Een efficiëntere, energiebesparende, groene en draagbare koelmethode is de richting van menselijke, niet-aflatende verkenning.Onlangs werd in een online artikel in het tijdschrift Science gerapporteerd over een nieuwe flexibele koelstrategie ontdekt door een gezamenlijk onderzoeksteam van Chinese en Amerikaanse wetenschappers: ‘torsiewarmtekoeling’.Het onderzoeksteam ontdekte dat het veranderen van de draaiing in de vezels tot koeling kan leiden.Vanwege de hogere koelefficiëntie, het kleinere formaat en de toepasbaarheid op verschillende gewone materialen, is de op deze technologie gebaseerde "twisted heat-koelkast" ook veelbelovend geworden.
Deze prestatie is het resultaat van het gezamenlijke onderzoek van professor Liu Zunfeng's team van het State Key Laboratory of Medicinal Chemistry Biology, School of Pharmacy en het Key Laboratory of Functional Polymer van het Ministerie van Onderwijs van de Nankai Universiteit, en het team van Ray H. Baugman , professor aan de Texas State University, Dallas Branch, en Yang Shixian, docent aan de Nankai University.
Verlaag gewoon de temperatuur en draai eraan
Volgens gegevens van het International Refrigeration Research Institute is het elektriciteitsverbruik van airconditioners en koelkasten in de wereld momenteel goed voor ongeveer 20% van het mondiale elektriciteitsverbruik.Het veelgebruikte principe van luchtcompressiekoeling heeft tegenwoordig over het algemeen een Carnot-rendement van minder dan 60%, en de gassen die vrijkomen bij traditionele koelprocessen verergeren de opwarming van de aarde.Met de toenemende vraag naar koeling door mensen is het onderzoeken van nieuwe koeltheorieën en oplossingen om de koelefficiëntie verder te verbeteren, de kosten te verlagen en de omvang van koelapparatuur te verkleinen een dringende taak geworden.
Natuurlijk rubber genereert warmte wanneer het wordt uitgerekt, maar de temperatuur daalt na het intrekken.Dit fenomeen wordt ‘elastische thermische koeling’ genoemd en werd al in het begin van de 19e eeuw ontdekt.Om een goed koeleffect te bereiken, moet het rubber echter tot 6-7 keer zijn eigen lengte worden voorgerekt en vervolgens worden teruggetrokken.Dit betekent dat voor koeling een groot volume nodig is.Bovendien is het huidige Carnot-rendement van “thermische koeling” relatief laag, doorgaans slechts ongeveer 32%.
Door middel van de ‘torsiekoeling’-technologie hebben de onderzoekers het vezelachtige rubberelastomeer twee keer uitgerekt (100% rek), vervolgens beide uiteinden gefixeerd en vanaf het ene uiteinde gedraaid om een Superhelix-structuur te vormen.Vervolgens vond een snelle onttwisting plaats en daalde de temperatuur van de rubbervezels met 15,5 graden Celsius.
Dit resultaat is groter dan het koeleffect bij 'elastische thermische koeling'-technologie: het rubber dat 7 keer langer wordt uitgerekt, trekt samen en koelt af tot 12,2 graden Celsius.Als het rubber echter wordt gedraaid en uitgerekt, en vervolgens tegelijkertijd wordt losgelaten, kan de 'torsionele thermische koeling' afkoelen tot 16,4 graden Celsius.Liu Zunfeng zei dat onder hetzelfde koeleffect het rubbervolume van 'torsionele thermische koeling' slechts tweederde bedraagt van dat van 'elastische thermische koeling'-rubber, en dat de Carnot-efficiëntie 67% kan bereiken, veel beter dan het principe van lucht compressiekoeling.
Vislijn en textiellijn kunnen ook gekoeld worden
Onderzoekers hebben geïntroduceerd dat er nog steeds veel ruimte is voor verbetering in rubber als materiaal voor “torsiewarmtekoeling”.Rubber heeft bijvoorbeeld een zachte textuur en vereist veel draaiingen om aanzienlijke koeling te bereiken.De snelheid van de warmteoverdracht is laag en er moet rekening worden gehouden met zaken als herhaald gebruik en de duurzaamheid van het materiaal.Daarom is het onderzoeken van andere materialen voor ‘torsiekoeling’ een belangrijke doorbraak voor het onderzoeksteam geworden.
Interessant is dat we hebben ontdekt dat het 'torsiewarmtekoeling'-schema ook toepasbaar is op vis- en textiellijnen.Voorheen realiseerden mensen zich niet dat deze gewone materialen gebruikt konden worden voor koeling”, aldus Liu Zunfeng.
De onderzoekers draaiden eerst deze stijve polymeervezels en vormden een spiraalvormige structuur.Het uitrekken van de helix kan de temperatuur verhogen, maar na het intrekken van de helix daalt de temperatuur.
Uit het experiment bleek dat door gebruik te maken van de “torsionele warmtekoeling”-technologie gevlochten polyethyleendraad een temperatuurdaling van 5,1 graden Celsius kan genereren, terwijl het materiaal direct wordt uitgerekt en losgelaten, waarbij vrijwel geen temperatuurverandering wordt waargenomen.Het principe van 'torsiewarmtekoeling' van dit type polyethyleenvezel is dat tijdens het strekcontractieproces de interne draaiing van de helix afneemt, wat leidt tot veranderingen in de energie.Liu Zunfeng zei dat deze relatief harde materialen duurzamer zijn dan rubbervezels, en dat de afkoelsnelheid groter is dan die van rubber, zelfs als ze heel kort worden uitgerekt.
Onderzoekers ontdekten ook dat het toepassen van de ‘torsionele warmtekoeling’-technologie op nikkel-titaan legeringen met vormgeheugen met een hogere sterkte en snellere warmteoverdracht resulteert in betere koelprestaties, en dat er slechts een lagere twist nodig is om een groter koeleffect te bereiken.
Door bijvoorbeeld vier draden van een nikkel-titaniumlegering samen te draaien, kan de maximale temperatuurdaling na het losdraaien 20,8 graden Celsius bereiken, en kan de algehele gemiddelde temperatuurdaling ook 18,2 graden Celsius bereiken.Dit is iets hoger dan de koeling van 17,0 graden Celsius die wordt bereikt met behulp van 'thermische koeling'-technologie.Eén koelcyclus duurt slechts ongeveer 30 seconden”, aldus Liu Zunfeng.
Nieuwe technologie kan in de toekomst in koelkasten worden gebruikt
Op basis van de ‘torsiewarmtekoeling’-technologie hebben onderzoekers een koelkastmodel gemaakt dat stromend water kan koelen.Ze gebruikten drie nikkel-titaanlegeringsdraden als koelmateriaal, die 0,87 omwentelingen per centimeter draaiden om een koeling van 7,7 graden Celsius te bereiken.
Deze ontdekking heeft nog een lange weg te gaan voordat de 'twisted heat koelkasten' op de markt komen, met zowel kansen als uitdagingen”, aldus Ray Bowman.Liu Zunfeng is van mening dat de nieuwe koeltechnologie die in dit onderzoek is ontdekt een nieuwe sector op koelgebied heeft uitgebreid.Het zal een nieuwe manier bieden om het energieverbruik op het gebied van koeling te verminderen.
Een ander bijzonder fenomeen bij “torsiewarmtekoeling” is dat verschillende delen van de vezel verschillende temperaturen vertonen, wat wordt veroorzaakt door de periodieke verdeling van de helix die wordt gegenereerd door het draaien van de vezel in de lengterichting van de vezel.De onderzoekers bedekten het oppervlak van draad van nikkel-titaanlegering met een Thermochromism-coating om "torsiekoeling" van kleur veranderende vezels te maken.Tijdens het twist- en untwistproces ondergaat de vezel omkeerbare kleurveranderingen.Het kan worden gebruikt als een nieuw type sensorelement voor optische metingen op afstand van vezeltwist.Door kleurveranderingen met het blote oog waar te nemen, kun je bijvoorbeeld weten hoeveel omwentelingen het materiaal in de verte heeft gemaakt, wat een heel eenvoudige sensor is.“Liu Zunfeng zei dat sommige vezels, gebaseerd op het principe van ‘torsiewarmtekoeling’, ook kunnen worden gebruikt voor intelligente, van kleur veranderende stoffen.
Posttijd: 13 juli 2023