新闻
首页>新闻>正文

未来冰箱制冷可能只需“扭一扭”

2019-10-2814:31:23来源:科技日报

x

分享到微信朋友圈

使用“扫一扫”即可将网页分享到朋友圈

更加高效、节能、绿色、便携的制冷方式是人类不懈探索的方向。近日,在线出版的《科学》(Science)杂志刊文,报道了中美科学家联合研究团队发现的一种柔性制冷新策略——“扭热制冷”。研究团队发现,改变纤维内部的捻度可以实现降温。由于制冷效率更高、体积更小且适用于多种普通材料,基于该技术制成的“扭热冰箱”也变得前景可期。

这项成果来自于南开大学药物化学生物学国家重点实验室、药学院、功能高分子教育部重点实验室刘遵峰教授团队与美国德克萨斯州立大学达拉斯分校教授、南开大学杨石先讲座教授雷⋅鲍曼(Ray H.Baughman)团队的合作研究。

降低温度一“扭”就行

根据国际制冷研究机构的数据统计,目前世界上使用空调和冰箱制冷消耗的电能约占全球电能损耗的20%。如今被广泛应用的空气压缩原理制冷,其卡诺效率一般低于60%,传统冰箱制冷过程释放出的气体正在加剧地球变暖。随着人类对制冷需求的增加,探索新型制冷理论和方案,进一步提高制冷效率,降低成本并减小制冷设备的尺寸,成为当务之急。

天然橡胶拉伸会发热,缩回后温度会降低,这种现象叫“弹热制冷”,早在19世纪早期就已经被发现。但是,要得到较好的制冷效果,需要预先将橡胶拉伸至自身长度的6到7倍,然后缩回去。这意味的制冷需要很大的体积。而且,目前“弹热制冷”的卡诺效率比较低,通常只有约32%。

而通过“扭热制冷”技术,研究人员将纤维状的橡胶弹性体拉长一倍(100%应变),之后把两端固定,从一端旋转加捻,使其形成一种超螺旋结构。随后快速解捻,橡胶纤维的温度降低15.5摄氏度。

“这一结果高于使用‘弹热制冷’技术的降温:拉长7倍的橡胶收缩降温为12.2摄氏度。而如果既把橡胶加捻又伸长,然后同时释放,该‘扭热制冷’降温可达16.4摄氏度。”刘遵峰说,获得相同降温效果的情况下,“扭热制冷”的橡胶体积仅为“弹热制冷”橡胶的七分之二,其卡诺效率却可达67%,远高于空气压缩原理制冷。

钓鱼线、纺织线也能制冷

研究人员介绍,橡胶作为“扭热制冷”材料,还有很多空间可以改进。比如,橡胶质地较软,需要捻很多圈才能获得比较明显的降温,其传热速度较慢,还需要考虑材料的反复使用、耐久性等问题。因此,探索其他“扭热制冷”材料成为研究团队的一个重要突破方向。

“有趣的是,我们发现,‘扭热制冷’方案也适用于钓鱼线、纺织线。之前,人们并没有意识到这些普通的材料可以用来进行制冷。”刘遵峰说。

研究人员先将这些刚性高分子纤维加捻并形成螺旋结构。拉伸该螺旋可以升温,螺旋缩回后温度降低。

实验发现,使用“扭热制冷”技术,聚乙烯编织线可以产生5.1摄氏度的降温,而直接拉伸并释放该材料却几乎观察不到温度变化。“这种聚乙烯纤维的‘扭热制冷’原理是在拉伸—收缩过程中,螺旋内部捻度降低,从而导致能量的变化。”刘遵峰说,这些比较坚硬的材料,比橡胶纤维更为耐久,而且在拉伸很短的情况下,降温幅度也超过橡胶。

研究人员还发现,将“扭热制冷”技术应用于强度更大、传热更快的镍钛形状记忆合金时,制冷效果更佳,且只需较低的捻度,就会获得比较大的降温。

例如将四根镍钛合金丝放在一起加捻,解捻后最大降温可达20.8摄氏度,整体平均降温也可达到18.2摄氏度。“这要略高于使用‘弹热制冷’技术获得的17.0摄氏度降温。一个制冷周期,只需要30秒左右。”刘遵峰说。

新技术未来可用于冰箱

基于“扭热制冷”技术,研究人员制作了一个冰箱模型,可对流动的水进行降温。他们使用三根镍钛合金丝作为制冷材料,每厘米旋转0.87圈,可以获得7.7摄氏度的降温。

“这项发现距离‘扭热冰箱’的商业化依然有很长的路要走,机遇与挑战并存。”雷⋅鲍曼说。刘遵峰认为,该研究发现的这种新型制冷技术,为制冷领域扩充了一个新的板块。将为降低制冷领域能源损耗提供一种新的途径。

“扭热制冷”中的另外一个特殊现象是纤维不同部位呈现不同的温度,这是由于纤维加捻产生的螺旋沿纤维长度方向的周期性分布所致。研究人员将镍钛合金丝表面涂上热致变色涂料,可以制成“扭热制冷”变色纤维。在加捻和解捻的过程中,该纤维会发生可逆的颜色变化。“它可用作新型传感元件,对纤维捻度进行远程光学测量。比如,通过使用肉眼观察颜色的变化,就可以知道远处的材料转了几圈,这是一种非常简易的传感器。”刘遵峰说,基于“扭热制冷”原理,一些纤维也可用于智能变色织物。

责任编辑:冯薇薇(EN067)

热点聚焦

头条新闻

  • 北京实现离境退税实时到账

    北京市近日起在全国率先试点离境退税“便捷支付”,并同步实施离境退税“即买即退”,让入境旅客购物退税畅享“北京速度”。

  • C919大型客机105架机完成首次试飞

    昨日,中国商飞C919大型客机105架机10时从上海浦东国际机场起飞,经过1小时37分钟的飞行,在完成了多个试验点、对飞机各系统进行了初始操纵检查后,于11时37分返航并平稳降落,顺利完成其首次试验飞行任务。

  • 一人一狗一张床 高铁护路员:只求巡防区内零事故

    从哈尔滨开往齐齐哈尔,这是中国最北端的一段高寒高铁线。高纬度下,高铁要经历寒风雨雪的考验,如何保证每一趟列车都平安运行,这不仅是车上列车员面临的挑战,也是高铁桥下每一位护路巡防员肩上的重担。

  • 7岁娃每天擀500张包子皮,这句话说得也让人暖心……

    近日,由中央广播电视总台主办的大型公益活动《众里寻你——2019寻找最美孝心少年颁奖典礼》在京录制完成。有10位少年获得“最美孝心少年”。称号7岁的赵泽华就是其中一位。他可是大家眼中的“网红励志小哥”,不仅品学兼优还有一手绝活!

  • 甘肃教师“化繁为简”反哺教学 让学生眼睛发亮

    三十多载春秋,张立中所带的班级多次被学校评为“标兵班”“先进班集体”,数学成绩在历年高考中均位居平凉市崆峒区前列。

点击加载更多

频道推荐

  • 社会
  • 娱乐
  • 生活
  • 探索
  • 历史
关闭 北青网新闻客户端