作者:黄吉平 来源:PRL 发布时间:2016/7/30 20:39:07
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复旦大学黄吉平课题组零能耗保温研究获进展

 

实验结果显示:处于高温和低温之间的一个特殊区域可以在不消耗能量的情况下维持在特定温度。

X. Shen et al., Phys.Rev.Lett. (2016)

保持恒温。模拟结果显示:除了环境温度所造成的轻微扰动,无能耗恒温器在经过特殊设计的区域保持恒温。装置的几何结构与理论设计的一维情况不同,而是与二维“热斗篷”一样,对于中心区域之外的材料,其热导率以不同方式随热导率变化。上图所展示的三张温度分布,左端均维持在273.15 K, 右端温度依次为:323.2 K,338.2 K和353.2 K. 在右端温度升高30 K的情况下,中心区域的温度改变不超过1.2 K.

维持相对稳定的温度对于电子芯片和建筑物内部非常重要,而为了保持温暖或者凉爽,经常需要提供一定的能量。然而,一个中国物理学家的课题组日前证实了在无需能量输入的情况下可以使高温端和低温端的中心某区域维持在特定温度。其基本出发点是:将指定区域包围在特殊材料中间,这些特殊材料的热学性质随温度变化而改变。该课题组的结果显示:无任何能耗的情况下,尽管一端温度升高30度,中心金属区域保持恒温。这项工作的研究者们相信,他们的这种概念设计可以拓展到实际的节能系统中。

当房屋的一侧背光另一侧曝露在早晨或正午的阳光下,通常房屋内的温度会发生变化,而为了维持室内温度恒定通常需要消耗能量。在温度剧烈变化的设备,比如电子器件和飞行器中,也存在类似的温度控制难题。

为了解决这个难题,上海复旦大学的黄吉平教授和合作者提出了“无能耗恒温器”。他们的构想是:一个温度为T的小区域向两端延伸,联通远处的高温端和低温端。问题的关键在于:如何防止中心区域的温度随远处热源或冷源的改变而升高或降低。

该团队的设计方案利用了材料热导率(热导率描述材料导通热流的能力)随温度变化的性质。按照他们给出的数学结果:低温端材料需要在温度大于T时导热性良好,而温度低于T时导热性较差,高温端材料性质相反。通过求解热传导方程,该团队指出:在例如高温端升温的情况下,中心区域仍可以维持温度T。

黄吉平和他的合作者还要求器件满足这样的性质:高温端温度升高时,热流量保持不变,这样可以达到没有能量增减的效果。你可能会认为高温端升温后中心区域会被加热,但是由于这一端热导率下降,这就使得在保持相同的热流量时会增加中心区域和高温端的温度差。就像电线和水管,当通道对流的阻力增大时,两端的电压或水压会相应增大(假设流量固定)。对于热流,通过类比同样可以得到温度差会增加的结果,而这将足以使中心区域维持温度T。

研究者们也通过实验验证了这个想法,他们试图在变化的高温端和低温端之间的薄金属条上维持恒定的温度。为了制作两端的导热材料,他们构造了用不同材料组成的双层联动的复合结构。其中一层固定在平面上,导热能力较弱;另外一层包含了可随温度改变而向上弯曲的材料,这样可以隔断热流通道,只留下导热能力较弱的一层。实验上,利用热成像,研究者们发现当高温端从(约)320 K 增加到353 K时,中心区域只增加了1度(多)。

黄吉平希望这个想法能够尽快用于商业用途,特别是在减小能量消耗方面。对于室温的控制,在房屋外表面应用使用随温度适当变化的材料可以减少对空调的需求。他还指出,这一概念还可应用于朝阳面和背阳面温差巨大的卫星上。

新加坡国立大学的Cheng-Wei Qiu 说:“这个想法非常新颖、巧妙,它在物体两侧环境温度变化的的情况下非常有用。”他还补充说,这种方法在房屋温度控制方面非常的有前景。

这项研究发表在《物理评论快报》上。(来源:科学网博客)

 
 
 
 
 
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