Новый тип энергоэффективной, экологически устойчивой технологии охлаждения, которая не требует использования вредных для климата хладагентов, в настоящее время разрабатывается профессором Штефаном Зелеке и его командой в Саарландском университете. В новой технологии используются материалы с памятью формы, также известные как «искусственные мышцы». Эти материалы способны транспортировать тепло, нагружая и разгружая никель-титановые провода. В настоящее время команда Зеелеке разрабатывает технологию для использования в системах охлаждения электромобилей. Исследователи представили свою технологию на Hannover Messe, продемонстрировав первую в мире машину, которая может охлаждать воздух, напрягая искусственные мышцы.
От скромного холодильника и кондиционера до сложных систем охлаждения для использования в производственных процессах поддержание прохлады является важной частью современного общества. Глобальное потепление и рост населения мира означают, что потребность в энергоэффективных системах охлаждения будет только возрастать. Но низкие температуры, как правило, означают высокое потребление электроэнергии, что, в свою очередь, обычно означает высокий углеродный след и риск выбросов газообразных хладагентов, которые часто имеют высокий потенциал глобального потепления . Исследовательская группа академических и промышленных партнеров под руководством профессора Стефана Зелеке из Саарского университета и Центра мехатроники и технологий автоматизации (ZeMA) в настоящее время разрабатывает экологически чистую систему охлаждения.
«Наш процесс энергоэффективен и не требует использования хладагентов, вредных для климата. Фактически, наша технология до 15 раз эффективнее, чем системы, основанные на обычных хладагентах», — пояснил Штефан Зелеке. Комиссия ЕС и Министерство энергетики США оценили новый процесс и считают его наиболее многообещающей альтернативой используемой сегодня технологии парокомпрессионного охлаждения.
Команда Seelecke разработала первый в мире непрерывно работающий прототип, который охлаждает воздух с помощью этого нового процесса. В технологии охлаждения, которую команда демонстрирует на выставке Hannover Messe в этом году, используются искусственные мышечные волокна, состоящие из пучков сверхтонких проволок с памятью формы, изготовленных из никель-титанового сплава «нитинол». Эти проволоки обладают особым свойством: они возвращаются к своей прежней форме. после растяжения или иной деформации. Таким образом, они могут напрягаться и расслабляться, как человеческие мышцы.
Причину такого поведения следует искать в структуре металлического сплава. Атомы в сплаве расположены в виде кристаллической решетки. Если никель-титановая проволока деформируется или растягивается, слои атомов в кристаллической решетке перемещаются друг относительно друга, создавая напряжение внутри материала. Это напряжение снимается, когда проволока возвращается к своей первоначальной форме. Эти изменения в кристаллической структуре материала известны как фазовые переходы , и они заставляют провода поглощать или выделять тепло.
Именно этот эффект Зелеке и его команда используют в своей новой системе охлаждения. «Материал с памятью формы отдает тепло в окружающую среду, когда он механически нагружен в сверхэластичном состоянии, и поглощает тепло из окружающей среды, когда он не нагружен. И этот эффект особенно заметен в случае нитинола. Когда предварительно напряженные нитиноловые проволоки разгруженные при комнатной температуре, они остывают на целых 20 градусов», — пояснил Стефан Зелеке, заведующий кафедрой интеллектуальных систем материалов в Саарландском университете.
«Мы используем это свойство для рассеивания тепла», — сказала Сюзанна-Мари Кирш, которая помогала разрабатывать систему охлаждения в рамках своего докторского исследовательского проекта. «Основная идея состоит в том, чтобы позволить предварительно напряженным сверхэластичным проводам с памятью формы расслабиться и, таким образом, охладить пространство, отводя от него тепло», — пояснил Кирш. Тепло, поглощаемое проводами с памятью формы, затем высвобождается наружу, когда провода подвергаются повторному напряжению в окружающей среде.
Однако система охлаждения Саарбрюккена значительно сложнее. Команда спроектировала и разработала схему охлаждения, в которой запатентованный кулачковый привод вращается таким образом, что пучки нитиноловых проволок толщиной 200 микрон попеременно растягиваются и расслабляются, чтобы тепло передавалось максимально эффективно. Воздух продувается через жгуты проводов в двух отдельных камерах: в одной камере воздух нагревается, в другой охлаждается. В результате машина может охлаждать и нагревать.
«Когда провода механически нагружены, они нагреваются примерно на 20 градусов, так что этот процесс также можно использовать в качестве теплового насоса», — объяснил Феликс Уэлш, который также работал над прототипом системы в рамках своей докторской диссертации. В зависимости от используемого сплава мощность нагрева или охлаждения этой новой технологии до тридцати раз превышает механическую мощность, необходимую для загрузки и выгрузки пучков проволоки из сплава. Это делает новую систему значительно лучше, чем доступные в настоящее время тепловые насосы и обычные холодильники.
Система охлаждения является результатом многолетних исследований в различных проектах, многочисленных отмеченных наградами докторских диссертаций и тесного сотрудничества с группой под руководством профессора Андреаса Шютце из Саарского университета. Частично финансирование было предоставлено Немецким исследовательским фондом (DFG) в рамках его приоритетной программы «Ferroic Cooling». Благодаря сочетанию экспериментальных исследований и численного моделирования исследователи смогли оптимизировать лежащие в основе механизмы и смогли определить, сколько нитиноловых проволок должно быть включено в пучок или какую проволоку .уровень нагрузки был необходим для достижения определенной степени охлаждения. Опираясь на эти результаты, исследовательская группа теперь может настроить систему. Они разработали программный пакет, который позволяет им моделировать, планировать и точно настраивать системы охлаждения для конкретных приложений.
Команда Saarbrücken в настоящее время работает над несколькими проектами, направленными на дальнейшую оптимизацию процесса теплопередачи и, таким образом, на дальнейшее повышение эффективности новой технологии. Цель состоит в том, чтобы достичь стадии, когда практически вся энергия фазового перехода используется для нагрева или охлаждения.
Исследователи из команды Seelecke в настоящее время работают над разработкой технологии эластокалорийной энергии для использования в качестве системы охлаждения в электромобилях. С января 2022 года команда работает с академическими и промышленными партнерами над разработкой новой эластомерной системы охлаждения. «Наша цель — разработать, математически смоделировать и проверить альтернативную систему кондиционирования воздуха, которую можно использовать во всех классах автомобилей. Система сможет обеспечивать обогрев и охлаждение автомобиля.в то же время будучи более эффективным, более экологически чистым и более устойчивым, чем другие ранее доступные системы. Наша технология также будет компактнее, легче и экономичнее», — пояснил Пол Моцки, инженер-исследователь и управляющий директор команды Seelecke.
