Une méthode de refroidissement plus efficace, économe en énergie, verte et portable est la direction de l’exploration humaine incessante.Récemment, un article en ligne dans la revue Science a fait état d'une nouvelle stratégie de réfrigération flexible découverte par une équipe de recherche conjointe de scientifiques chinois et américains : la « réfrigération par chaleur torsionnelle ».L’équipe de recherche a découvert que la modification de la torsion à l’intérieur des fibres peut permettre un refroidissement.En raison d'une efficacité de réfrigération plus élevée, d'une taille plus petite et d'une applicabilité à divers matériaux ordinaires, le « réfrigérateur à chaleur torsadée » fabriqué sur la base de cette technologie est également devenu prometteur.
Cette réalisation est le fruit de la recherche coopérative de l'équipe du professeur Liu Zunfeng du Laboratoire clé d'État de biologie de chimie médicinale, de l'École de pharmacie et du Laboratoire clé des polymères fonctionnels du ministère de l'Éducation de l'Université de Nankai, et de l'équipe de Ray H. Baugman. , professeur à l'Université d'État du Texas, succursale de Dallas, et Yang Shixian, professeur à l'Université de Nankai.
Baissez simplement la température et tournez-la
Selon les données de l'Institut international de recherche sur la réfrigération, la consommation électrique des climatiseurs et des réfrigérateurs dans le monde représente actuellement environ 20 % de la consommation mondiale d'électricité.Le principe largement utilisé de la réfrigération par compression d'air a généralement un rendement Carnot inférieur à 60 % et les gaz dégagés par les procédés de réfrigération traditionnels aggravent le réchauffement climatique.Avec la demande croissante de réfrigération de la part des humains, l'exploration de nouvelles théories et solutions de réfrigération pour améliorer encore l'efficacité de la réfrigération, réduire les coûts et réduire la taille des équipements de réfrigération est devenue une tâche urgente.
Le caoutchouc naturel génère de la chaleur lorsqu’il est étiré, mais la température diminue après rétraction.Ce phénomène, appelé « réfrigération thermique élastique », a été découvert dès le début du XIXe siècle.Cependant, pour obtenir un bon effet de refroidissement, le caoutchouc doit être pré-étiré jusqu'à 6 à 7 fois sa propre longueur, puis rétracté.Cela signifie que la réfrigération nécessite un volume important.De plus, le rendement Carnot actuel de la « réfrigération thermique » est relativement faible, généralement seulement environ 32 %.
Grâce à la technologie de « refroidissement par torsion », les chercheurs ont étiré l'élastomère de caoutchouc fibreux deux fois (déformation à 100 %), puis ont fixé les deux extrémités et l'ont tordu d'une extrémité pour former une structure Superhelix.Par la suite, une détorsion rapide s'est produite et la température des fibres de caoutchouc a diminué de 15,5 degrés Celsius.
Ce résultat est supérieur à l'effet de refroidissement obtenu grâce à la technologie de « réfrigération thermique élastique » : le caoutchouc étiré 7 fois plus longtemps se contracte et refroidit jusqu'à 12,2 degrés Celsius.Cependant, si le caoutchouc est tordu et étendu, puis relâché simultanément, la « réfrigération thermique par torsion » peut refroidir jusqu'à 16,4 degrés Celsius.Liu Zunfeng a déclaré que sous le même effet de refroidissement, le volume de caoutchouc de la « réfrigération thermique par torsion » n'est que des deux tiers de celui du caoutchouc de « réfrigération thermique élastique », et son efficacité Carnot peut atteindre 67 %, bien supérieure au principe de l'air. réfrigération à compression.
Les lignes de pêche et les lignes textiles peuvent également être refroidies
Les chercheurs ont introduit qu’il y avait encore beaucoup à faire pour améliorer le caoutchouc en tant que matériau de « réfrigération à chaleur torsionnelle ».Par exemple, le caoutchouc a une texture douce et nécessite de nombreuses torsions pour obtenir un refroidissement significatif.Sa vitesse de transfert de chaleur est lente et des problèmes tels que l’utilisation répétée et la durabilité du matériau doivent être pris en compte.Par conséquent, l’exploration d’autres matériaux de « réfrigération torsionnelle » est devenue une avancée importante pour l’équipe de recherche.
Il est intéressant de noter que nous avons constaté que le système de « refroidissement thermique par torsion » s'applique également aux lignes de pêche et aux lignes textiles.Auparavant, les gens ne réalisaient pas que ces matériaux ordinaires pouvaient être utilisés pour le refroidissement », a déclaré Liu Zunfeng.
Les chercheurs ont d’abord tordu ces fibres polymères rigides et formé une structure hélicoïdale.L'étirement de l'hélice peut augmenter la température, mais après la rétraction de l'hélice, la température diminue.
L'expérience a révélé qu'en utilisant la technologie de « refroidissement thermique par torsion », le fil tressé en polyéthylène peut générer une baisse de température de 5,1 degrés Celsius, tandis que le matériau est directement étiré et libéré sans qu'aucun changement de température soit observé.Le principe du « refroidissement thermique par torsion » de ce type de fibre de polyéthylène est que pendant le processus de contraction et d'étirement, la torsion interne de l'hélice diminue, entraînant des changements d'énergie.Liu Zunfeng a déclaré que ces matériaux relativement durs sont plus durables que les fibres de caoutchouc et que la vitesse de refroidissement dépasse celle du caoutchouc même lorsqu'ils sont étirés très court.
Les chercheurs ont également découvert que l’application de la technologie de « refroidissement thermique par torsion » aux alliages de nickel-titane à mémoire de forme présentant une résistance plus élevée et un transfert de chaleur plus rapide permet d’obtenir de meilleures performances de refroidissement, et seule une torsion plus faible est nécessaire pour obtenir un effet de refroidissement plus important.
Par exemple, en tordant quatre fils en alliage de nickel-titane ensemble, la chute de température maximale après détorsion peut atteindre 20,8 degrés Celsius, et la chute de température moyenne globale peut également atteindre 18,2 degrés Celsius.C'est légèrement plus élevé que le refroidissement de 17,0 degrés Celsius obtenu grâce à la technologie de « réfrigération thermique ».Un cycle de réfrigération ne prend qu’environ 30 secondes », a déclaré Liu Zunfeng.
Une nouvelle technologie pourra être utilisée dans les réfrigérateurs à l’avenir
Sur la base de la technologie de « réfrigération à chaleur torsionnelle », les chercheurs ont créé un modèle de réfrigérateur capable de refroidir l’eau courante.Ils ont utilisé trois fils en alliage de nickel-titane comme matériaux de refroidissement, tournant à 0,87 tours par centimètre pour obtenir un refroidissement de 7,7 degrés Celsius.
Cette découverte a encore un long chemin à parcourir avant la commercialisation des « réfrigérateurs à chaleur torsadée », avec à la fois des opportunités et des défis », a déclaré Ray Bowman.Liu Zunfeng estime que la nouvelle technologie de réfrigération découverte dans cette étude a élargi un nouveau secteur dans le domaine de la réfrigération.Il offrira une nouvelle façon de réduire la consommation d’énergie dans le domaine de la réfrigération.
Un autre phénomène particulier dans la « réfrigération par chaleur torsionnelle » est que différentes parties de la fibre présentent des températures différentes, provoquées par la distribution périodique de l'hélice générée par la torsion de la fibre dans le sens de la longueur de la fibre.Les chercheurs ont recouvert la surface du fil en alliage de nickel-titane d’un revêtement thermochromique pour créer une fibre à changement de couleur « refroidissement par torsion ».Au cours du processus de torsion et de détorsion, la fibre subit des changements de couleur réversibles.Il peut être utilisé comme un nouveau type d’élément de détection pour la mesure optique à distance de la torsion des fibres.Par exemple, en observant les changements de couleur à l’œil nu, on peut savoir combien de tours le matériau a fait au loin, ce qui est un capteur très simple.« Liu Zunfeng a déclaré que, sur la base du principe du « refroidissement thermique par torsion », certaines fibres peuvent également être utilisées pour des tissus intelligents à changement de couleur.
Heure de publication : 13 juillet 2023