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南开大学团队研获新型柔性制冷方式“扭热制冷”

来源:槎水新闻网 日期:2019-11-12 18:26:37 人气:2010

中国青年报-中国青年网记者胡春燕记者吴俊辉

更高效、节能、绿色和便携式制冷是科学家们一直在探索的方向。10月11日在线发表在《科学》杂志上的一篇文章报道了由中国南开大学和达拉斯德克萨斯州立大学的国际联合研究团队开发的一种新的柔性制冷策略——“扭转热制冷”。

他们发现通过改变纤维内部的捻度可以降低温度。用这种方法制造的“扭曲冰箱”制冷效率更高,体积更小,更环保。

这一发现来自南开大学药学院药物化学与生物学国家重点实验室、功能高分子教育重点实验室刘祖峰教授团队和达拉斯德克萨斯州立大学教授、南开大学杨石先教授雷·包曼团队的合作研究。刘尊峰和雷·鲍曼是论文的共同作者,南开大学是论文的第一单元。

根据国际制冷研究所的统计,空调和冰箱制冷消耗的电力约占世界电力消耗的20%。现今广泛使用的空气压缩制冷的卡诺效率通常低于60%。传统冰箱在制冷过程中释放的气体加剧了全球变暖。随着人类对制冷需求的增加,探索新的制冷理论和方案以进一步提高制冷效率、降低成本和减小制冷设备的尺寸已成为当务之急。

收缩后,拉伸橡胶带会升温,温度会降低。这种现象被称为“弹性热冷却”。其他固态制冷技术包括电加热制冷、磁热制冷和NiTi合金形状记忆材料等新方案。然而,这些制冷技术的卡诺效率并没有超过空气压缩制冷技术。

早在19世纪初,就已经发现了基于天然橡胶的弹性水热制冷。然而,为了获得更好的冷却效果,橡胶需要预先拉伸到很长的尺寸。通过“扭转热制冷”技术,人们只需要解开它。“初步实验已经证实‘扭转热制冷’技术的卡诺效率可以达到67%。这意味着通过使用橡胶和钓鱼线等普通材料进行制冷,有望获得更高的卡诺效率,从而节省更多电能,降低制冷成本。”刘尊锋说道。

使用橡皮筋进行“弹性制冷”需要将其拉伸到自身长度的6到7倍,然后再将其收缩。这意味着制冷需要很大的体积。此外,“弹性制冷”的卡诺效率相对较低,通常只有32%左右。能否开发新的制冷方法来提高效率和减少体积是研究人员面临的一个难题。

研究人员固定了纤维橡胶弹性体的两端,然后从一端将其扭曲,形成一个超级螺旋结构。拉伸橡胶纤维两次,然后迅速松开。研究人员发现橡胶纤维的温度可以降低15.5摄氏度。

“这一结果高于使用‘弹性热制冷’技术的降温效果:橡胶收缩了7倍,达到12.2摄氏度。如果伸长和扭曲都被释放,“扭曲热制冷”可以将温度降低到16.4摄氏度。”刘尊峰表示,在同样的冷却效果下,“扭转热制冷”的体积仅为“弹性热制冷”的2/7,“扭转热制冷”的卡诺效率可达67%。

研究人员表示,橡胶作为一种“扭曲热制冷”材料,仍有很大的改进空间。例如,橡胶质地柔软,需要多次转动才能获得明显的冷却效果。其传热速度慢,需要考虑材料的重复使用和耐久性问题。因此,探索“扭曲热制冷”的其他材料已成为研究团队的一个重要突破方向。

“有趣的是,我们发现‘扭转热冷却’方案也适用于钓鱼线和纺织线。以前,人们没有意识到这些普通材料可以用于制冷。”刘尊锋说道。

研究人员首先扭曲这些刚性聚合物纤维,形成螺旋结构。这种聚合物纤维的螺旋结构也被用来制造强壮的“人造肌肉”拉伸螺杆可以提高温度,螺杆缩回后温度降低。

实验发现,聚乙烯编织线使用“扭转热制冷”技术可以产生5.1摄氏度的温度下降,而当材料被直接拉伸/释放时,观察不到温度变化。"这种聚乙烯纤维的“扭曲热制冷”原理是螺旋内部的扭曲在拉伸收缩过程中减小,导致能量的变化."刘尊峰说,这些相对较硬的材料比橡胶纤维更耐用,在短时间拉伸的情况下,冷却速度超过橡胶。

研究人员还发现,当“扭转热制冷”技术应用于强度更高、传热更快的镍钛形状记忆合金时,制冷效果更好,只需较低的扭转即可获得较大的冷却。

研究人员将四根NiTi合金线缠绕在一起。解捻后,最大降温点可达20.8摄氏度,整体平均降温也可达18.2摄氏度。刘尊峰说,“这比使用“炸弹热制冷”技术实现的17.0摄氏度的降温略高。制冷循环只需要大约30秒。研究人员还制作了一个基于“扭曲热制冷”技术的冰箱模型,可以冷却流动的水。他们使用三根NiTi合金线作为冷却材料,每厘米旋转0.87圈,可以实现7.7摄氏度的冷却。

一般来说,使用钓鱼线时的“扭热和冷”现象是:拉伸升温,收缩降温。“通过使用相反的扭转和螺旋方向,我们可以实现拉伸制冷。这种现象很奇怪。”雷·鲍曼说。

纤维被缠绕成螺旋状。如果纤维的扭转方向与准备好的螺旋相反,就可以制成“反向螺旋”。不同于传统的“扭转热制冷”效应,这种橡胶弹性体和钓鱼线的“反向螺旋”结构在拉伸时会冷却下来。这种新现象被称为“反向扭转热制冷”效应。

“扭转热制冷”中的另一个特殊现象是光纤的不同部分显示不同的温度(在红外成像仪中,将发现温度上升显示为红色,温度下降显示为蓝色)。这是由于纤维扭曲产生的螺旋线沿纤维长度的周期性分布。

研究人员在NiTi合金丝表面涂上热变色涂层,可制成“扭曲热制冷”变色纤维。在加捻和退捻过程中,纤维会发生可逆的颜色变化。“它可以作为一种新的传感元件用于光纤扭转的远程光学测量。例如,通过肉眼观察颜色的变化,你可以知道远处的物质已经转了几圈。这是一个非常简单的传感器。”刘尊峰表示,一些基于“扭转热冷却”原理的纤维也可以用于智能变色面料。

“这些初步发现离‘扭热冰箱’的商业化还有很长的路要走,而且还有很多机遇和挑战,”雷·鲍曼说。“这些挑战包括开发新的设备和材料来提高循环寿命,以及合理使用输入功率来提高效率。潜在的机会包括进一步优化“扭曲热制冷”材料,以获得最佳性能,以及使用商用材料。”

刘尊峰认为,这项研究中发现的新制冷技术为制冷领域拓展了一个新的领域。这将为制冷领域降低能耗提供一种新的途径。

据悉,清华大学、武汉大学、乔治亚南方大学、清华大学深圳国际研究生院、林德科(美国)研究中心、巴西坎皮纳斯州立大学、天津理工大学、辽宁科技大学、中国药科大学等单位参加了此次研究。

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