Промышленное отопление обеспечивает работу всего, от химического производства до крупномасштабных производственных процессов. Однако большинство предприятий по-прежнему используют ископаемое топливо для выработки тепла. Инженеры давно ищут эффективные электрические альтернативы, способные выдерживать суровые условия внутри промышленных систем. Исследователи из Университета Райса сообщают о потенциальном решении, созданном из неожиданного материала: углеродных нанотрубок […]
Промышленное отопление обеспечивает работу всего, от химического производства до крупномасштабных производственных процессов.
Однако большинство предприятий по-прежнему используют ископаемое топливо для выработки тепла. Инженеры давно ищут эффективные электрические альтернативы, способные выдерживать суровые условия внутри промышленных систем.
Исследователи из Университета Райса сообщают о потенциальном решении, созданном из неожиданного материала: волокон из углеродных нанотрубок, которые больше напоминают тонкие нити, чем металлические спирали.
В ходе экспериментов нагреватели, изготовленные из этих волокон, показали значительно более высокую мощность нагрева на единицу массы, чем традиционные элементы из металлических сплавов, при воздействии потока газов.
В работе представлен новый подход к проектированию, который может способствовать электрификации промышленного теплоснабжения.
«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».
В промышленных системах часто используется метод, называемый погружным нагревом, при котором нагревательные элементы располагаются непосредственно в потоке газа. Такая конструкция повышает эффективность, поскольку тепло быстро передается движущемуся газу.
Однако погружной нагрев также создает серьезные механические и термические напряжения в материалах. Нагревательные элементы должны выдерживать высокие температуры, постоянный поток воздуха и неравномерное распределение тепла.
«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. «Геометрия, стабильность и производительность тесно взаимосвязаны».
Инженеры также сталкиваются с постоянным ограничением в проектировании: размером. Тонкие нагреватели передают тепло газам более эффективно.
Однако традиционные металлические сплавы становятся сложными в производстве и обработке при уменьшении их диаметра.
Волокна из углеродных нанотрубок предлагают возможное решение. Эти волокна сочетают в себе электрическое сопротивление, подходящее для джоулева нагрева, с исключительной прочностью и относительно высокой теплопроводностью.
«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 геометрию нагревателей и технологии изготовления, которые были бы непрактичны при использовании традиционных материалов».
Волокна превосходят металлические нагреватели по своим характеристикам.
Вместо того чтобы адаптировать углеродные волокна к традиционным конструкциям, исследователи создали нагреватели, полностью состоящие из этих волокон. Они разработали несколько конфигураций, включая отдельные нити, параллельные массивы и ткани, похожие на текстиль.
Команда измеряла производительность с помощью удельной мощности нагрузки, которая отслеживает, какое количество тепловой энергии может выдержать устройство до выхода из строя.
При различных конструкциях и условиях эксплуатации нагреватели из CNTF неизменно демонстрировали более высокие удельные мощности, чем аналогичные элементы из металлических сплавов.
Преимущество стало особенно очевидным в неокисляющих средах, где материалы на основе углерода могут выдерживать гораздо более высокие температуры без деградации.
«Высокая теплопроводность этих нагревателей помогает равномерно распределять тепло и подавлять локальные перегревы, которые являются распространенной причиной выхода нагревателей из строя», — сказал Джефф Вемайер, доцент кафедры машиностроения.
«Распространение тепла коренным образом меняет поведение этих устройств в экстремальных условиях».
Конструкция обогревателя, вдохновленная текстильными материалами.
Ключевое преимущество углеродных нановолокон заключается в их механической гибкости. Волокна могут достигать чрезвычайно малого диаметра, оставаясь при этом достаточно прочными для изготовления и эксплуатации.
«Материалы становятся эффективными только тогда, когда из них можно надежно строить», — сказал Паскуали.
«CNTF-материалы обеспечивают необычайную гибкость: например, в них можно завязать узел, и они не порвутся; это расширяет доступное пространство для проектирования».
Исследователи также использовали методы, вдохновленные текстильной промышленностью, для преобразования нановолокон в практические устройства.
Нити CNTF можно ткать, вязать и собирать в легкие пористые структуры с большой площадью поверхности.
«Технологии текстильной промышленности предоставляют нам исключительную свободу в создании трехмерных архитектур», — сказала Ванесса Санчес, доцент кафедры машиностроения. «Мы можем проектировать нагреватели, которые являются легкими, пористыми и механически податливыми, сохраняя при этом электрическую функциональность».
По сравнению с жесткими металлическими сетками, ткани CNTF продемонстрировали более равномерный нагрев и меньшее количество зон перегрева.
В рамках проекта были объединены экспертные знания в области материаловедения, наноразмерной теплопередачи, проектирования устройств и производства.
Команда также сотрудничала с промышленными исследователями из Shell и с компанией DexMat, которая нарастила 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».
Результаты исследования опубликованы в журнале Small.
Sourse: interestingengineering.com
