Efektívnejšia, energeticky úspornejšia, ekologickejšia a prenosná metóda chladenia je smerom ľudského nepretržitého prieskumu.Nedávno online článok v časopise Science informoval o novej flexibilnej stratégii chladenia, ktorú objavil spoločný výskumný tím čínskych a amerických vedcov – „chladenie torzným teplom“.Výskumný tím zistil, že zmenou krútenia vo vnútri vlákien možno dosiahnuť ochladenie.Vďaka vyššej účinnosti chladenia, menším rozmerom a použiteľnosti na rôzne bežné materiály sa stala perspektívna aj „chladnička s krúteným teplom“ vyrobená na základe tejto technológie.
Tento úspech pochádza z kooperatívneho výskumu tímu profesora Liu Zunfenga zo Štátneho kľúčového laboratória biológie lekárskej chémie, Farmaceutickej fakulty a Kľúčového laboratória funkčných polymérov Ministerstva školstva Univerzity Nankai a tímu Raya H. Baugmana , profesor Texaskej štátnej univerzity v Dallas Branch a Yang Shixian, docent z Nankai University.
Stačí znížiť teplotu a otočiť
Podľa údajov Medzinárodného inštitútu pre výskum chladenia predstavuje spotreba elektriny klimatizácií a chladničiek vo svete v súčasnosti asi 20 % celosvetovej spotreby elektriny.V súčasnosti široko používaný princíp chladenia stláčaním vzduchu má všeobecne Carnotovu účinnosť menej ako 60 % a plyny uvoľňované tradičnými chladiacimi procesmi zhoršujú globálne otepľovanie.So zvyšujúcim sa dopytom ľudí po chladení sa skúmanie nových teórií a riešení chladenia na ďalšie zlepšenie účinnosti chladenia, zníženie nákladov a zmenšenie veľkosti chladiacich zariadení stalo naliehavou úlohou.
Prírodný kaučuk bude pri naťahovaní generovať teplo, ale po stiahnutí sa teplota zníži.Tento jav sa nazýva „elastické tepelné chladenie“, ktoré bolo objavené už začiatkom 19. storočia.Na dosiahnutie dobrého chladiaceho účinku je však potrebné gumu vopred natiahnuť na 6-7 násobok svojej vlastnej dĺžky a potom stiahnuť.To znamená, že chladenie vyžaduje veľký objem.Navyše súčasná Carnotova účinnosť „tepelného chladenia“ je relatívne nízka, zvyčajne len okolo 32 %.
Prostredníctvom technológie „torzného chladenia“ výskumníci natiahli vláknitý gumový elastomér dvakrát (100% napätie), potom zafixovali oba konce a skrútili ho z jedného konca, aby vytvorili štruktúru Superhelix.Následne došlo k rýchlemu rozkrúteniu a teplota gumových vlákien sa znížila o 15,5 stupňa Celzia.
Tento výsledok je vyšší ako chladiaci efekt pri použití technológie „elastického tepelného chladenia“: guma, ktorá je natiahnutá 7-krát dlhšie, sa stiahne a ochladí na 12,2 stupňov Celzia.Ak sa však guma skrúti a natiahne a potom súčasne uvoľní, „torzné tepelné chladenie“ sa môže ochladiť na 16,4 stupňov Celzia.Liu Zunfeng povedal, že pri rovnakom chladiacom účinku je objem gumy „torzného tepelného chladenia“ len dve tretiny objemu gumy „elastického tepelného chladenia“ a jej účinnosť podľa Carnota môže dosiahnuť 67 %, čo je oveľa lepšie ako princíp vzduchu. kompresné chladenie.
Rybársky vlasec a textilný vlasec môžu byť tiež chladené
Výskumníci predstavili, že stále existuje veľa priestoru na zlepšenie v gume ako materiáli na „torzné tepelné chladenie“.Napríklad guma má mäkkú štruktúru a vyžaduje veľa zákrutov, aby sa dosiahlo výrazné ochladenie.Jeho rýchlosť prenosu tepla je pomalá a je potrebné zvážiť problémy, ako je opakované použitie a trvanlivosť materiálu.Preto sa skúmanie iných materiálov „torzného chladenia“ stalo pre výskumný tím dôležitým prelomovým smerom.
Je zaujímavé, že sme zistili, že schému „chladenia torzným teplom“ možno použiť aj na rybárske a textilné šnúry.Predtým si ľudia neuvedomili, že tieto bežné materiály sa dajú použiť na chladenie, “povedal Liu Zunfeng.
Výskumníci najprv skrútili tieto tuhé polymérne vlákna a vytvorili špirálovitú štruktúru.Natiahnutím špirály sa môže zvýšiť teplota, ale po stiahnutí špirály sa teplota zníži.
Experiment zistil, že pomocou technológie „torzného tepelného chladenia“ môže polyetylénový pletený drôt generovať pokles teploty o 5,1 stupňa Celzia, zatiaľ čo materiál sa priamo naťahuje a uvoľňuje takmer bez pozorovanej zmeny teploty.Princíp „torzného tepelného chladenia“ tohto typu polyetylénového vlákna spočíva v tom, že počas procesu napínania a kontrakcie sa vnútorný zákrut špirály znižuje, čo vedie k zmenám energie.Liu Zunfeng povedal, že tieto relatívne tvrdé materiály sú odolnejšie ako gumové vlákna a rýchlosť chladenia prevyšuje rýchlosť gumy, aj keď je natiahnutá veľmi krátko.
Výskumníci tiež zistili, že aplikovanie technológie „torzného tepelného chladenia“ na zliatiny niklu a titánu s tvarovou pamäťou s vyššou pevnosťou a rýchlejším prenosom tepla vedie k lepšiemu chladiacemu výkonu a na dosiahnutie väčšieho chladiaceho efektu je potrebné len menšie skrútenie.
Napríklad stočením štyroch drôtov zo zliatiny niklu a titánu dohromady môže maximálny pokles teploty po rozkrútení dosiahnuť 20,8 stupňa Celzia a celkový priemerný pokles teploty môže dosiahnuť aj 18,2 stupňa Celzia.To je o niečo viac ako pri chladení o 17,0 stupňov Celzia pomocou technológie „tepelného chladenia“.Jeden chladiaci cyklus trvá len asi 30 sekúnd, “povedal Liu Zunfeng.
Nová technológia môže byť v budúcnosti použitá v chladničkách
Na základe technológie „torzného tepelného chladenia“ vedci vytvorili model chladničky, ktorý dokáže chladiť tečúcu vodu.Ako chladiace materiály použili tri drôty zo zliatiny niklu a titánu, ktoré sa otáčali 0,87 otáčky na centimeter, aby dosiahli ochladenie o 7,7 stupňa Celzia.
Tento objav má ešte pred komercializáciou „chladničiek s krúteným teplom“ pred sebou ešte dlhú cestu s príležitosťami aj výzvami,“ povedal Ray Bowman.Liu Zunfeng verí, že nová technológia chladenia objavená v tejto štúdii rozšírila nový sektor v oblasti chladenia.Poskytne nový spôsob zníženia spotreby energie v oblasti chladenia.
Ďalším špeciálnym javom pri „torznom ochladzovaní tepla“ je to, že rôzne časti vlákna vykazujú rôzne teploty, čo je spôsobené periodickým rozložením špirály generovanej krútením vlákna v smere dĺžky vlákna.Výskumníci potiahli povrch drôtu zo zliatiny niklu a titánu povlakom Thermochromism, aby sa vytvorilo vlákno meniace farbu „torzným chladením“.Počas procesu krútenia a rozmotávania vlákno prechádza reverzibilnými farebnými zmenami.Môže byť použitý ako nový typ snímacieho prvku na diaľkové optické meranie skrútenia vlákna.Napríklad pozorovaním zmien farieb voľným okom možno zistiť, koľko otáčok materiál urobil na diaľku, čo je veľmi jednoduchý snímač.„Liu Zunfeng povedal, že na základe princípu „chladenia torzným teplom“ možno niektoré vlákna použiť aj na inteligentné látky meniace farbu.
Čas odoslania: 13. júla 2023