«Текстильные» нагреватели из углеродных нанотрубок могут помочь промышленности электрифицировать высокотемпературное газовое отопление.

Междисциплинарная группа из Университета Райса разработала новый тип электрического нагревательного элемента, который меньше похож на традиционную металлическую катушку, а больше на высокопроизводительную нить. В исследовании, опубликованном в МаленькийИсследователи продемонстрировали, что провода и ткани, изготовленные из волокон углеродных нанотрубок (CNTF), могут обеспечивать значительно большую тепловую мощность на единицу массы, чем обычные нагреватели из металлических сплавов, когда они помещаются непосредственно в поток газов. Полученные данные указывают на потенциальный новый путь электрификации промышленного отопления, что является важным, но технически сложным шагом на пути к сокращению выбросов углекислого газа.

«Электрификация промышленного тепла — один из самых важных и самых сложных этапов декарбонизации», — сказала первый автор Мониша Виджай Кумар, аспирантка кафедры прикладной физики. «Мы хотели понять, сможет ли совершенно другой класс материалов расширить возможности газового отопления».

Промышленные предприятия обычно нагревают газы для различных процессов: от химического производства и сушки до термической обработки и производства. Сегодня это тепло обычно генерируется за счет сжигания топлива. Хотя электрический нагрев может показаться простой заменой — пропусканием тока через резистивный элемент, нагрев движущихся газов предъявляет строгие требования к материалам и конструкции. Нагреватели должны быстро и равномерно передавать энергию в газовый поток, избегая при этом разрушительных горячих точек, механической деформации и поломок при экстремальных температурах. Размещение нагревательных элементов непосредственно в потоке газа (стратегия, известная как нагрев погружением) повышает эффективность, но значительно увеличивает нагрузку на материал.

«Когда вы погружаете нагреватель непосредственно в поток газа, вы повышаете эффективность теплопередачи, но при этом создаете гораздо более суровую рабочую среду», — сказал Дэниел Дж. Престон, доцент кафедры машиностроения, чья лаборатория изучает высокопроизводительные системы терморегулирования. «Геометрия, стабильность и производительность тесно связаны друг с другом».

Одним из самых упрямых ограничений является размер. Более тонкие нагревательные элементы более эффективно обмениваются теплом с газами, но традиционные металлические сплавы трудно изготавливать и обрабатывать при очень малых диаметрах. CNTF предлагают поразительную альтернативу; они сочетают в себе удельное электрическое сопротивление, подходящее для джоулева нагрева, с исключительным соотношением прочности к весу и необычайно высокой теплопроводностью по сравнению с традиционными материалами нагревателей.

«Волокна из углеродных нанотрубок ведут себя совсем иначе, чем металлические проволоки», — сказал Маттео Паскуали, профессор химической и биомолекулярной инженерии AJ Hartsook и директор Carbon Hub. «Они легкие, гибкие и удивительно прочные, что позволяет нам учитывать геометрию нагревателей и методы изготовления, которые были бы непрактичны при использовании обычных материалов».

Новые архитектуры, реализованные на основе волокон CNT

Вместо того, чтобы адаптировать CNTF к существующим конструкциям нагревателей, команда создала устройства, полностью изготовленные из волокон, включая одиночные нити, параллельные массивы и ткани, подобные текстилю. Их ключевым показателем производительности была удельная мощность нагрузки — максимальная мощность нагрева на единицу массы, которую устройство может выдержать до выхода из строя.

В различных конфигурациях и условиях эксплуатации нагреватели CNTF неизменно обеспечивают более высокую удельную мощность, чем сопоставимые элементы из металлических сплавов. Преимущество особенно заметно в неокисляющих средах, где материалы на основе углерода могут выдерживать гораздо более высокие температуры без разрушения. С точки зрения теплопередачи особенно важными оказались термические свойства волокон.

“Их высокая теплопроводность помогает распределять тепло и подавлять локализованные горячие точки, которые являются распространенной причиной выхода из строя нагревателей», — сказал Джефф Вемайер, доцент кафедры машиностроения и эксперт по наномасштабной передаче тепла. «Это распространение тепла фундаментально меняет поведение этих устройств в экстремальных условиях».

Исследование подчеркивает тот факт, что повышение производительности происходит не только за счет свойств материала, но и за счет новых архитектур, которые эти свойства позволяют реализовать. CNTF можно производить чрезвычайно малого диаметра, сохраняя при этом механическую прочность, открывая возможности проектирования, которые трудно достичь с помощью металлических проволок.

«Материалы становятся эффективными только тогда, когда вы можете с ними надежно строить», — сказал Паскуали. «CNTF обеспечивают необычайную гибкость: например, вы можете завязать на них узел, и они не порвутся; это расширяет доступное пространство для дизайна».

Подходы к производству, основанные на текстиле

Отличительной особенностью работы является использование текстильных технологий изготовления. Нити CNTF можно ткать, вязать и собирать в легкие конструкции с большой площадью поверхности, геометрия которых особенно хорошо подходит для погружного нагрева. Ванесса Санчес, доцент кафедры машиностроения, поделилась своим опытом в области передовых производственных и текстильных технологий, которые помогли превратить наноразмерные волокна в системы масштаба устройства.

«Текстильные технологии дают нам невероятную свободу в создании трехмерной архитектуры», — сказал Санчес. «Мы можем разработать нагреватели, которые будут легкими, пористыми и механически совместимыми, сохраняя при этом электрическую функциональность».

По сравнению с жесткими металлическими сетками ткани CNTF продемонстрировали более равномерное нагревание и меньшее образование горячих точек, что снова связано со способностью волокон эффективно распределять тепло.

Сотрудничество от лаборатории до промышленности

Проект представляет собой необычное сближение исследовательских сообществ, объединяющее синтез материалов, науку о наномасштабной теплопередаче, разработку устройств и производство. Исследование также выиграло от тесного сотрудничества с промышленными исследователями Робертом Хедриком и Друвом Аророй из Shell, а также с исследовательской группой DexMat, которая коммерциализировала и увеличила производство CNTF.

«Эта работа потребовала многоуровневого опыта», — сказал Вемейер. «Производство высококачественных CNTF — это только отправная точка. Понимание того, как они ведут себя термически, и интеграция их в функциональные устройства не менее важны».