Tulevaisuudessa jääkaapin jäähdytystä tarvitsee ehkä vain "kierrellä"

Tehokkaampi, energiaa säästävä, vihreä ja kannettava jäähdytysmenetelmä on ihmisen hellittämättömän tutkimuksen suunta.Äskettäin Science-lehdessä julkaistussa online-artikkelissa kerrottiin kiinalaisten ja amerikkalaisten tutkijoiden yhteisen tutkimusryhmän löytämästä uudesta joustavasta jäähdytysstrategiasta - "vääntölämpöjäähdytyksestä".Tutkimusryhmä havaitsi, että kuitujen sisällä olevan kierteen muuttaminen voi saada aikaan jäähdytystä.Paremman jäähdytystehokkuuden, pienemmän koon ja erilaisiin tavallisiin materiaaleihin soveltuvuuden ansiosta myös tähän tekniikkaan perustuva ”twisted heat -jääkaappi” on tullut lupaavaksi.

Tämä saavutus on peräisin Professori Liu Zunfengin tutkimusryhmän yhteistyöstä, jonka ovat suorittaneet lääkekemian biologian osavaltion lääkekemian biologian laboratorio, farmasian korkeakoulu ja Nankai-yliopiston opetusministeriön funktionaalisten polymeerien avainlaboratorio sekä Ray H. Baugmanin tiimi. , Texas State Universityn Dallas Branchin professori ja Nankai-yliopiston dosentti Yang Shixian.

Laske vain lämpötilaa ja kierrä sitä

International Refrigeration Research Instituten tietojen mukaan ilmastointilaitteiden ja jääkaappien sähkönkulutus maailmassa on tällä hetkellä noin 20 % maailman sähkönkulutuksesta.Nykyään laajasti käytetyn paineilmajäähdytyksen periaatteen Carnot-hyötysuhde on yleensä alle 60 % ja perinteisistä jäähdytysprosesseista vapautuvat kaasut pahentavat ilmaston lämpenemistä.Ihmisten jäähdytystarpeen lisääntyessä uusien jäähdytysteorioiden ja -ratkaisujen tutkiminen jäähdytystehokkuuden parantamiseksi, kustannusten pienentämiseksi ja jäähdytyslaitteiden koon pienentämiseksi on tullut kiireellisiksi tehtäväksi.

Luonnonkumi tuottaa lämpöä venyessään, mutta lämpötila laskee sisäänvetämisen jälkeen.Tätä ilmiötä kutsutaan "elastiseksi lämpöjäähdytykseksi", joka on havaittu jo 1800-luvun alussa.Hyvän jäähdytysvaikutuksen saavuttamiseksi kumia on kuitenkin esivenytettävä 6-7-kertaiseksi omaan pituuteensa ja sen jälkeen vedettävä sisään.Tämä tarkoittaa, että jäähdytys vaatii suuren tilavuuden.Lisäksi "lämpöjäähdytyksen" nykyinen Carnot-hyötysuhde on suhteellisen alhainen, yleensä vain noin 32%.

Vääntöjäähdytystekniikan avulla tutkijat venyttivät kuitukumielastomeeriä kahdesti (100 % venymä), kiinnittivät sitten molemmat päät ja kiersivät sitä toisesta päästään muodostaen Superhelix-rakenteen.Tämän jälkeen tapahtui nopea kiertyminen ja kumikuitujen lämpötila laski 15,5 celsiusastetta.

Tämä tulos on suurempi kuin jäähdytysvaikutus käyttämällä elastista lämpöjäähdytystekniikkaa: 7 kertaa pidempään venytetty kumi kutistuu ja jäähtyy 12,2 celsiusasteeseen.Kuitenkin, jos kumia kierretään ja venytetään ja sitten vapautetaan samanaikaisesti, "torsionaalinen lämpöjäähdytys" voi jäähtyä 16,4 celsiusasteeseen.Liu Zunfeng sanoi, että samalla jäähdytysvaikutuksella "torsionaalisen lämpöjäähdytyksen" kumitilavuus on vain kaksi kolmasosaa "elastisen lämpöjäähdytyksen" kumin tilavuudesta, ja sen Carnot-tehokkuus voi olla 67 %, mikä on paljon parempi kuin ilman periaate. kompressiojäähdytys.

Siima ja tekstiilisiima voidaan myös jäähdyttää

Tutkijat ovat esittäneet, että kumissa on vielä paljon parantamisen varaa "vääntölämmön jäähdytysmateriaalina".Esimerkiksi kumilla on pehmeä rakenne ja se vaatii monia käänteitä saavuttaakseen merkittävän jäähdytyksen.Sen lämmönsiirtonopeus on hidas, ja seikat, kuten toistuva käyttö ja materiaalin kestävyys, on otettava huomioon.Siksi muiden "torsionaalisen jäähdytyksen" materiaalien tutkimisesta on tullut tärkeä läpimurtosuunta tutkimusryhmälle.

Mielenkiintoista on, että olemme havainneet, että "torsionaalinen lämpöjäähdytys" soveltuu myös kalastus- ja tekstiilisiimoihin.Aikaisemmin ihmiset eivät tienneet, että näitä tavallisia materiaaleja voidaan käyttää jäähdytykseen, Liu Zunfeng sanoi.

Tutkijat kiertivät ensin nämä jäykät polymeerikuidut ja muodostivat kierteisen rakenteen.Heliksin venyttäminen voi nostaa lämpötilaa, mutta kierteen sisäänvedon jälkeen lämpötila laskee.

Kokeessa havaittiin, että käyttämällä "vääntölämpöjäähdytys"-tekniikkaa polyeteenistä punottu lanka voi aiheuttaa 5,1 celsiusasteen lämpötilan pudotuksen, kun taas materiaalia venytetään ja vapautetaan suoraan ilman lämpötilan muutosta.Tämän tyyppisten polyeteenikuitujen 'vääntölämpöjäähdytyksen' periaate on, että venyvän supistumisprosessin aikana heliksin sisäinen kierre vähenee, mikä johtaa energian muutoksiin.Liu Zunfeng sanoi, että nämä suhteellisen kovat materiaalit ovat kestävämpiä kuin kumikuidut, ja jäähdytysnopeus ylittää kumin jopa hyvin lyhyeksi venytettynä.

Tutkijat havaitsivat myös, että "torsional lämpöjäähdytys" -tekniikan soveltaminen nikkelititaanin muotoisiin muistiseoksiin, joilla on suurempi lujuus ja nopeampi lämmönsiirto, johtaa parempaan jäähdytystehoon, ja vain pienempää kierrettä tarvitaan suuremman jäähdytysvaikutuksen saavuttamiseksi.

Esimerkiksi kiertämällä neljä nikkelititaaniseoksesta valmistettua lankaa yhteen, maksimilämpötilan pudotus purkamisen jälkeen voi olla 20,8 celsiusastetta ja myös keskimääräinen lämpötilan pudotus voi olla 18,2 celsiusastetta.Tämä on hieman korkeampi kuin 17,0 celsiusasteen jäähdytys, joka saadaan aikaan "lämpöjäähdytys"-tekniikalla.Yksi jäähdytysjakso kestää vain noin 30 sekuntia, Liu Zunfeng sanoi.

Uutta teknologiaa voidaan tulevaisuudessa käyttää jääkaapeissa

"Torsional lämpöjäähdytys" -tekniikan perusteella tutkijat ovat luoneet jääkaappimallin, joka voi jäähdyttää virtaavaa vettä.He käyttivät jäähdytysmateriaalina kolmea nikkelititaaniseoksesta valmistettua lankaa, jotka pyörivät 0,87 kierrosta senttimetriä kohti 7,7 celsiusasteen jäähdytyksen saavuttamiseksi.

Tällä löydöllä on vielä pitkä matka ennen "kierrettyjen lämpöjääkaappien" kaupallistamista, ja siinä on sekä mahdollisuuksia että haasteita, Ray Bowman sanoi.Liu Zunfeng uskoo, että tässä tutkimuksessa löydetty uusi jäähdytystekniikka on laajentanut uutta sektoria jäähdytysalalla.Se tarjoaa uuden tavan vähentää energiankulutusta jäähdytysalalla.

Toinen erityinen ilmiö "vääntölämpöjäähdytyksessä" on, että kuidun eri osissa on erilaisia ​​lämpötiloja, mikä johtuu kuitua kiertämällä syntyvän kierteen jaksoittaisesta jakautumisesta kuidun pituussuuntaan.Tutkijat pinnoittivat nikkelititaaniseoslangan pinnan Thermochromism-pinnoitteella tehdäkseen "vääntöjäähdytyksen" väriä muuttavan kuidun.Kierrätys- ja irrotusprosessin aikana kuidun väri muuttuu palautuvasti.Sitä voidaan käyttää uudenlaisena anturielementtinä kuidun kierteen optiseen etämittaukseen.Esimerkiksi paljaalla silmällä värinmuutoksia tarkkailemalla voi tietää kuinka monta kierrosta materiaali on tehnyt etäisyydellä, mikä on hyvin yksinkertainen anturi."Liu Zunfeng sanoi, että "vääntölämpöjäähdytyksen" periaatteen perusteella joitain kuituja voidaan käyttää myös älykkäissä värinvaihtokankaissa.