Кондиционеры, становящиеся все более энергоэффективными, в действительности близки к пределу совершенства. Учитывая ситуацию, ученые занимаются поиском новых материалов, увеличивающих теплопередачу и кардинально меняющих конструкцию климатической техники.
Революционное открытие американских ученых
Тепловые нагрузки и холодопроизводительность климатической техники неуклонно растут, выводя используемые сегодня материалы на пределы прочностных и теплопередающих показателей. Поиском технологий, повышающих проводимость тепла, занимаются в американском Беркли.
Исследуя поведение металлических проволок из различных сплавов на предмет теплопроводности, исследователи столкнулись с удивительным фактом – уменьшение диаметра проволок сопровождается повышением скорости проведения тепла. Особый интерес вызвали эффекты, зарегистрированные для ультратонких проволок, занимающих размерами поперечных сечений сегмент нанообъектов.
Среди протестированных на теплопроводность был триселенид ниобия, из кристалла которого вытягивали нанопроволоки различных диаметров. Уменьшение их сечения вызывало снижение теплового сопротивления в показательной степени. Пока такой материал стал рекордсменом.
Отмечается, что подобное поведение металлических проволок предсказал ещё 65 лет назад Энрико Ферми. Тогда эффект назвали парадоксом FPUT. Суть явления – увеличение теплопроводности атомных цепочек по мере наращивания их длины. Математическое моделирование тогда это подтвердило. Но экспериментаторам добиться успеха не удалось. Ведь получить одномерные атомные цепочки в те времена было невозможно. Другими словами, проблема имела академический интерес.
Уникальность свойств нано-проволочек NbSe 3 начинают проявлять с размеров менее 26 нанометров, когда отдельные атомы выстраиваются в цепочки силами Ван-дер-Ваальса. У проволок больших диаметров имеет место обратная зависимость. Что интересно, рост протяженности нанопроволок тоже приводит к увеличению теплопроводности. Вызывается это, как установили экспериментаторы, ростом ковалентных связей, которые и выстраивают отдельные атомы в своеобразные одномерные нити.
Колебания решетки такой нити, при прохождении тепла – фононов – не затрагивают соседние цепочки. То есть, не наблюдается рассеивания, характерного для макрообъектов.
Работа американцев выдвигает сплав на просторы коммерческого использования в климатических системах, что кардинально изменит конструкцию конденсирующих устройств.
Теплообменники из полимеров
Несколько прозаичнее выглядит работа исследователей ЮУрГУ, запатентовавших теплообменный блок, в котором основная роль принадлежит полым полимерным волокнам. Последние снимут проблемы коррозии алюминиевых/медных труб классических теплопередающих устройств.
Конечно, коррозия не единственный отрицательный фактор, вынуждающий заниматься поиском альтернатив медным/алюминиевым трубкам теплообменников. На втором месте стоит цена этих металлов, кстати, постоянно растущая. Борясь с коррозией, начали использовать и нержавеющую сталь, которая достаточно тяжелая и дорогая.
Именно эти причины перевели взгляд ученых на пластики, которым не требуются легирующие добавки и сложная обработка при изготовлении компонентов будущих теплообменников, в основе которых привычный бак-аккумулятор с полыми полимерными волокнами, заменившими традиционные медные/алюминиевые трубы.
Если у американцев разработали нанометаллические проволочки, то уральцы применили пучки из сотен пластиковых трубочек, через которые протекает вода. Для изготовления трубок испробовали полиамид, поликарбонат, полипропилен. В ходе экспериментов стало понятно, что выбор материала и параметров трубок будет зависеть от условий применения. Пучки обладают прекрасной теплоотдачей и просто монтируются.
Уральскими теплообменниками заинтересовались немцы, которым подобные устройства требуются в сегменте альтернативной энергетики для работы в схемах солнечных коллекторов, геотермальных установок, ветряных электрогенераторов. Самое привлекательное – гибридные энергоустановки, под которые уральцы планируют разработать цифровую автоматику, выбирающую источник энергии экономически выгодный в данный момент. Например, переброс нагрузки ночью с солнечных батарей на пеллетный котел.
Доводку уральского теплообменника до рыночных кондиций университету помогают ученые чешского Техуниверситета в Брно и германского Машиностроительного университета в Аутсбурге. Основная задача – перевести лабораторный прототип на рельсы массового производства. Конечно, американские теплопередающие проволочки выглядят креативнее, но сроками реализации отечественный теплообменника выглядит привлекательнее.
