En mer effektiv, energibesparende, grønn og bærbar kjølemetode er retningen for menneskelig uavbrutt utforskning. Nylig rapporterte en nettartikkel i tidsskriftet Science om en ny fleksibel kjølestrategi oppdaget av et felles forskerteam av kinesiske og amerikanske forskere – "torsjonsvarmekjøling". Forskerteamet fant at endring av vridningen inne i fibrene kan oppnå avkjøling. På grunn av høyere kjøleeffektivitet, mindre størrelse og anvendelighet til forskjellige vanlige materialer, har "twisted heat refrigerator" laget basert på denne teknologien også blitt lovende.
Denne prestasjonen kommer fra samarbeidsforskningen til professor Liu Zunfengs team fra State Key Laboratory of Medicinal Chemistry Biology, School of Pharmacy og Key Laboratory of Functional Polymer ved utdanningsdepartementet ved Nankai University, og teamet til Ray H. Baugman , professor ved Texas State University, Dallas Branch, og Yang Shixian, Docent ved Nankai University.
Bare senk temperaturen og vri den
Ifølge data fra International Refrigeration Research Institute, utgjør strømforbruket til klimaanlegg og kjøleskap i verden for tiden rundt 20 % av det globale strømforbruket. Det mye brukte prinsippet for luftkompresjonskjøling i dag har generelt en Carnot-effektivitet på mindre enn 60 %, og gassene som frigjøres ved tradisjonelle kjøleprosesser forverrer global oppvarming. Med den økende etterspørselen etter kjøling fra mennesker, har det blitt en presserende oppgave å utforske nye kjøleteorier og -løsninger for å forbedre kjøleeffektiviteten ytterligere, redusere kostnader og redusere størrelsen på kjøleutstyr.
Naturgummi vil generere varme når den strekkes, men temperaturen vil synke etter tilbaketrekking. Dette fenomenet kalles "elastisk termisk nedkjøling", som har blitt oppdaget så tidlig som tidlig på 1800-tallet. Men for å oppnå god kjøleeffekt må gummien forstrekkes til 6-7 ganger sin egen lengde og deretter trekkes tilbake. Det betyr at kjøling krever et stort volum. Dessuten er den nåværende Carnot-effektiviteten til "termisk kjøling" relativt lav, vanligvis bare rundt 32%.
Gjennom "torsjonskjøling"-teknologien strakte forskerne den fibrøse gummielastomeren to ganger (100 % tøyning), festet deretter begge ender og vridd den fra den ene enden for å danne en Superhelix-struktur. Deretter skjedde det rask avvikling, og temperaturen på gummifibrene sank med 15,5 grader Celsius.
Dette resultatet er høyere enn kjøleeffekten ved bruk av "elastisk termisk kjøling"-teknologi: gummien som strekkes 7 ganger lenger trekker seg sammen og kjøles ned til 12,2 grader Celsius. Men hvis gummien vris og forlenges, og deretter frigjøres samtidig, kan den "torsjonelle termiske kjølingen" kjøles ned til 16,4 grader Celsius. Liu Zunfeng sa at under den samme kjøleeffekten er gummivolumet til "torsjons termisk kjøling" bare to tredjedeler av det for "elastisk termisk kjøling" gummi, og dens Carnot-effektivitet kan nå 67%, langt overlegen luftprinsippet kompresjonskjøling.
Fiskesnøre og tekstilline kan også kjøles
Forskere har introdusert at det fortsatt er mye rom for forbedring i gummi som et "torsjonsvarmekjøling"-materiale. For eksempel har gummi en myk tekstur og krever mange vendinger for å oppnå betydelig avkjøling. Varmeoverføringshastigheten er langsom, og problemer som gjentatt bruk og holdbarhet av materialet må vurderes. Derfor har å utforske andre "torsjonskjøling"-materialer blitt en viktig gjennombruddsretning for forskerteamet.
Interessant nok har vi funnet ut at "torsjonsvarmekjøling"-ordningen også kan brukes på fiske- og tekstillinjer. Tidligere var folk ikke klar over at disse vanlige materialene kunne brukes til kjøling, sa Liu Zunfeng.
Forskerne vridd først disse stive polymerfibrene og dannet en spiralformet struktur. Å strekke spiralen kan heve temperaturen, men etter at spiralen trekkes tilbake, synker temperaturen.
Eksperimentet fant at ved bruk av "torsjonsvarmekjøling"-teknologien, kan polyetylenflettet wire generere et temperaturfall på 5,1 grader Celsius, mens materialet strekkes direkte og frigjøres uten å observere nesten ingen temperaturendring. Prinsippet for "torsjonsvarmekjøling" for denne typen polyetylenfiber er at under strekksammentrekningsprosessen avtar den indre vridningen av helixen, noe som fører til endringer i energi. Liu Zunfeng sa at disse relativt harde materialene er mer holdbare enn gummifibre, og kjølehastigheten overstiger gummiens selv når de er strukket veldig kort.
Forskere fant også at bruk av "torsjonsvarmekjøling"-teknologien på nikkel-titan-formminnelegeringer med høyere styrke og raskere varmeoverføring resulterer i bedre kjøleytelse, og bare en lavere vri er nødvendig for å oppnå en større kjøleeffekt.
For eksempel, ved å vri fire nikkel-titanlegeringstråder sammen, kan det maksimale temperaturfallet etter avvikling nå 20,8 grader Celsius, og det totale gjennomsnittlige temperaturfallet kan også nå 18,2 grader Celsius. Dette er litt høyere enn kjølingen på 17,0 grader Celsius oppnådd ved bruk av 'termisk kjøling'-teknologi. En kjølesyklus tar bare omtrent 30 sekunder, sa Liu Zunfeng.
Ny teknologi kan brukes i kjøleskap i fremtiden
Basert på "torsjonsvarmekjøling"-teknologien har forskere laget en kjøleskapsmodell som kan avkjøle rennende vann. De brukte tre nikkel titanlegeringstråder som kjølematerialer, og roterte 0,87 omdreininger per centimeter for å oppnå en avkjøling på 7,7 grader Celsius.
Denne oppdagelsen har fortsatt en lang vei å gå før kommersialiseringen av 'vridde varmekjøleskap', med både muligheter og utfordringer, sier Ray Bowman. Liu Zunfeng mener at den nye kjøleteknologien som ble oppdaget i denne studien har utvidet en ny sektor innen kjølefeltet. Det vil gi en ny måte å redusere energiforbruket i kjølefeltet.
Et annet spesielt fenomen i "torsjonsvarmekjøling" er at forskjellige deler av fiberen har forskjellige temperaturer, noe som skyldes den periodiske fordelingen av helixen som genereres ved å vri fiberen langs fiberlengderetningen. Forskerne har belagt overflaten av nikkel-titanlegeringstråd med termokromisk belegg for å lage "torsjonskjølende" fargeendrende fiber. Under tvinnings- og tvinningsprosessen gjennomgår fiberen reversible fargeendringer. Den kan brukes som en ny type føleelement for fjernoptisk måling av fibervridning. For eksempel, ved å observere fargeendringer med det blotte øye, kan man vite hvor mange omdreininger materialet har gjort i det fjerne, som er en veldig enkel sensor. "Liu Zunfeng sa at basert på prinsippet om" torsjonsvarmekjøling ", kan noen fibre også brukes til intelligente fargeskiftende stoffer.
Innleggstid: 13-jul-2023