در آینده، خنک کننده یخچال فقط ممکن است نیاز به "پیچاندن" داشته باشد.

یک روش خنک کننده کارآمدتر، صرفه جویی در انرژی، سبز و قابل حمل، جهت اکتشاف بی وقفه انسان است. اخیراً یک مقاله آنلاین در ژورنال Science در مورد یک استراتژی تبرید انعطاف پذیر جدید کشف شده توسط یک تیم تحقیقاتی مشترک از دانشمندان چینی و آمریکایی - "تبرید حرارتی پیچشی" گزارش شده است. تیم تحقیقاتی دریافتند که تغییر پیچش درون الیاف می تواند به خنک شدن منجر شود. با توجه به راندمان تبرید بالاتر، اندازه کوچکتر و قابلیت استفاده در مواد مختلف معمولی، "یخچال حرارتی پیچ خورده" ساخته شده بر اساس این فناوری نیز امیدوارکننده شده است.

این دستاورد از تحقیقات مشترک تیم پروفسور لیو زونفنگ از آزمایشگاه کلیدی دولتی زیست شناسی شیمی دارویی، دانشکده داروسازی و آزمایشگاه کلیدی پلیمر عملکردی وزارت آموزش دانشگاه نانکای و تیم ری اچ. باگمن به دست آمده است. ، استاد دانشگاه ایالتی تگزاس، شعبه دالاس، و یانگ شیشیان، دکترای دانشگاه نانکای.

فقط دما را کم کنید و آن را بچرخانید

بر اساس داده های موسسه بین المللی تحقیقات تبرید، مصرف برق کولرها و یخچال ها در جهان در حال حاضر حدود 20 درصد از مصرف برق جهانی را تشکیل می دهد. اصل پرکاربرد تبرید فشرده سازی هوا امروزه عموماً دارای راندمان کارنو کمتر از 60 درصد است و گازهای آزاد شده توسط فرآیندهای تبرید سنتی گرمایش جهانی را تشدید می کنند. با افزایش تقاضا برای تبرید توسط انسان، بررسی تئوری ها و راه حل های جدید تبرید برای بهبود بیشتر بازده تبرید، کاهش هزینه ها و کاهش اندازه تجهیزات تبرید به یک کار فوری تبدیل شده است.

لاستیک طبیعی هنگام کشش گرما تولید می کند، اما پس از جمع شدن دما کاهش می یابد. این پدیده "تبرید حرارتی الاستیک" نامیده می شود که در اوایل قرن نوزدهم کشف شد. با این حال، برای دستیابی به اثر خنک کننده خوب، لاستیک باید از قبل به 6-7 برابر طول خود کشیده شود و سپس جمع شود. این بدان معنی است که تبرید نیاز به حجم زیادی دارد. علاوه بر این، راندمان فعلی کارنو از "تبرید حرارتی" نسبتاً پایین است، معمولاً فقط حدود 32٪.

از طریق فناوری "خنک کننده پیچشی"، محققان الاستومر لاستیک فیبری را دو بار کشش دادند (100٪ کرنش)، سپس هر دو انتهای آن را ثابت کردند و آن را از یک سر پیچاندند تا ساختار Superhelix را تشکیل دهند. متعاقباً باز شدن سریع رخ داد و دمای الیاف لاستیکی 15.5 درجه سانتیگراد کاهش یافت.

این نتیجه بالاتر از اثر خنک کننده با استفاده از فناوری «تبرید حرارتی الاستیک» است: لاستیکی که 7 برابر بیشتر کشیده شده است، منقبض می شود و تا 12.2 درجه سانتیگراد خنک می شود. با این حال، اگر لاستیک پیچ خورده و کشیده شود، و سپس به طور همزمان آزاد شود، "تبرید حرارتی پیچشی" می تواند تا 16.4 درجه سانتیگراد خنک شود. لیو زونفنگ گفت که تحت همین اثر خنک کننده، حجم لاستیک «تبرید حرارتی پیچشی» تنها دو سوم لاستیک «تبرید حرارتی الاستیک» است و راندمان کارنو آن می تواند به 67٪ برسد، بسیار برتر از اصل هوا. تبرید تراکمی

خط ماهیگیری و خط نساجی نیز می توانند خنک شوند

محققان معرفی کرده اند که هنوز جای زیادی برای بهبود در لاستیک به عنوان ماده «تبرید حرارتی پیچشی» وجود دارد. به عنوان مثال، لاستیک بافت نرمی دارد و برای رسیدن به خنک کننده قابل توجه نیاز به پیچ و تاب های زیادی دارد. سرعت انتقال حرارت آن کند است و مواردی مانند استفاده مکرر و دوام مواد باید در نظر گرفته شود. بنابراین، کاوش سایر مواد «تبرید پیچشی» به یک مسیر مهم برای تیم تحقیقاتی تبدیل شده است.

جالب توجه است، ما دریافتیم که طرح "خنک کننده حرارتی پیچشی" برای خطوط ماهیگیری و نساجی نیز قابل اجرا است. لیو زونفنگ گفت: قبلاً مردم نمی دانستند که می توان از این مواد معمولی برای خنک کردن استفاده کرد.

محققان ابتدا این الیاف پلیمری سفت و سخت را پیچانده و ساختار مارپیچی را تشکیل دادند. کشش مارپیچ می تواند دما را افزایش دهد، اما پس از جمع کردن مارپیچ، دما کاهش می یابد.

این آزمایش نشان داد که با استفاده از فناوری «خنک‌سازی حرارتی پیچشی»، سیم بافته‌شده پلی‌اتیلن می‌تواند افت دما 5.1 درجه سانتی‌گراد ایجاد کند، در حالی که این ماده مستقیماً کشیده شده و آزاد می‌شود و تقریباً هیچ تغییر دما مشاهده نمی‌شود. اصل "خنک کننده حرارتی پیچشی" این نوع الیاف پلی اتیلن این است که در طی فرآیند انقباض کششی، پیچش داخلی مارپیچ کاهش می یابد و منجر به تغییر در انرژی می شود. لیو زونفنگ گفت که این مواد نسبتاً سخت از الیاف لاستیکی بادوام‌تر هستند و سرعت خنک‌کنندگی از لاستیک حتی زمانی که خیلی کوتاه کشیده می‌شوند بیشتر است.

محققان همچنین دریافتند که استفاده از فناوری «خنک‌سازی حرارتی پیچشی» برای آلیاژهای حافظه‌دار نیکل تیتانیوم با استحکام بالاتر و انتقال حرارت سریع‌تر منجر به عملکرد خنک‌کننده بهتر می‌شود و برای دستیابی به اثر خنک‌کنندگی بیشتر، فقط پیچش کمتری لازم است.

به عنوان مثال، با چرخاندن چهار سیم آلیاژ تیتانیوم نیکل به یکدیگر، حداکثر افت دما پس از باز کردن می تواند به 20.8 درجه سانتیگراد برسد و میانگین کلی افت دما نیز می تواند به 18.2 درجه سانتیگراد برسد. این مقدار کمی بالاتر از خنک کننده 17.0 درجه سانتیگراد است که با استفاده از فناوری "تبرید حرارتی" به دست آمده است. لیو زونفنگ گفت: یک چرخه تبرید فقط حدود 30 ثانیه طول می کشد.

فناوری جدید را می توان در آینده در یخچال ها استفاده کرد

بر اساس فناوری «تبرید حرارتی پیچشی»، محققان مدلی از یخچال ایجاد کرده‌اند که می‌تواند آب جاری را خنک کند. آنها از سه سیم آلیاژ تیتانیوم نیکل به عنوان مواد خنک کننده استفاده کردند که با چرخش 0.87 دور در سانتی متر به خنک سازی 7.7 درجه سانتیگراد دست یافتند.

ری بومن می‌گوید: این کشف هنوز راه زیادی تا تجاری‌سازی «یخچال‌های حرارتی پیچ خورده» با فرصت‌ها و چالش‌ها دارد. لیو زونفنگ معتقد است که فناوری جدید تبرید کشف شده در این مطالعه، بخش جدیدی را در زمینه تبرید گسترش داده است. راه جدیدی برای کاهش مصرف انرژی در زمینه تبرید ارائه خواهد کرد.

یکی دیگر از پدیده‌های خاص در "تبرید حرارتی پیچشی" این است که بخش‌های مختلف الیاف دماهای متفاوتی را نشان می‌دهند، که ناشی از توزیع دوره‌ای مارپیچ تولید شده از چرخاندن فیبر در جهت طول فیبر است. محققان سطح سیم آلیاژ تیتانیوم نیکل را با پوشش Thermochromism پوشاندند تا فیبر تغییر رنگ "خنک کننده پیچشی" را ایجاد کنند. در طول فرآیند پیچ ​​و تاب، فیبر دچار تغییرات رنگ برگشت پذیر می شود. می توان از آن به عنوان نوع جدیدی از عنصر حسگر برای اندازه گیری نوری از راه دور پیچش فیبر استفاده کرد. به عنوان مثال با مشاهده تغییرات رنگ با چشم غیرمسلح می توان متوجه شد که این ماده چند دور در فاصله دور انجام داده است که یک حسگر بسیار ساده است. لیو زونفنگ گفت که بر اساس اصل "خنک کننده حرارتی پیچشی"، می توان از برخی الیاف برای پارچه های هوشمند تغییر رنگ نیز استفاده کرد.