En mer effektiv, energibesparande, grön och bärbar kylningsmetod är riktningen för människans outtröttliga utforskning. Nyligen rapporterade en onlineartikel i tidskriften Science om en ny flexibel kylningsstrategi som upptäckts av ett gemensamt forskarteam av kinesiska och amerikanska forskare – "torsionsvärmekylning". Forskargruppen fann att förändring av vridningen inuti fibrerna kan uppnå kylning. På grund av högre kyleffektivitet, mindre storlek och tillämpbarhet på olika vanliga material, har "twisted heat refrigerator" gjort baserad på denna teknik också blivit lovande.
Denna prestation kommer från den kooperativa forskningen av professor Liu Zunfengs team från State Key Laboratory of Medicinal chemistry Biology, School of Pharmacy och Key Laboratory of Functional Polymer vid utbildningsministeriet vid Nankai University, och teamet av Ray H. Baugman , professor vid Texas State University, Dallas Branch, och Yang Shixian, docent vid Nankai University.
Sänk bara temperaturen och vrid den
Enligt uppgifter från International Refrigeration Research Institute står elförbrukningen för luftkonditioneringsapparater och kylskåp i världen för närvarande för cirka 20 % av den globala elförbrukningen. Den allmänt använda principen för luftkompressionskylning har idag i allmänhet en Carnot-verkningsgrad på mindre än 60 %, och de gaser som frigörs genom traditionella kylprocesser förvärrar den globala uppvärmningen. Med den ökande efterfrågan på kylning från människor har det blivit en brådskande uppgift att utforska nya kylteorier och lösningar för att ytterligare förbättra kyleffektiviteten, minska kostnaderna och minska storleken på kylutrustning.
Naturgummi alstrar värme när det sträcks, men temperaturen kommer att minska efter indragning. Detta fenomen kallas "elastisk termisk kylning", vilket har upptäckts redan i början av 1800-talet. Men för att uppnå en bra kyleffekt måste gummit försträckas till 6-7 gånger sin egen längd och sedan dras in. Det betyder att kylning kräver stor volym. Dessutom är den nuvarande Carnot-effektiviteten för "termisk kylning" relativt låg, vanligtvis bara cirka 32 %.
Genom "torsionskylning"-tekniken sträckte forskarna den fibrösa gummielastomeren två gånger (100 % töjning), fixerade sedan båda ändarna och vred den från ena änden för att bilda en Superhelix-struktur. Därefter skedde snabb avtvinning och temperaturen på gummifibrerna minskade med 15,5 grader Celsius.
Detta resultat är högre än kyleffekten med "elastisk termisk kylning"-teknik: gummit som sträcks 7 gånger längre drar ihop sig och kyls ner till 12,2 grader Celsius. Men om gummit vrids och förlängs, och sedan släpps samtidigt, kan den "torsionella termiska kylningen" kylas ner till 16,4 grader Celsius. Liu Zunfeng sa att under samma kylningseffekt är gummivolymen för "torsionell termisk kylning" endast två tredjedelar av den för "elastisk termisk kylning" gummi, och dess Carnot-effektivitet kan nå 67%, mycket överlägsen luftprincipen kompressionskylning.
Fisklina och textillina kan också kylas
Forskare har introducerat att det fortfarande finns mycket utrymme för förbättring av gummi som ett "torsionsvärmekylningsmaterial". Gummi har till exempel en mjuk textur och kräver många vridningar för att uppnå betydande kylning. Dess värmeöverföringshastighet är långsam, och frågor som upprepad användning och materialets hållbarhet måste övervägas. Därför har utforskandet av andra "vridkylningsmaterial" blivit en viktig genombrottsriktning för forskargruppen.
Intressant nog har vi funnit att systemet med "torsionsvärmekylning" också är tillämpligt på fiske- och textillinjer. Tidigare insåg folk inte att dessa vanliga material kunde användas för kylning, sa Liu Zunfeng.
Forskarna vred först dessa stela polymerfibrer och bildade en spiralformad struktur. Att sträcka ut spiralen kan höja temperaturen, men efter att spiralen dras tillbaka sjunker temperaturen.
Experimentet fann att med hjälp av "torsionsvärmekylning"-tekniken kan polyetenflätad tråd generera ett temperaturfall på 5,1 grader Celsius, medan materialet sträcks direkt och släpps utan att nästan ingen temperaturförändring observeras. Principen för "torsionsvärmekylning" för denna typ av polyetenfiber är att under sträckningssammandragningsprocessen minskar den inre vridningen av helixen, vilket leder till förändringar i energi. Liu Zunfeng sa att dessa relativt hårda material är mer hållbara än gummifibrer, och kylningshastigheten överstiger gummi även när de sträcks mycket kort.
Forskare fann också att tillämpning av "torsionsvärmekylnings"-tekniken på nickel-titan-formminneslegeringar med högre hållfasthet och snabbare värmeöverföring resulterar i bättre kylningsprestanda, och endast en lägre vridning krävs för att uppnå en större kyleffekt.
Till exempel, genom att vrida ihop fyra nickeltitanlegeringstrådar, kan det maximala temperaturfallet efter avtvinning nå 20,8 grader Celsius, och det totala genomsnittliga temperaturfallet kan också nå 18,2 grader Celsius. Detta är något högre än den kylning på 17,0 grader Celsius som uppnås med "termisk kylning"-teknik. En kylcykel tar bara cirka 30 sekunder, sa Liu Zunfeng.
Ny teknik kan användas i kylskåp i framtiden
Baserat på "torsionsvärmekylning"-tekniken har forskare skapat en kylskåpsmodell som kan kyla rinnande vatten. De använde tre nickel titanlegeringstrådar som kylmaterial, roterande 0,87 varv per centimeter för att uppnå en kylning på 7,7 grader Celsius.
Den här upptäckten har fortfarande en lång väg kvar att gå innan kommersialiseringen av "vridna värmekylskåp", med både möjligheter och utmaningar, säger Ray Bowman. Liu Zunfeng tror att den nya kyltekniken som upptäckts i denna studie har utökat en ny sektor inom kylområdet. Det kommer att ge ett nytt sätt att minska energiförbrukningen inom kylområdet.
Ett annat specialfenomen i ”torsionsvärmekylning” är att olika delar av fibern uppvisar olika temperaturer, vilket orsakas av den periodiska fördelningen av spiralen som genereras genom att fibern vrids längs fiberns längdriktning. Forskarna belagde ytan av nickel-titanlegeringstråd med Thermochromism-beläggning för att göra "torsionskylning" färgförändrande fiber. Under tvinnings- och avtvinningsprocessen genomgår fibern reversibla färgförändringar. Den kan användas som en ny typ av avkänningselement för fjärroptisk mätning av fibertvinning. Genom att till exempel observera färgförändringar med blotta ögat kan man veta hur många varv materialet har gjort på avstånd, vilket är en mycket enkel sensor. "Liu Zunfeng sa att baserat på principen om" vridningsvärmekylning ", kan vissa fibrer också användas för intelligenta färgskiftande tyger.
Posttid: 2023-jul-13