Охлаждение является чрезвычайно важным процессом в современном мире. Но как можно осуществлять охлаждения таким образом, который не вредит климату и помогает сохранить природные ресурсы? Подход исследователей из университета Саар фокусируется на системах, использующих материалы с памятью формы, также известные как «металлические мышцы» или «искусственные мышцы». Работая вместе с исследователями в Бохуме, они разработали новый метод охлаждения, в котором тепло и холод передаются с помощью «мышц», изготовленных из никель-титанового сплава. Обширные серии испытаний предоставили результаты, которые в настоящее время используются для разработки прототипа охлаждения контура, который будет использоваться для дальнейшего увеличения эффективности процесса. Немецкий исследовательский фонд, который финансировал проекта за последние три года, согласился инвестировать еще 500000 евро. В общей сложности, проект собрал около 950000 евро на финансирование региона.
Охлаждение осуществляется во всех частях мира. Холодильники работают круглое время суток, кондиционеры охлаждают офисы, системы охлаждения помогают в работе компьютеров и двигателей. И спрос на охлаждение увеличивается вместе с изменением климата и ростом численности населения. Но увеличение систем охлаждения приходит с ценой - и не только в финансовом значении. Увеличение охлаждения означает увеличение потребления электроэнергии и, следовательно, более высокие выбросы парниковых газов в атмосферу, ускоряющие глобальное потепление. Более экологически чистый метод охлаждения был разработан исследовательскими группами во главе с инженерами совместно с учеными по материалам из Рурского университета. Процесс охлаждения, который они разрабатывают, не требует климатически вредных хладагентов и должен потреблять меньше энергии, чем обычные технологии охлаждения, используемых до сих пор.
В новых системах используются сплавы с памятью формы для отвода тепла. Форма памяти означает, что провода или листы, изготовленные из никель-титанового сплава, имеют определенную способность запоминать свою первоначальную форму. Если они деформируются, то они возвращаются к их ранней форме. Таким образом, они способны напрягаться и изгибаться как мышцы. Тот факт, что они поглощают и выделяют тепло, когда они делают это то, исследователи используют для достижения охлаждения.
Если никель-титановый провод или лист деформируется или растягивается в напряжении, то структура кристаллической решетки может измениться создание нагрузки внутри материала. Это изменение в кристаллической структуре, известное как фазовый переход, заставляет сплав с памятью формы становиться более горячим. Если образцу дают возможность отдохнуть после выравнивания температур с окружающей средой, то он претерпевает существенное охлаждение до температуры примерно 20 градусов ниже температуры окружающей среды. Основная идея заключается в том, чтобы отводить тепло из пространства, позволяя суперэластичному материалу с памятью формы расслабиться и, таким образом, значительно охладиться. Тепло, переносимое в этом процессе, высвобождается в окружающую среду. Материал затем повторно подвергается нагрузкам, тем самым повышая его температуру, и цикл начинается снова.
В экспериментальных и модельных исследованиях, проведенных к настоящему времени, исследователи университета Саар и Центра мехатроники и автоматизации технологии в Саарбрюккене показали, что этот тип охлаждения работает, и что он может быть использован на практике. Они использовали модельную систему, чтобы определить, каким образом оптимизировать эффективность процесса охлаждения, исследуя такие факторы, как то, насколько сильно материал должен быть удлинен или согнут в целях достижения определенной эффективности охлаждения, или является ли процесс более эффективным, когда он осуществляется более медленно или более быстро. Была развернута тепловизионная камера, чтобы проанализировать, как именно нагревательные и охлаждающие этапы продолжаются.
Исследователи в настоящее время используют свои результаты для построения оптимизированного прототипа системы воздушного охлаждения. Они создают цикл охлаждения, в которой горячий воздух проходит над одной стороне вращающегося пучка проводов с памятью формы. Множественные провода используются в целях повышения мощности охлаждения. Команда инженеров в настоящее время проводит тонкую настройку процесса для оптимизации ее эффективности. Дальнейшая оптимизация процесса охлаждения будет включать в себя моделирование всех этапов компонентов и последующее уточнение этих моделей путем сравнения предсказаний с экспериментальными результатами. Данные моделирования и экспериментальных работ должна позволить им определить идеальное количество проводов с памятью формы для вращающегося пучка проволоки, а также оптимальную скорость вращения.
|