu Zunfeng a spus că, pe baza principiului „răcirii termice de torsiune”, unele fibre pot fi folosite și pentru țesături inteligente care schimbă culoarea.
Ora postării: Iul-13-2023