Форма

Mar 03, 2024

Прототип двигателя на отходах тепла работает за счет циркуляции горячей и холодной воды через поршни.

Полвека назад учёный, инженер и бизнесмен встретились на заднем дворе Дублина, чтобы провести эксперимент. Они нагрели воду в электрочайнике, а затем налили ее в разрезанный пополам отрезок трубы. Внизу хаф-пайпа лежал кусок проволоки, а рядом с ним один из мужчин держал линейку. Когда горячая вода хлынула по трубе, проволока укоротилась на несколько сантиметров; когда его полили холодной водой, он вернулся к своей первоначальной длине. Трио подумало, что, возможно, они замышляют что-то большое.

Странный трансформирующийся провод, который они тестировали, был сделан из материала, называемого сплавом с памятью формы. Такие металлы(и некоторые неметаллы) принимать и менять заданные формы под воздействием определенных температур, давления или электрических раздражителей. Изобретенный 60 лет назад сплав с памятью формы нашел применение в таких областях, как биомедицина и авиационная техника. Но одно из наиболее труднодостижимых применений — получение энергии из горячей воды. Теперь эти бывшие экспериментаторы на заднем дворе — основатели компании Exergyn — говорят, что они создали двигатель, который использует преобразующую проволоку и горячую воду, оставшуюся от промышленных процессов, для выработки электроэнергии.

По некоторым оценкам, около трети энергии, используемой промышленностью в США, теряется в виде тепла. «Много энергии тратится впустую в промышленных процессах или во время теплообмена, когда вода используется для охлаждения машин или электростанций», — говорит Ригоберто Адвинкула, профессор макромолекулярной науки в Университете Кейс Вестерн и эксперт по отходному теплу, который не является подключен к Exergyn. Нагретая вода, получаемая в качестве побочного продукта промышленного применения, включая выработку электроэнергии, недостаточно горячая, чтобы производить пар, который может привести в действие двигатель, запускающий генератор.

Некоторые электростанции и промышленные потребители направляют свои горячие сточные воды через вторичные двигатели, которые преобразуют небольшой процент энергии этой воды в электричество с помощью процесса, называемого органическим циклом Ренкина. Однако эта технология требует использования химикатов для выработки электроэнергии из нагретой воды. Некоторые из лучших химикатов для этого опасны или вредны для окружающей среды, поэтому их часто запрещают или ограничивают. Более чистые химикаты не так эффективно извлекают энергию из сточных вод. По словам Джонатана Куми, преподавателя систем Земли в Школе наук о Земле, энергетике и окружающей среде Стэнфордского университета, который не связан с Exergyn, это увеличивает эксплуатационные расходы на эксплуатацию этих двигателей, а это означает, что они не всегда рентабельны.

Вот тут-то и приходят на помощь морфирующиеся проволоки. Сплавы с памятью формы обладают уникальными молекулярными свойствами — они меняют заданную форму в зависимости от температуры. Вот почему этот материал является сердцем нового двигателя Exergyn, в котором используется нитинол, вариация оригинального сплава с памятью формы. «Название отражает тот факт, что это сплав никеля (Ni) и титана (Ti), а NOL относится к [бывшей] Военно-морской артиллерийской лаборатории, где был изобретен нитинол», — говорит Престон МакДугалл, профессор химии в Среднем Теннесси. Государственный университет, не связанный с Exergyn.

На молекулярном уровне нитинол удивительно упорядочен. «Большинство сплавов не имеют реальной структуры на молекулярном уровне. Они похожи на растворы металлов, а не на упорядоченное расположение внутри чего-то вроде кристалла соли или алмаза», — говорит МакДугалл. Однако молекулы нитинола образуют правильные кубоиды с углами 90 градусов. По словам Макдугалла, под микроскопом это выглядит как стопка сложенных коробок из-под обуви..Нагрейте эти молекулы, и они слегка изменят свою ориентацию — прямые углы станут острыми или тупыми — так что материал сожмется.Охладите материал, и молекулы вновь обретут свои прямые углы, а сплав с памятью формы вернется к своим первоначальным размерам и форме.

Двигатель Exergyn использует это свойство изменения формы, чтобы превратить отработанную тепловую воду в электричество. Его разработчики заявляют, что двигатель может быть установлен в системе отвода тепла, где горячая вода будет поступать в цилиндрические поршневые камеры. Каждый поршень прикреплен к нитиноловой проволоке. «Когда поступает горячая вода, [провод] сжимается относительно незначительно, но очень сильно», — говорит Алан Хили, генеральный директор Exergyn. Затем двигатель подает холодную воду в поршневую камеру. Нитинол расширяется, и поршень снова выскакивает наружу. На другой стороне поршня находится вязкая жидкость. Движущийся поршень проталкивает жидкость через гидравлическую трансмиссию, которая вращает генератор, создавая электричество. «Использование свойств этих материалов для генерации энергии звучит нелогично.