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南方还在高温?要不试试“扭一扭”制冷法

原2019.10.18中国科学博览会我想分享

On 《Science》,10月11日在线发布,南开大学药物化学与生物学国家重点实验室、药学院、功能高分子教育重点实验室的刘祖峰教授和犹他州达拉斯的雷包曼教授领导的国际研究团队报道了一种新的柔性制冷策略“扭转热制冷” 研究小组发现,加捻纤维可以产生热量,而退捻纤维可以显着降低温度。 由于其制冷效率较高、体积较小,适用于天然橡胶、钓鱼线、镍钛合金等常见材料,用该方法制造的“扭热冰箱”具有广阔的前景。

照片来源:论文截图

科学家们为了炸掉空和吃冰淇淋而心碎。

在夏天,许多人会感慨,“今生今世是空” 根据国际制冷研究所的统计,目前世界上使用空谐波冰箱消耗的电力约占全球电力消耗的20%,随着地球变暖和发展中国家对制冷的需求增加,电力消耗将继续增加。 目前空调制冷却广泛应用于空气体压缩原理,其卡诺效率,卡诺循环(可逆循环)下热机高温和低温之间的效率,一般低于60% 另一方面,传统冰箱在制冷过程中释放的气体加剧了全球变暖

此外,目前还有其他制冷技术 如果橡皮筋被拉伸,它会升温并收缩回较低的温度。这种现象被称为弹性热制冷。 还有新的制冷方案,如电热制冷、磁热制冷和镍钛合金形状记忆材料。例如,电加热制冷技术用于汽车上的小冰箱。 然而,这些制冷技术的卡诺效率不超过空气体压缩制冷技术。 早在19世纪初就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非常长的尺寸,这将对空之间的尺寸有很高的要求

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。

制冷可以通过扭转来实现吗?灵感可能不是来自“扭转”

“扭转热制冷”。加捻橡胶纤维会产生不同的结构:从左到右分别是加捻、部分螺旋、全螺旋和超螺旋 橡胶直径:2.5毫米,预拉伸应变:200% (资料来源:科学,2019年,366年,216年,背景去除) )

通过“扭曲热制冷”技术,人们只有解开扭曲才能实现制冷 初步实验证实,“扭曲热制冷”技术的卡诺效率可达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。

使用橡皮筋进行“弹性制冷”需要将它拉伸到自身长度的6到7倍,然后再收缩回来。 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,并从一端将其扭曲,形成一个超级螺旋结构。 橡胶纤维被拉伸两次(100%应变),然后迅速释放。 研究人员发现橡胶纤维的温度可以降低15.5摄氏度。 这比使用“弹性热冷却”技术的冷却节省了体积并具有更好的冷却效果。 拉伸7次后,橡胶收缩并冷却至12.2摄氏度。 如果伸长和扭转都被释放,“扭转热制冷”方法可以将温度降低到16.4摄氏度。 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%

“扭转热制冷”期间天然橡胶纤维显示的温度变化 橡胶直径为2.2毫米 (图片来源:科学,2019,366,216)

钓鱼线也可以酷吗?效率相当高。

研究人员表示,橡胶作为一种“扭曲热制冷”材料,仍有许多改进空间空 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,研究人员发现“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。

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,聚乙烯编织线通过使用“扭转热制冷”技术可以产生5.1摄氏度的冷却效果,而当材料被直接拉伸/释放时,观察不到温度变化。 在拉伸收缩过程中,聚乙烯纤维螺旋内部的扭曲减少,导致能量变化。 这些相对较硬的材料比橡胶纤维更耐用,在短拉伸条件下,冷却速度超过橡胶。

用于“扭转热冷却”的钓鱼线 尼龙-6纤维拉丝,自螺旋(顶部)和中等空缠绕螺旋和固化(底部) 纤维直径为0.6毫米 标尺:1.0毫米(顶部)和2.0毫米(底部) (资料来源:科学,2019年,366年,216年)

研究人员还发现,将“扭转热冷却”技术应用于强度更高、传热更快的NiTi形状记忆合金,冷却效果更好,只需较低的扭转就能获得更大的冷却效果。

研究人员将四根NiTi合金丝绞在一起,解开后的最大降温点可达20.8℃,整体平均降温也可达18.2℃ 这略高于使用“炸弹热制冷”技术实现的17.0摄氏度的降温 制冷循环只需要大约30秒

研究人员还创建了一个基于“扭曲热制冷”技术的冰箱模型来冷却流动的水 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。

“扭转热制冷”冰箱型号 使用NiTi合金丝或弹性体纤维的“扭转热制冷”装置可以冷却流动的水(图片来源:科学,2019,366,216)

“反向扭转热制冷”效应和“扭转热制冷”变色

使用钓鱼线的“扭转热制冷”现象一般是:拉伸加热和收缩冷却 然而,如果使用相反的扭转和螺旋方向,研究人员可以实现拉伸制冷。

扭曲纤维并将其缠绕成螺旋形。如果纤维的扭转方向与准备好的螺旋方向相反,它可以制成“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

扭转根纤维后制备的反向螺旋(左)和正向螺旋(右)的示意图(图片来源:科学,2014,343,868-872)

“扭转热制冷”有另一个特殊现象,即纤维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。

“扭转热制冷”的周期性温度分布 拉伸后(上图)和拉伸后(下图)释放的螺旋结构天然橡胶纤维的红外和光学图像 红色意味着加热,蓝色意味着冷却 (图片来源:科学,2019,366,216)

添加涂层,你也可以知道材料扭曲了多少圈,温度下降了多少度?

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。 基于“扭转热冷却”的原理,一些纤维也可用于智能变色织物。 例如,通过稍微拉长光纤并改变其颜色,它可以向远处的人发送信号,并传输各种信息,如危险信号、需要帮助、是否可以通行等。 它被制成衣服,通过长度的变化来改变颜色,就像鸟的羽毛可以改变颜色,成为时尚的装饰品或衣服等。

“扭转热制冷”变色纤维 热变色涂层缠绕和未缠绕NiTi合金丝的变色图像 (图片来源:科学,2019,366,216)

这些初步发现离“扭热冰箱”的商业化还有很长的路要走,也有很多机遇和挑战。 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。 潜在的机会包括使用商用材料和进一步优化“扭曲热制冷”材料,以实现最佳性能。

本研究发现的新制冷技术为制冷领域拓展了一个新的领域,并将为制冷领域降低能耗提供一种新的途径。

Production:Popular Science China

Production:Liu Zunfeng(南开大学)

Supervised by:computer network information center

这篇文章原本是第一作者写的,未经授权不得转载于10月11日网上发布的《Science》

Collection Report Communication

on 。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尊峰教授和达拉斯德克萨斯州立大学雷鲍格曼教授领导的国际研究团队报告了一种新的柔性制冷策略“扭转热制冷” 研究小组发现,加捻纤维可以产生热量,而退捻纤维可以显着降低温度。 由于其制冷效率较高、体积较小,适用于天然橡胶、钓鱼线、镍钛合金等常见材料,用该方法制造的“扭热冰箱”具有广阔的前景。

照片来源:该论文的截屏

科学家们伤透了他们的心,这样你就可以炸掉空并吃冰淇淋。

夏天,许多人会感慨,“今生今世是空” 根据国际制冷研究所的统计,目前世界上使用空谐波冰箱消耗的电力约占全球电力消耗的20%,随着地球变暖和发展中国家对制冷的需求增加,电力消耗将继续增加。 目前空调制冷却广泛应用于空气体压缩原理,其卡诺效率,卡诺循环(可逆循环)下热机高温和低温之间的效率,一般低于60% 另一方面,传统冰箱在制冷过程中释放的气体加剧了全球变暖

此外,目前还有其他制冷技术 如果橡皮筋被拉伸,它会升温并收缩回较低的温度。这种现象被称为弹性热制冷。 还有新的制冷方案,如电热制冷、磁热制冷和镍钛合金形状记忆材料。例如,电加热制冷技术用于汽车上的小冰箱。 然而,这些制冷技术的卡诺效率不超过空气体压缩制冷技术。 早在19世纪初就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非常长的尺寸,这将对空之间的尺寸有很高的要求

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。

制冷可以通过扭转来实现吗?灵感可能不是来自“扭曲”

“扭转热制冷”中,扭转橡胶纤维将产生不同的结构:从左到右分别是扭转、部分螺旋、全螺旋和超螺旋 橡胶直径:2.5毫米,预拉伸应变:200% (资料来源:科学,2019年,366年,216年,背景去除) )

通过“扭曲热制冷”技术,人们只有解开扭曲才能实现制冷 初步实验证实,“扭曲热制冷”技术的卡诺效率可达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。

使用橡皮筋进行“弹性冷却”。你需要把它拉伸到自身长度的6到7倍,然后再收缩回来 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。 橡胶纤维被拉伸两次(100%应变),然后迅速释放。 研究人员发现橡胶纤维的温度可以降低15.5摄氏度。 这比使用“弹性热冷却”技术的冷却节省了体积并具有更好的冷却效果。 拉伸7次后,橡胶收缩并冷却至12.2摄氏度。 如果伸长和扭转都被释放,“扭转热制冷”方法可以将温度降低到16.4摄氏度。 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%

“扭转热制冷”期间天然橡胶纤维显示的温度变化 橡胶直径为2.2毫米 (图片来源:科学,2019,366,216)

钓鱼线也可以酷吗?研究人员称,橡胶作为一种“扭曲的热制冷”材料,其效率相当高,仍有很大的改进空间空 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,研究人员发现“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。

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,采用“扭转热冷却”技术,聚乙烯编织线可以产生5.1摄氏度的冷却效果,而当材料直接拉伸/释放时,观察不到温度变化。 在拉伸收缩过程中,聚乙烯纤维螺旋内部的扭曲减少,导致能量变化。 这些相对较硬的材料比橡胶纤维更耐用,在短拉伸条件下,冷却速度超过橡胶。

用于“扭转热冷却”的钓鱼线 尼龙-6纤维拉丝,自螺旋(顶部)和中等空缠绕螺旋和固化(底部) 纤维直径为0.6毫米 标尺:1.0毫米(顶部)和2.0毫米(底部) (照片来源:Science,2019,366,216)

研究人员还发现,当“扭转热冷却”技术应用于强度更高、传热更快的NiTi形状记忆合金时,冷却效果更好,只需较低的扭转即可获得更大的冷却效果。

研究人员将四根NiTi合金丝绞在一起,解开后的最大降温点可达20.8℃,整体平均降温也可达18.2℃ 这略高于使用“炸弹热制冷”技术实现的17.0摄氏度的降温 制冷循环只需要大约30秒

研究人员还创建了一个基于“扭曲热制冷”技术的冰箱模型来冷却流动的水。 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。

“扭转热制冷”冰箱型号 使用NiTi合金丝或弹性体纤维的“扭转热制冷”装置可以冷却流动的水(图片来源:科学,2019,366,216)

“反向扭转热制冷”效应和“扭转热制冷”变色

使用钓鱼线的“扭转热制冷”现象一般是:拉伸加热和收缩冷却 然而,如果使用相反的扭转和螺旋方向,研究人员可以实现拉伸制冷。

扭曲纤维并将其缠绕成螺旋形。如果纤维的扭转方向与准备好的螺旋方向相反,它可以制成“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

光纤后制备的反向螺旋(左)和正向螺旋(右)示意图(图片来源:科学,2014,343,868-872)

“扭转热制冷”还有另一个特殊现象,即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。

“扭转热制冷”的周期性温度分布 拉伸后(上图)和拉伸后(下图)释放的螺旋结构天然橡胶纤维的红外和光学图像 红色意味着加热,蓝色意味着冷却 (图片来源:科学,2019,366,216)

添加涂层,你也可以知道材料扭曲了多少圈,温度下降了多少度?

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。 基于“扭转热冷却”的原理,一些纤维也可用于智能变色织物。 例如,通过稍微拉长光纤并改变其颜色,它可以向远处的人发送信号,并传输各种信息,如危险信号、需要帮助、是否可以通行等。 做在衣服上,通过长度的变化来改变颜色,就像鸟儿的羽毛可以改变颜色,成为时髦的装饰品或衣服等。

“扭转热制冷”变色纤维 热变色涂层缠绕和未缠绕NiTi合金丝的变色图像 (资料来源:科学,2019年,366年,216年)

在“扭热冰箱”商业化之前,这些初步发现还有很长的路要走,同时也有许多机遇和挑战。 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。 潜在的机会包括使用商用材料和进一步优化“扭曲热制冷”材料,以实现最佳性能。

本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,并将为制冷领域降低能耗提供一种新的途径。

Production:Popular Science China

Production:Liu Zunfeng(南开大学)

Supervised by:computer network information center

这篇文章原本是第一作者写的,未经授权不得转载



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