모양

Mar 03, 2024

프로토타입 폐열 엔진은 피스톤을 통해 뜨거운 물과 찬 물을 순환시켜 작동합니다.​

5년 전 과학자, 엔지니어, 사업가가 실험을 수행하기 위해 더블린의 한 뒷마당에서 만났습니다. 그들은 전기 차 메이커에서 물을 가열한 다음 이등분된 파이프에 물을 부었습니다. 하프파이프의 바닥에는 철사가 길게 늘어져 있었고, 한 사람이 그 옆에 자를 들고 있었습니다. 뜨거운 물이 파이프를 통해 분출되면서 와이어는 몇 센티미터 단축되었습니다. 그 위에 찬물을 부으면 원래의 길이로 돌아왔습니다. 세 사람은 자신들이 뭔가 큰 일을 벌일지도 모른다고 생각했습니다.

그들이 테스트한 이상한 모핑 와이어는 형상기억합금이라는 재료로 만들어졌습니다. 이러한 금속(일부 비금속도 포함) 특정 온도나 압력, 전기 자극을 받을 때 미리 결정된 모양으로 바뀌거나 그 모양으로 변합니다. 60년 전에 발명된 형상기억합금은 생물의학, 항공공학 등의 분야에서 사용되어 왔습니다. 그러나 가장 완고하게 파악하기 어려운 응용 분야 중 하나는 뜨거운 물에서 에너지를 수확하는 것입니다. 이제 Exergyn이라는 회사의 창립자인 전직 뒷마당 실험가들은 산업 공정에서 남은 모핑 와이어와 뜨거운 물을 사용하여 전기를 생산하는 엔진을 만들었다고 말합니다.

일부 추정에 따르면 미국 산업에서 사용되는 에너지의 약 3분의 1이 열로 손실됩니다. Case Western University의 고분자 과학 교수이자 폐열 전문가인 Rigoberto Advincula는 "산업 공정이나 기계나 발전소를 식히기 위해 물을 사용할 때 열 교환 중에 많은 에너지가 낭비됩니다"라고 말합니다. 엑서진과 연결되었습니다. 발전을 포함한 산업 응용 분야의 부산물로 생성된 가열된 물은 발전기를 가동하는 엔진에 동력을 공급할 수 있는 증기를 생산할 만큼 충분히 뜨겁지 않습니다.

일부 발전소와 산업 사용자는 2차 엔진을 통해 뜨거운 폐수를 보냅니다. 이 엔진은 유기 랭킨 사이클이라는 프로세스를 사용하여 해당 물에 있는 적은 양의 에너지를 전기로 변환합니다. 그러나 이 기술은 가열된 물에서 전력을 생성하기 위해 화학 물질이 필요합니다. 이를 수행하는 데 가장 적합한 화학 물질 중 일부는 환경에 위험하거나 유해하므로 종종 금지되거나 제한됩니다. 청정 화학물질은 폐수에서 에너지를 효율적으로 끌어오지 않습니다. Exergyn과 관련이 없는 스탠포드 대학 지구, 에너지 및 환경 과학 대학의 지구 시스템 강사인 Jonathan Koomey에 따르면, 이는 이러한 엔진을 실행하는 데 드는 운영 비용을 증가시키며, 이는 엔진이 항상 비용 효율적이지는 않다는 것을 의미한다고 말합니다.

이것이 모핑 와이어가 필요한 곳입니다. 형상 기억 합금은 고유한 분자 특성을 가지고 있습니다. 즉, 온도에 따라 미리 결정된 모양 사이를 이동합니다. 이것이 바로 이 소재가 원래의 형상 기억 합금의 변형인 니티놀을 사용하는 Exergyn의 새로운 엔진의 핵심인 이유입니다. "이름은 니켈(Ni)과 티타늄(Ti)의 합금이라는 사실을 나타내며 NOL은 니티놀이 발명된 [이전] 해군 병기 연구소를 나타냅니다."라고 Middle Tennessee 대학의 화학 교수인 Preston MacDougall은 말합니다. Exergyn과 연결되지 않은 주립 대학.

분자 규모에서 니티놀은 이상하게 규칙적입니다. “대부분의 합금은 분자 수준에서 실제 구조를 갖고 있지 않습니다. 소금 결정이나 다이아몬드와 같은 내부의 질서정연한 배열과는 대조적으로 금속 용액과 같습니다.”라고 MacDougall은 말합니다. 그러나 니티놀 분자는 90도 각도의 정육면체를 형성합니다. MacDougall은 현미경으로 보면 마치 신발 상자가 쌓여 있는 것처럼 보인다고 말합니다..이러한 분자를 가열하면 물질이 수축하도록 직각이 예각 또는 둔각이 되어 아주 약간 방향을 바꾸게 됩니다.물질을 식히면 분자가 직각을 되찾고 형상기억합금은 원래의 크기와 모양으로 돌아갑니다.

Exergyn의 엔진은 이러한 형태 변화 동작을 활용하여 폐열수를 전기로 전환합니다. 개발자들은 엔진이 폐열 배관 시스템에 설치되어 뜨거운 물을 원통형 피스톤 챔버로 순환시킬 수 있다고 말합니다. 각 피스톤은 니티놀 와이어에 부착되어 있습니다. Exergyn의 CEO인 Alan Healy는 “뜨거운 물이 들어오면 [와이어]가 상대적으로 적은 양으로 수축하지만 매우 강력하게 수축합니다.”라고 말합니다. 그런 다음 엔진은 찬물을 피스톤 챔버로 순환시킵니다. 니티놀이 팽창하고 피스톤이 다시 튀어 나옵니다. 피스톤의 반대편에는 점성 유체가 있습니다. 움직이는 피스톤은 발전기를 회전시키는 유압 변속기를 통해 유체를 밀어 전기를 생성합니다. “이러한 재료의 특성을 사용하여 에너지를 생성하는 것은 직관에 반하는 소리입니다.