Un método de refrigeración más eficiente, ecológico, portátil y que ahorre energía es la dirección de la exploración incansable del ser humano. Recientemente, un artículo en línea de la revista Science informó sobre una nueva estrategia de refrigeración flexible descubierta por un equipo de investigación conjunto de científicos chinos y estadounidenses: la “refrigeración por calor torsional”. El equipo de investigación descubrió que cambiar la torsión dentro de las fibras puede lograr enfriamiento. Debido a la mayor eficiencia de refrigeración, el tamaño más pequeño y la aplicabilidad a diversos materiales comunes, el "refrigerador de calor retorcido" fabricado con esta tecnología también se ha vuelto prometedor.
Este logro proviene de la investigación cooperativa del equipo del profesor Liu Zunfeng del Laboratorio Estatal Clave de Biología, Química Medicinal, Facultad de Farmacia y el Laboratorio Clave de Polímeros Funcionales del Ministerio de Educación de la Universidad de Nankai, y el equipo de Ray H. Baugman. , profesor de la Universidad Estatal de Texas, sucursal de Dallas, y Yang Shixian, docente de la Universidad de Nankai.
Simplemente baje la temperatura y gírelo.
Según datos del Instituto Internacional de Investigación en Refrigeración, el consumo eléctrico de aparatos de aire acondicionado y refrigeradores en el mundo representa actualmente alrededor del 20% del consumo eléctrico mundial. El principio ampliamente utilizado de refrigeración por compresión de aire hoy en día generalmente tiene una eficiencia de Carnot inferior al 60%, y los gases liberados por los procesos de refrigeración tradicionales están exacerbando el calentamiento global. Con la creciente demanda de refrigeración por parte de los seres humanos, explorar nuevas teorías y soluciones de refrigeración para mejorar aún más la eficiencia de la refrigeración, reducir los costos y reducir el tamaño de los equipos de refrigeración se ha convertido en una tarea urgente.
El caucho natural generará calor cuando se estire, pero la temperatura disminuirá después de la retracción. Este fenómeno se denomina “refrigeración térmica elástica” y se descubrió ya a principios del siglo XIX. Sin embargo, para lograr un buen efecto de enfriamiento, es necesario estirar previamente la goma hasta 6 o 7 veces su propia longitud y luego retraerla. Esto significa que la refrigeración requiere un gran volumen. Además, la eficiencia actual de Carnot de la “refrigeración térmica” es relativamente baja, normalmente sólo alrededor del 32%.
A través de la tecnología de "enfriamiento torsional", los investigadores estiraron el elastómero de caucho fibroso dos veces (100% de tensión), luego fijaron ambos extremos y lo torcieron desde un extremo para formar una estructura de Superhélice. Posteriormente se produjo un rápido desenrollamiento y la temperatura de las fibras de caucho disminuyó 15,5 grados centígrados.
Este resultado es mayor que el efecto de enfriamiento utilizando la tecnología de "refrigeración térmica elástica": el caucho que se estira 7 veces más se contrae y se enfría hasta 12,2 grados centígrados. Sin embargo, si la goma se gira y se extiende, y luego se suelta simultáneamente, la "refrigeración térmica torsional" puede enfriar hasta 16,4 grados Celsius. Liu Zunfeng dijo que bajo el mismo efecto de enfriamiento, el volumen del caucho de "refrigeración térmica torsional" es sólo dos tercios del del caucho de "refrigeración térmica elástica", y su eficiencia de Carnot puede alcanzar el 67%, muy superior al principio del aire. refrigeración por compresión.
El hilo de pescar y el hilo textil también se pueden enfriar.
Los investigadores han introducido que todavía hay mucho margen de mejora en el caucho como material de “refrigeración por calor torsional”. Por ejemplo, el caucho tiene una textura suave y requiere muchas vueltas para lograr un enfriamiento significativo. Su velocidad de transferencia de calor es lenta y es necesario considerar cuestiones como el uso repetido y la durabilidad del material. Por lo tanto, la exploración de otros materiales de “refrigeración torsional” se ha convertido en un avance importante para el equipo de investigación.
Curiosamente, hemos descubierto que el esquema de 'enfriamiento por calor torsional' también es aplicable a líneas de pesca y textiles. Anteriormente, la gente no se daba cuenta de que estos materiales ordinarios podían usarse para enfriar”, dijo Liu Zunfeng.
Los investigadores primero retorcieron estas fibras rígidas de polímero y formaron una estructura helicoidal. Estirar la hélice puede elevar la temperatura, pero después de retraerla, la temperatura disminuye.
El experimento encontró que utilizando la tecnología de "enfriamiento por calor torsional", el alambre trenzado de polietileno puede generar una caída de temperatura de 5,1 grados Celsius, mientras que el material se estira y suelta directamente sin que se observe casi ningún cambio de temperatura. El principio de "enfriamiento por calor torsional" de este tipo de fibra de polietileno es que durante el proceso de estiramiento y contracción, la torsión interna de la hélice disminuye, lo que provoca cambios de energía. Liu Zunfeng dijo que estos materiales relativamente duros son más duraderos que las fibras de caucho y la velocidad de enfriamiento excede la del caucho incluso cuando se estiran muy brevemente.
Los investigadores también descubrieron que la aplicación de la tecnología de "enfriamiento por calor torsional" a aleaciones con memoria de forma de níquel y titanio con mayor resistencia y transferencia de calor más rápida da como resultado un mejor rendimiento de enfriamiento, y solo se requiere una torsión menor para lograr un mayor efecto de enfriamiento.
Por ejemplo, al torcer cuatro alambres de aleación de níquel y titanio, la caída máxima de temperatura después de desenroscarlos puede alcanzar los 20,8 grados Celsius, y la caída de temperatura promedio general también puede alcanzar los 18,2 grados Celsius. Esto es ligeramente superior a los 17,0 grados Celsius de enfriamiento logrados mediante la tecnología de "refrigeración térmica". Un ciclo de refrigeración solo toma unos 30 segundos”, dijo Liu Zunfeng.
En el futuro se podrá utilizar nueva tecnología en frigoríficos
Basándose en la tecnología de "refrigeración por calor torsional", los investigadores han creado un modelo de refrigerador que puede enfriar el agua que fluye. Utilizaron tres alambres de aleación de níquel y titanio como materiales de enfriamiento, girando 0,87 revoluciones por centímetro para lograr un enfriamiento de 7,7 grados Celsius.
A este descubrimiento aún le queda un largo camino por recorrer antes de la comercialización de los 'refrigeradores de calor retorcido', con oportunidades y desafíos”, afirmó Ray Bowman. Liu Zunfeng cree que la nueva tecnología de refrigeración descubierta en este estudio ha ampliado un nuevo sector en el campo de la refrigeración. Proporcionará una nueva forma de reducir el consumo de energía en el campo de la refrigeración.
Otro fenómeno especial en la "refrigeración por calor torsional" es que diferentes partes de la fibra exhiben diferentes temperaturas, lo que es causado por la distribución periódica de la hélice generada al torcer la fibra a lo largo de la dirección longitudinal de la fibra. Los investigadores recubrieron la superficie del alambre de aleación de níquel y titanio con un recubrimiento de termocromismo para crear una fibra que cambia de color con "enfriamiento torsional". Durante el proceso de torsión y desenredado, la fibra sufre cambios de color reversibles. Puede utilizarse como un nuevo tipo de elemento sensor para la medición óptica remota de la torsión de la fibra. Por ejemplo, observando los cambios de color a simple vista se puede saber cuántas revoluciones ha dado el material en la distancia, lo cual es un sensor muy sencillo. “Liu Zunfeng dijo que, basándose en el principio de” enfriamiento por calor torsional “, algunas fibras también se pueden utilizar para tejidos que cambian de color de forma inteligente.
Hora de publicación: 13-jul-2023