Rice University: Q-переключение тепла в водном прототипе дало пятикратный импульс мощности
Инженеры Rice University накапливают тепло в двух встречных потоках жидкости и выдают его импульсом при постоянной мощности нагрева. Пока это водный лабораторный прототип.
Инженеры Rice University описали метод активного Q-переключения тепла: устройство с потоками жидкости накапливает тепло и отдаёт его коротким импульсом, пока мощность нагрева остаётся постоянной. Работа опубликована в Cell Reports Physical Science doi.org
Cell Reports Physical Sciencedoi.orgОткрыть источник ↗. В настольной установке на воде выходная мощность одного из каналов выросла примерно в пять раз по сравнению со стационарным значением до переключения
doi.org
Cell Reports Physical Sciencedoi.orgОткрыть источник ↗.
Как работает тепловой осциллятор
Устройство состоит из двух теплосвязанных каналов, в которых жидкость течёт в противоположных направлениях (противоточный тепловой осциллятор). Подход заимствован из физики лазеров: добротность Q показывает, насколько хорошо резонатор удерживает энергию. Лазеры с Q-переключением накапливают энергию и отдают её коротким мощным импульсом. Команда Rice перенесла тот же принцип управляемого накопления и выдачи на тепловую энергию doi.org
Cell Reports Physical Sciencedoi.orgОткрыть источник ↗.
При согласованных потоках тепло переходит между каналами туда и обратно и остаётся внутри дольше, чем жидкость проходит через устройство. Это состояние высокой добротности, в нём энергия накапливается doi.org
Cell Reports Physical Sciencedoi.orgОткрыть источник ↗. Рассогласование потоков или ослабление теплообмена между каналами нарушает эту рециркуляцию. Устройство переходит в состояние низкой добротности, и накопленное тепло уходит быстро
doi.org
Cell Reports Physical Sciencedoi.orgОткрыть источник ↗. По словам авторов, вода остаётся жидкой и при накоплении, и при отдаче, плавление и замерзание накопительного материала не используются.
Эксперимент и модель
В эксперименте использовали самодельную настольную установку с водой, нагреваемую светодиодной лампой. После примерно пяти часов стационарного нагрева исследователи увеличили расход в одном канале. Пиковая тепловая мощность на его выходе выросла примерно в пять раз по сравнению со значением до переключения, а мощность нагрева не менялась doi.org
Cell Reports Physical Sciencedoi.orgОткрыть источник ↗.
Нестационарная термогидравлическая модель воспроизвела опыт с водой. Для системы с жидким металлом в качестве рабочей среды модель предсказывает пик примерно в 20 раз выше мощности на входе при расчётных условиях doi.org
Cell Reports Physical Sciencedoi.orgОткрыть источник ↗. Моделирование также показывает, что стопка из нескольких осцилляторов расширяет доступный диапазон запасаемой энергии и мощности
doi.org
Cell Reports Physical Sciencedoi.orgОткрыть источник ↗. Авторы отмечают, что дополнительная мощность импульса берётся из тепла, накопленного ранее.
Принцип пока показан только на воде. Соавтор работы Наоми Халас (Naomi Halas) назвала следующей задачей надёжность управления при повторяющихся циклах и подбор под тепловые потребности конкретного применения. В числе возможных применений авторы называют стерилизацию, очистку, запуск дистилляционных установок, использование солнечного или промышленного сбросного тепла и управление температурой в микрофлюидных устройствах.
