보다 효율적이고 에너지 절약적이며 친환경적이고 휴대 가능한 냉각 방법은 인간의 끊임없는 탐구의 방향입니다. 최근 사이언스(Science) 저널의 온라인 기사에서는 중국과 미국 과학자의 공동 연구팀이 발견한 새로운 유연한 냉동 전략인 "비틀림 열 냉동"에 대해 보고했습니다. 연구팀은 섬유 내부의 꼬임을 바꾸면 냉각 효과를 얻을 수 있다는 사실을 발견했다. 높은 냉동 효율과 더 작은 크기, 다양한 일반 소재에 대한 적용 가능성으로 인해 이 기술을 바탕으로 만든 '트위스트 열 냉장고'도 유망해지고 있습니다.
이 성과는 난카이 대학교 교육부 기능성 고분자 핵심 실험실, 약학부, 약학부 국가 핵심 실험실의 Liu Zunfeng 교수 팀과 Ray H. Baugman 팀의 공동 연구에서 나온 것입니다. , 텍사스 주립대학교 달라스 분교 교수, Yang Shixian, 난카이 대학교 도슨트.
온도를 낮추고 비틀어주면 됩니다
국제냉동연구소(International Refrigeration Research Institute)의 자료에 따르면, 현재 전 세계 에어컨과 냉장고의 전력 소비량은 전 세계 전력 소비량의 약 20%를 차지하고 있다. 오늘날 널리 사용되는 공기 압축 냉동 원리는 일반적으로 카르노 효율이 60% 미만이며, 전통적인 냉동 공정에서 방출되는 가스는 지구 온난화를 악화시키고 있습니다. 인간의 냉동에 대한 수요가 증가함에 따라 냉동 효율성을 더욱 향상시키고 비용을 절감하며 냉동 장비의 크기를 줄이기 위한 새로운 냉동 이론과 솔루션을 탐구하는 것이 시급한 과제가 되었습니다.
천연고무는 늘어나면 열이 발생하지만 수축 후에는 온도가 감소합니다. 이 현상을 '탄성열냉동'이라고 하는데, 이는 이미 19세기 초에 발견되었습니다. 그러나 좋은 냉각 효과를 얻으려면 고무를 원래 길이의 6~7배로 미리 늘린 다음 수축시켜야 합니다. 이는 냉동에 많은 양이 필요하다는 것을 의미합니다. 더욱이, 현재 "열냉동"의 카르노 효율은 상대적으로 낮으며, 일반적으로 약 32%에 불과합니다.
연구진은 '비틀림 냉각' 기술을 통해 섬유상 고무 엘라스토머를 두 번(100% 변형) 늘린 뒤 양쪽 끝을 고정하고 한쪽 끝을 비틀어 초나선 구조를 형성했다. 그 후 급속하게 꼬임이 풀렸고, 고무섬유의 온도는 섭씨 15.5도 감소했다.
이는 '탄성열냉동' 기술을 활용한 냉각 효과보다 더 높은 결과다. 7배 이상 늘어난 고무가 수축해 섭씨 12.2도까지 냉각된다. 하지만 고무를 비틀고 늘렸다가 동시에 풀어주면 '비틀림 열냉동' 방식으로 섭씨 16.4도까지 냉각될 수 있다. Liu Zunfeng은 동일한 냉각 효과 하에서 '비틀림 열 냉동'의 고무 부피는 '탄성 열 냉동' 고무의 3분의 2에 불과하며 카르노 효율은 67%에 도달할 수 있다고 말했습니다. 이는 공기의 원리보다 훨씬 뛰어납니다. 압축냉동.
낚시줄, 섬유줄도 냉각 가능
연구진은 고무를 '비틀림 열 냉동' 소재로 개선할 여지가 아직 많다고 소개했다. 예를 들어, 고무는 질감이 부드러워 상당한 냉각 효과를 얻으려면 많은 비틀림이 필요합니다. 열전달 속도가 느리고, 반복 사용, 소재의 내구성 등의 문제를 고려해야 합니다. 따라서 다른 "비틀림 냉동" 재료를 탐색하는 것이 연구팀의 중요한 획기적인 방향이 되었습니다.
흥미롭게도 우리는 '비틀림 열 냉각' 방식이 낚시 및 직물 라인에도 적용 가능하다는 사실을 발견했습니다. 이전에 사람들은 이러한 일반 재료가 냉각에 사용될 수 있다는 것을 깨닫지 못했습니다.”라고 Liu Zunfeng은 말했습니다.
연구진은 먼저 이러한 견고한 고분자 섬유를 비틀어 나선형 구조를 형성했습니다. 나선을 늘리면 온도가 올라갈 수 있지만 나선을 수축하면 온도가 낮아집니다.
실험 결과, "비틀림 열 냉각" 기술을 사용하면 폴리에틸렌 편조 와이어가 섭씨 5.1도의 온도 강하를 생성할 수 있는 반면 소재는 온도 변화가 거의 관찰되지 않고 직접 늘어나고 풀려지는 것으로 나타났습니다. 이러한 종류의 폴리에틸렌 섬유의 '비틀림 열 냉각' 원리는 신장 수축 과정에서 나선의 내부 비틀림이 감소하여 에너지 변화를 초래한다는 것입니다. Liu Zunfeng은 이러한 상대적으로 단단한 재료는 고무 섬유보다 내구성이 더 뛰어나며 매우 짧게 늘려도 냉각 속도가 고무의 속도를 초과한다고 말했습니다.
또한 연구진은 강도가 더 높고 열 전달 속도가 빠른 니켈 티타늄 형상기억합금에 '비틀림 열 냉각' 기술을 적용하면 냉각 성능이 향상되고 비틀림을 줄여도 더 큰 냉각 효과를 얻을 수 있다는 사실을 발견했습니다.
예를 들어, 니켈 티타늄 합금 와이어 4개를 함께 꼬으면 풀린 후 최대 온도 강하가 섭씨 20.8도에 도달하고 전체 평균 온도 강하도 섭씨 18.2도에 도달할 수 있습니다. 이는 '열냉동' 기술을 사용해 달성한 냉각 온도인 17.0도보다 약간 높은 수준이다. 한 번의 냉동 사이클은 약 30초밖에 걸리지 않습니다.”라고 Liu Zunfeng은 말했습니다.
미래에는 냉장고에 신기술을 적용할 수 있다
연구진이 '비틀림열 냉동' 기술을 바탕으로 흐르는 물을 냉각할 수 있는 냉장고 모델을 개발했다. 그들은 3개의 니켈 티타늄 합금 와이어를 냉각 재료로 사용하여 센티미터당 0.87회전을 회전시켜 섭씨 7.7도의 냉각을 달성했습니다.
이 발견은 '트위스트 열 냉장고'의 상용화 이전에는 기회와 과제 모두 아직 갈 길이 멀다고 Ray Bowman은 말했습니다. Liu Zunfeng은 이번 연구에서 발견된 새로운 냉동 기술이 냉동 분야의 새로운 분야를 확장했다고 믿습니다. 이는 냉동 분야에서 에너지 소비를 줄이는 새로운 방법을 제시할 것입니다.
"비틀림 열 냉동"의 또 다른 특별한 현상은 섬유의 서로 다른 부분이 서로 다른 온도를 나타내는 것입니다. 이는 섬유 길이 방향을 따라 섬유를 비틀어 생성된 나선의 주기적인 분포로 인해 발생합니다. 연구진은 니켈 티타늄 합금 와이어의 표면을 열변색성 코팅으로 코팅하여 "비틀림 냉각" 변색 섬유를 만들었습니다. 꼬임과 풀림 과정에서 섬유는 가역적인 색상 변화를 겪습니다. 이는 섬유 꼬임의 원격 광학 측정을 위한 새로운 유형의 감지 요소로 사용될 수 있습니다. 예를 들어 육안으로 색의 변화를 관찰하면 물질이 멀리서 몇 번이나 회전했는지 알 수 있는데, 이는 매우 간단한 센서이다. “Liu Zunfeng은 '비틀림 열 냉각' 원리를 기반으로 일부 섬유는 지능형 색상 변경 직물에도 사용될 수 있다고 말했습니다.
게시 시간: 2023년 7월 13일