Μια πιο αποτελεσματική, εξοικονόμηση ενέργειας, πράσινη και φορητή μέθοδος ψύξης είναι η κατεύθυνση της ανθρώπινης αδιάκοπης εξερεύνησης. Πρόσφατα, ένα διαδικτυακό άρθρο στο περιοδικό Science ανέφερε μια νέα στρατηγική ευέλικτης ψύξης που ανακαλύφθηκε από μια κοινή ερευνητική ομάδα Κινέζων και Αμερικανών επιστημόνων – «στρεπτική ψύξη θερμότητας». Η ερευνητική ομάδα διαπίστωσε ότι η αλλαγή της συστροφής στο εσωτερικό των ινών μπορεί να επιτύχει ψύξη. Λόγω της υψηλότερης απόδοσης ψύξης, του μικρότερου μεγέθους και της δυνατότητας εφαρμογής σε διάφορα συνηθισμένα υλικά, το «ψυγείο στριφτής θερμότητας» που κατασκευάζεται με βάση αυτή την τεχνολογία έχει γίνει επίσης πολλά υποσχόμενο.
Αυτό το επίτευγμα προέρχεται από τη συνεργατική έρευνα της ομάδας του καθηγητή Liu Zunfeng από το State Key Laboratory of Medicinal Chemistry Biology, School of Pharmacy, και το Key Laboratory of Functional Polymer of the Ministry of Education of Nankai University, και την ομάδα του Ray H. Baugman , καθηγητής του Texas State University, Dallas Branch, και Yang Shixian, Docent του Πανεπιστημίου Nankai.
Απλά χαμηλώστε τη θερμοκρασία και στρίψτε το
Σύμφωνα με στοιχεία του Διεθνούς Ινστιτούτου Ερευνών Ψύξης, η κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας των κλιματιστικών και των ψυγείων στον κόσμο αντιπροσωπεύει σήμερα περίπου το 20% της παγκόσμιας κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας. Η ευρέως χρησιμοποιούμενη αρχή της ψύξης με συμπίεση αέρα στις μέρες μας έχει γενικά απόδοση Carno μικρότερη από 60%, και τα αέρια που απελευθερώνονται από τις παραδοσιακές διαδικασίες ψύξης επιδεινώνουν την υπερθέρμανση του πλανήτη. Με την αυξανόμενη ζήτηση για ψύξη από τον άνθρωπο, η διερεύνηση νέων θεωριών και λύσεων ψύξης για περαιτέρω βελτίωση της απόδοσης ψύξης, μείωση του κόστους και μείωση του μεγέθους του ψυκτικού εξοπλισμού έχει καταστεί επείγον καθήκον.
Το φυσικό καουτσούκ θα δημιουργήσει θερμότητα όταν τεντωθεί, αλλά η θερμοκρασία θα μειωθεί μετά την ανάσυρση. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται «ελαστική θερμική ψύξη», το οποίο ανακαλύφθηκε ήδη από τις αρχές του 19ου αιώνα. Ωστόσο, για να επιτευχθεί καλό αποτέλεσμα ψύξης, το λάστιχο πρέπει να τεντωθεί εκ των προτέρων σε 6-7 φορές το μήκος του και στη συνέχεια να ανασυρθεί. Αυτό σημαίνει ότι η ψύξη απαιτεί μεγάλο όγκο. Επιπλέον, η τρέχουσα απόδοση Carnot της «θερμικής ψύξης» είναι σχετικά χαμηλή, συνήθως μόνο περίπου 32%.
Μέσω της τεχνολογίας «στρεπτικής ψύξης», οι ερευνητές τέντωσαν το ελαστομερές ινώδους καουτσούκ δύο φορές (100% καταπόνηση), στη συνέχεια σταθεροποίησαν και τα δύο άκρα και το έστριψαν από το ένα άκρο για να σχηματίσουν μια δομή Superhelix. Ακολούθως, σημειώθηκε ταχεία αποσυμπίεση και η θερμοκρασία των ινών από καουτσούκ μειώθηκε κατά 15,5 βαθμούς Κελσίου.
Αυτό το αποτέλεσμα είναι υψηλότερο από το αποτέλεσμα ψύξης που χρησιμοποιεί η τεχνολογία «ελαστικής θερμικής ψύξης»: το λάστιχο που τεντώνεται 7 φορές περισσότερο συστέλλεται και ψύχεται στους 12,2 βαθμούς Κελσίου. Ωστόσο, εάν το καουτσούκ συστραφεί και εκταθεί και στη συνέχεια απελευθερωθεί ταυτόχρονα, η «στρεπτική θερμική ψύξη» μπορεί να κρυώσει στους 16,4 βαθμούς Κελσίου. Ο Liu Zunfeng είπε ότι κάτω από το ίδιο αποτέλεσμα ψύξης, ο όγκος καουτσούκ της «στρεπτικής θερμικής ψύξης» είναι μόνο τα δύο τρίτα αυτού του καουτσούκ «ελαστικής θερμικής ψύξης» και η απόδοση του Carnot μπορεί να φτάσει το 67%, πολύ ανώτερη από την αρχή του αέρα. ψύξη με συμπίεση.
Η πετονιά και η κλωστοϋφαντουργία μπορούν επίσης να ψυχθούν
Οι ερευνητές εισήγαγαν ότι υπάρχει ακόμη πολύ περιθώριο βελτίωσης στο καουτσούκ ως υλικό «ψύξης με στρεπτική θερμότητα». Για παράδειγμα, το καουτσούκ έχει απαλή υφή και απαιτεί πολλές στροφές για να επιτευχθεί σημαντική ψύξη. Η ταχύτητα μεταφοράς θερμότητας του είναι αργή και πρέπει να ληφθούν υπόψη ζητήματα όπως η επαναλαμβανόμενη χρήση και η ανθεκτικότητα του υλικού. Ως εκ τούτου, η εξερεύνηση άλλων υλικών «στρεπτικής ψύξης» έχει γίνει μια σημαντική πρωτοποριακή κατεύθυνση για την ερευνητική ομάδα.
Είναι ενδιαφέρον ότι διαπιστώσαμε ότι το σύστημα «στρεπτικής θερμικής ψύξης» ισχύει επίσης για τις γραμμές αλιείας και κλωστοϋφαντουργίας. Προηγουμένως, οι άνθρωποι δεν συνειδητοποιούσαν ότι αυτά τα συνηθισμένα υλικά θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για ψύξη», είπε ο Liu Zunfeng.
Οι ερευνητές πρώτα έστριψαν αυτές τις άκαμπτες πολυμερείς ίνες και σχημάτισαν μια ελικοειδή δομή. Το τέντωμα της έλικας μπορεί να αυξήσει τη θερμοκρασία, αλλά μετά την απόσυρση της έλικας, η θερμοκρασία μειώνεται.
Το πείραμα διαπίστωσε ότι χρησιμοποιώντας την τεχνολογία «στρεπτικής θερμικής ψύξης», το πλεγμένο σύρμα από πολυαιθυλένιο μπορεί να δημιουργήσει πτώση θερμοκρασίας 5,1 βαθμών Κελσίου, ενώ το υλικό τεντώνεται άμεσα και απελευθερώνεται χωρίς σχεδόν καμία αλλαγή θερμοκρασίας. Η αρχή της «στρεπτικής θερμικής ψύξης» αυτού του τύπου ινών πολυαιθυλενίου είναι ότι κατά τη διαδικασία συστολής τάνυσης, η εσωτερική συστροφή της έλικας μειώνεται, οδηγώντας σε αλλαγές στην ενέργεια. Ο Liu Zunfeng είπε ότι αυτά τα σχετικά σκληρά υλικά είναι πιο ανθεκτικά από τις ίνες καουτσούκ και ο ρυθμός ψύξης υπερβαίνει αυτόν του καουτσούκ ακόμα και όταν τεντώνονται πολύ κοντά.
Οι ερευνητές ανακάλυψαν επίσης ότι η εφαρμογή της τεχνολογίας «στρεπτικής ψύξης θερμότητας» σε κράματα μνήμης σχήματος νικελίου τιτανίου με υψηλότερη αντοχή και ταχύτερη μεταφορά θερμότητας οδηγεί σε καλύτερη απόδοση ψύξης και απαιτείται μόνο μικρότερη περιστροφή για να επιτευχθεί μεγαλύτερο αποτέλεσμα ψύξης.
Για παράδειγμα, στρίβοντας τέσσερα σύρματα από κράμα τιτανίου νικελίου μαζί, η μέγιστη πτώση θερμοκρασίας μετά το ξετύλιγμα μπορεί να φτάσει τους 20,8 βαθμούς Κελσίου και η συνολική μέση πτώση θερμοκρασίας μπορεί επίσης να φτάσει τους 18,2 βαθμούς Κελσίου. Αυτό είναι ελαφρώς υψηλότερο από την ψύξη 17,0 βαθμών Κελσίου που επιτυγχάνεται με την τεχνολογία «θερμικής ψύξης». Ένας κύκλος ψύξης διαρκεί μόνο περίπου 30 δευτερόλεπτα», είπε ο Liu Zunfeng.
Η νέα τεχνολογία μπορεί να χρησιμοποιηθεί στα ψυγεία στο μέλλον
Με βάση την τεχνολογία «στρεπτικής ψύξης θερμότητας», οι ερευνητές δημιούργησαν ένα μοντέλο ψυγείου που μπορεί να ψύχει το νερό που ρέει. Χρησιμοποίησαν τρία σύρματα από κράμα τιτανίου νικελίου ως ψυκτικά υλικά, περιστρέφοντας 0,87 στροφές ανά εκατοστό για να επιτύχουν ψύξη 7,7 βαθμών Κελσίου.
Αυτή η ανακάλυψη έχει ακόμη πολύ δρόμο να διανύσει μέχρι την εμπορευματοποίηση των «ψυγείων στριφτής θερμότητας», με ευκαιρίες και προκλήσεις», δήλωσε ο Ray Bowman. Ο Liu Zunfeng πιστεύει ότι η νέα τεχνολογία ψύξης που ανακαλύφθηκε σε αυτή τη μελέτη έχει επεκτείνει έναν νέο τομέα στον τομέα της ψύξης. Θα προσφέρει έναν νέο τρόπο μείωσης της κατανάλωσης ενέργειας στον τομέα της ψύξης.
Ένα άλλο ειδικό φαινόμενο στην «στρεπτική ψύξη θερμότητας» είναι ότι διαφορετικά μέρη της ίνας εμφανίζουν διαφορετικές θερμοκρασίες, οι οποίες προκαλούνται από την περιοδική κατανομή της έλικας που δημιουργείται από τη συστροφή της ίνας κατά την κατεύθυνση του μήκους της ίνας. Οι ερευνητές επικάλυψαν την επιφάνεια του σύρματος από κράμα τιτανίου νικελίου με επίστρωση Thermochromism για να δημιουργήσουν ίνα που αλλάζει χρώμα με «στρεπτική ψύξη». Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας στρίψιμο και ξετύλιξης, η ίνα υφίσταται αναστρέψιμες αλλαγές χρώματος. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως νέος τύπος αισθητήριου στοιχείου για την απομακρυσμένη οπτική μέτρηση της συστροφής ινών. Για παράδειγμα, παρατηρώντας τις αλλαγές χρώματος με γυμνό μάτι, μπορεί κανείς να γνωρίζει πόσες στροφές έχει κάνει το υλικό σε απόσταση, που είναι ένας πολύ απλός αισθητήρας. «Ο Liu Zunfeng είπε ότι με βάση την αρχή της «στρεπτικής θερμικής ψύξης», ορισμένες ίνες μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για έξυπνα υφάσματα που αλλάζουν χρώμα.
Ώρα δημοσίευσης: Ιουλ-13-2023