Междисциплинарная группа исследователей из Университета Райса разработала новый тип электрического нагревательного элемента — он меньше похож на традиционную металлическую спираль и больше на высокоэффективную нить. В исследовании, опубликованном в журнале Small, ученые продемонстрировали, что проволоки и ткани, изготовленные из волокон углеродных нанотрубок (CNTF), могут обеспечивать значительно большую мощность нагрева на единицу массы, чем обычные нагреватели из металлических сплавов, при непосредственном помещении в поток газа. Полученные результаты указывают на потенциальный новый путь электрификации промышленного отопления — важный, но технически сложный шаг на пути к сокращению выбросов углерода.

«Электрификация промышленного тепла — один из важнейших и наиболее сложных аспектов декарбонизации», — сказала первый автор исследования Мониша Виджай Кумар, аспирантка в области прикладной физики. «Мы хотели понять, может ли совершенно другой класс материалов расширить возможности газового отопления».

На промышленных предприятиях газы регулярно нагреваются для различных процессов, от химического производства и сушки до термической обработки и изготовления. Сегодня это тепло обычно генерируется путем сжигания топлива. Хотя электрический нагрев может показаться простой заменой — пропусканием тока через резистивный элемент — нагрев движущихся газов предъявляет жесткие требования к материалам и конструкции. Нагреватели должны быстро и равномерно передавать энергию в газовый поток, избегая при этом образования разрушительных зон перегрева, механической деформации и выхода из строя при экстремальных температурах. Размещение нагревательных элементов непосредственно в газовом потоке (стратегия, известная как погружной нагрев) повышает эффективность, но значительно увеличивает нагрузку на материал.

«Когда вы погружаете нагреватель непосредственно в поток газа, вы повышаете эффективность теплопередачи, но при этом создаете гораздо более жесткие условия эксплуатации», — сказал Дэниел Дж. Престон, доцент кафедры машиностроения, чья лаборатория изучает высокоэффективные системы терморегулирования. «Геометрия, стабильность и производительность становятся тесно взаимосвязаны».

Одно из самых сложных ограничений — это размер. Более тонкие нагревательные элементы более эффективно обмениваются теплом с газами, но традиционные металлические сплавы трудно изготавливать и обрабатывать при очень малых диаметрах. Углеродсодержащие волокнистые материалы предлагают впечатляющую альтернативу; они сочетают в себе электрическое сопротивление, подходящее для джоулева нагрева, с исключительным соотношением прочности к весу и необычайно высокой теплопроводностью по сравнению с традиционными материалами для нагревательных элементов.

«Углеродные нанотрубчатые волокна ведут себя совершенно иначе, чем металлические проволоки», — сказал Маттео Паскуали, профессор химической и биомолекулярной инженерии имени Эй Джей Хартсука и директор Carbon Hub. «Они легкие, гибкие и удивительно прочные, что позволяет нам рассматривать геометрии нагревателей и методы изготовления, которые были бы непрактичны при использовании традиционных материалов».

Новые архитектуры, созданные благодаря волокнам из углеродных нанотрубок.

Вместо того чтобы адаптировать углеродные волокна к существующим конструкциям нагревателей, команда создала устройства, полностью изготовленные из этих волокон, включая отдельные нити, параллельные массивы и текстильные материалы. Ключевым показателем эффективности стала удельная мощность нагрузки — максимальная мощность нагрева на единицу массы, которую устройство может выдержать до отказа.

В различных конфигурациях и условиях эксплуатации нагреватели из углеродных волоконных материалов (CNTF) неизменно демонстрировали более высокие удельные мощности, чем аналогичные элементы из металлических сплавов. Преимущество было особенно заметно в неокисляющих средах, где углеродсодержащие материалы могут выдерживать гораздо более высокие температуры без деградации. С точки зрения теплопередачи, тепловые свойства волокон оказались особенно важными.

« Высокая теплопроводность помогает распределять тепло и подавлять локальные перегревы, которые являются распространенной причиной выхода нагревателей из строя», — сказал Джефф Вемайер, доцент кафедры машиностроения и эксперт в области теплопередачи на наноразмерном уровне. «Это распределение тепла коренным образом меняет поведение этих устройств в экстремальных условиях».

Исследование подчеркивает тот факт, что повышение производительности обусловлено не только свойствами материала, но и новыми архитектурными решениями, которые эти свойства позволяют реализовать. Углеродные нанотрубки с волокнистыми волокнами могут быть изготовлены с чрезвычайно малым диаметром, сохраняя при этом механическую прочность, что открывает возможности проектирования, труднодостижимые при использовании металлических проводов.

«Материалы становятся эффективными только тогда, когда из них можно надежно строить», — сказал Паскуали. «CNTF обеспечивают необычайную гибкость: например, в них можно завязать узел, и они не порвутся; это расширяет доступное пространство для проектирования».

Производственные подходы, вдохновленные текстильной промышленностью

Отличительной особенностью работы является использование технологий производства, вдохновленных текстильной промышленностью. Нити CNTF можно ткать, вязать и собирать в легкие структуры с большой площадью поверхности — геометрии, которые особенно хорошо подходят для погружного нагрева. Ванесса Санчес, доцент кафедры машиностроения, внесла свой вклад, предоставив экспертные знания в области передовых технологий производства и текстильной промышленности, что помогло преобразовать нановолокна в системы промышленного масштаба.

«Технологии текстильной промышленности предоставляют нам исключительную свободу в создании трехмерных архитектур, — сказал Санчес. — Мы можем проектировать нагреватели, которые являются легкими, пористыми и механически податливыми, сохраняя при этом электрическую функциональность».

По сравнению с жесткими металлическими сетками, ткани из углеродных нановолокон продемонстрировали более равномерный нагрев и уменьшили образование локальных перегревов, что опять же связано со способностью волокон эффективно распределять тепло.

Сотрудничество от лаборатории до промышленности

Этот проект представляет собой необычное сближение исследовательских сообществ, объединяющее синтез материалов, науку о теплопередаче в наномасштабе, проектирование устройств и производство. Исследование также получило пользу от тесного сотрудничества с промышленными исследователями Робертом Хеддриком и Дхрувом Аророй из Shell, а также с исследовательской группой DexMat, которая коммерциализировала и масштабировала производство CNTF.

«Эта работа потребовала многоуровневой экспертизы», — сказал Вемайер. «Производство высококачественных углеродных нанотрубок — это только начало. Не менее важно понимать их тепловые характеристики и интегрировать их в функциональные устройства».