中美学者开创神奇制冷方式:“拧麻花”完胜压缩制冷|独家专访

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中美学者开创神奇制冷方式:“拧麻花”完胜压缩制冷|独家专访
麻省理工科技评论 2019-10-19

2019-10-19

如何更有效减排,更绿色的制冷设备是科学家的努力方向之一
节能减排 科学
如何更有效减排,更绿色的制冷设备是科学家的努力方向之一

空调和冰箱制冷消耗了全球 20% 的电能,这是温室效应的重要组成部分。如何更有效减排,更绿色的制冷设备是科学家的努力方向之一。

中美学者开创神奇制冷方式:“拧麻花”完胜压缩制冷|独家专访

图 |“扭热制冷”中,对橡胶纤维加捻会生成不同的结构:加捻、部分螺旋、全部螺旋和超螺旋。(来源:南开大学)

南开大学与美国得克萨斯大学达拉斯分校研究人员合作发现,橡胶、鱼线和镍钛合金等材料经过加捻“拧麻花”可以实现制冷,其制冷效率更高,具备体积小、效能高、绿色无污染等优势。

10 月 11 日,这项研究以“research article”(研究论文)形式发表在《科学》(Science)上。

扭热制冷是首次发现

橡皮筋拉伸会发热,缩回后温度会降低。这是因为橡皮筋中的聚合物纤维是随机取向,当其受力拉伸时,纤维就会变成一致有序的取向。这就意味着熵的减少。当放松橡皮筋时,恢复成混乱的纤维排序就意味着更高的熵,也就意味着降温。

同样,一些形状记忆材料也可以用来实现类似效果,这种“弹热制冷”是目前绿色制冷技术的潮流,在美国能源部关于新型制冷技术评估报告中,弹热制冷效应位列 17 种未来最具潜力的非气-液压缩制冷技术的第一位。

只是橡皮筋的“弹热制冷”需要拉伸 6 到 7 倍,也就是说这种制冷方式会占据很大的空间,并且目前“弹热制冷”的卡诺效率通常只有约 32%。

“扭热制冷”则是本次研究发现的一种新弹热制冷策略。具体而言,先对 2.5 毫米的橡胶材料加捻(拧),然后通过解捻获得明显降温,其卡诺效率可达 67%,这个数据超过传统空气压缩制冷的最高值 60%。卡诺效率是衡量热机最大工作效率的指标。

研究人员将橡胶弹性体两端固定,从一端旋转加捻使其形成超螺旋结构,并将其拉长一倍(100% 应变),随后快速释放即可实现降温 15.5 摄氏度。并且,获得相同降温效果的情况下,“扭热制冷”的体积仅为“弹热制冷”的 2/7,“扭热制冷”的卡诺效率可达 67%。

除了橡胶,普通的钓鱼线也能实现“扭热制冷”。研究还发现,强度更大、传热更快的镍钛形状记忆合金制冷效果更佳,较低的捻度就会获得比较大的降温。记忆合金之所以能如此,是因为其晶体组织能够在不同温度下进行形状切换。

研究还显示,将 4 根镍钛合金丝加捻并解捻,最大降温可达 20.8 摄氏度,其一个制冷周期只有 30 秒左右。他们还制作了一个基于“扭热制冷”的冰箱模型,使用 3 根镍钛合金丝每厘米旋转 0.87 圈,可以让周围的流水获得 7.7 摄氏度的降温。

还有一个新发现是,通过反向加捻和螺旋,可以实现拉伸制冷。这种现象很奇特。即反向螺旋结构的形状记忆材料在拉伸下会降温。

马里兰大学材料学家 Ichiro Takeuchi 认为,需要担心的是,要让冰箱进行长期运行,材料需要承受多达数百万次的加捻。另外,这个冰箱原型放大尺寸后的运行会如何尚未可知。

另外,如果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。

专访通讯作者之一、南开大学药学院/药物化学生物学国家重点实验室刘遵峰教授

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图 |“扭热制冷”的冰箱模型。使用镍钛合金丝或弹性体纤维的“扭热制冷”装置可以对流水进行降温。(来源:南开大学)

DeepTech:你们的扭热制冷冰箱雏形长什么样子呢?

刘遵峰:它是很简单的非循环的一次性制冷装置,有一个进口和一个出口,流水经过就成为低温水。合金丝直径为 0.6 毫米,水流量为 0.04 毫升每分钟。设备包括电机、镍钛合金丝、聚丙烯水管、热电偶、橡胶管和密封端口的环氧树脂。

DeepTech:与普通电冰箱相比,扭热制冷的冰箱能耗是怎样的?

刘遵峰:现在最好的冰箱卡诺效率是 60%,我们用橡胶在实验室初步的扭热制冷可以达到 67%,也就是说能耗效率提高了 11.67%。并且,这是实验室初步结果,在工业化实现中,经过材料等工程优化之后会有更好的结果。

DeepTech:扭热制冷是首次发现吗?你们是如何找到这个思路的?

刘遵峰:我们是做材料研究的,比较关注材料的一些基本性质,我们曾经用扭转的方式做了一些人工肌肉以及弹性可穿戴的器件。

我们偶然发现,材料扭转对热敏感,其基本原理就像人们在拧水洗的衣服,你去扭它的时候,其中的能量就可以被扭出来,这也就是拉伸该螺旋可以升温,螺旋缩回后温度降低。

可以这样理解,这些材料结构在扭转加捻后发生了变化,比如说橡胶材料发生了熵的变化,镍钛合金丝发生了晶体结构的变化,这些不同结构所处的能量状态不一样,那么加捻后能量就吸收或释放出来了。

对于不同材料而言,有的材料能量变化小,就相当于有的衣服吸水多,有的衣服吸水少,那么其能量吸收或释放就少。

DeepTech:反捻也就是反拧就会得到相反的结果,也可以用于冰箱持续制冷吧?

刘遵峰:对,“反扭热制冷”也是一个新的发现,加捻和解捻会产生降温和升温。如果要持续制冷,都需要正向和反向交替,来实现持续制冷。

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图 | 刘遵峰(来源:南开大学)

DeepTech:你们是依据哪些原则来筛选扭热制冷材料的?

刘遵峰:这要根据材料结构变化过程中能量的变化情况,还有一个因素是成本,以及耐久性(使用寿命)。

DeepTech:关于这个项目,你们下一步计划是怎样的?

刘遵峰:继续研发新的材料,用来提高制冷温度、导热率、效率等,并进一步开发可以实用的制冷电器。

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