Ποιο είναι το μέλλον της συγκομιδής τριβοηλεκτρικής ενέργειας από τη ροή ρευστού σε αισθητήρες τροφοδοσίας θερμαντικών PTFE;

Η προσθήκη ενός ασύρματου αισθητήρα θερμοκρασίας σε έναν θερμαντήρα εμβάπτισης PTFE ακούγεται απλή θεωρητικά. Στην πράξη, η δρομολόγηση καλωδίων μέσω διαβρωτικών περιβαλλόντων διεργασίας ή η αλλαγή μπαταριών μέσα σε θερμά χημικά περιβλήματα, δημιουργεί εμπόδια συντήρησης, ζητήματα αξιοπιστίας και κινδύνους μόλυνσης. Αλλά μια νέα ιδέα μελέτης προτείνει μια θεμελιωδώς διαφορετική προσέγγιση: η ίδια η επιφάνεια PTFE να δημιουργεί την ηλεκτρική ενέργεια για τη λειτουργία του αισθητήρα.

Μπορεί να εμφανιστεί τριβοηλεκτρισμός, ένα φαινόμενο όπου δημιουργείται ένα μικρό στατικό ηλεκτρικό φορτίο όταν το υγρό διατρέχει το PTFE. Αυτή η χρέωση, όσο μικρή κι αν είναι, θα μπορούσε τελικά να είναι αρκετή για να τροφοδοτήσει τα gadget εξαιρετικά-χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας. Ένα τέτοιο σενάριο θα μπορούσε να οδηγήσει σε μια αυτο-πλατφόρμα ανίχνευσης όπου το ίδιο το υγρό διεργασίας είναι η πηγή ενέργειας για ασύρματη παρακολούθηση.

Η αρχή λειτουργίας του αισθητήρα θερμαντήρα PTFE που συγκομίζει τριβοηλεκτρική ενέργεια είναι μια από τις πιο ενδιαφέρουσες διασταυρώσεις της προηγμένης επιστήμης των υλικών, της θερμικής επεξεργασίας και του βιομηχανικού Διαδικτύου των πραγμάτων.

Το τριβοηλεκτρικό φαινόμενο που εξηγείται
Τριβοηλεκτρισμός είναι η δημιουργία ηλεκτρικού φορτίου με επαφή και διαχωρισμό ανόμοιων υλικών.

Η τριβοηλεκτρική σειρά είναι μια λίστα υλικών που κατατάσσονται σχετικά με το πόσο πιθανό είναι να αποκτήσουν ή να χάσουν ηλεκτρόνια σε αυτές τις αλληλεπιδράσεις. Το PTFE βρίσκεται στο ακραίο αρνητικό άκρο αυτής της σειράς και θεωρείται από τις πιο γνωστές ηλεκτραρνητικές ουσίες.

Όταν τα μόρια ρευστού ρέουν σε μια επιφάνεια PTFE, μπορεί να συμβεί διαχωρισμός φορτίου στη διεπιφάνεια. Ανάλογα με τη χημεία του υγρού, τις συνθήκες ροής και τη συγκέντρωση ιόντων, τα ηλεκτρόνια μπορεί να συλλέγονται κατά προτίμηση στο PTFE, αφήνοντας τα αντίθετα φορτία στο υγρό.

Αυτή η συνεχής επαφή οδηγεί σε ένα μικροσκοπικό, αλλά σταθερό ηλεκτρικό δυναμικό υπό συνθήκες ροής.

Σε κανονικά βιομηχανικά συστήματα, ένα τέτοιο στατικό φορτίο είναι συχνά ανεπιθύμητο και μπορεί να χρειαστεί να γειωθεί ή να διασκορπιστεί. Αλλά σε μελέτες συλλογής νέων{1}}ενέργειας, η φόρτιση γίνεται πιθανή πηγή ενέργειας.

Πώς λειτουργεί ένας τριβοηλεκτρικός αισθητήρας θερμαντήρα PTFE;
Το σχεδιασμένο σύστημα είναι απλό στην ιδέα αλλά προηγμένο στην τεχνολογία.

Ένας θερμαντήρας εμβάπτισης PTFE θα αποτελείται από:

Ένα εμφυτευμένο αγώγιμο ηλεκτρόδιο.

Κύκλωμα συλλογής ενέργειας.

Ένας μικρός πυκνωτής ή υπερπυκνωτής

Αισθητήρας εξαιρετικά χαμηλής ισχύος

Μονάδα ασύρματης επικοινωνίας χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας

Καθώς το υγρό τρέχει πάνω από την επιφάνεια PTFE, συσσωρεύεται τριβοηλεκτρικό φορτίο στο ενσωματωμένο ηλεκτρόδιο. Το συγκεντρωμένο φορτίο συσσωρεύεται σταθερά σε μια μικρή αποθήκευση ενέργειας.

Με δεδομένο χρόνο, μπορεί να δημιουργήσετε αρκετή ενέργεια για να τροφοδοτήσετε σύντομα:

Μετρητής θερμοκρασίας

Ένα μόνιτορ αγωγιμότητας

Ένας αισθητήρας των συνθηκών διαδικασίας

Ασύρματη ή Bluetooth μετάδοση χαμηλής ισχύος

Το ρέον υγρό λειτουργεί ως καλώδιο τροφοδοσίας του αισθητήρα, καταργώντας την απαίτηση για τυπική εξωτερική καλωδίωση ρεύματος.

Triboelectric Nanogenerators και PTFE
Πολλές από αυτές τις ιδέες βασίζονται σε συσκευές που ονομάζονται τριβοηλεκτρικές νανογεννήτριες ή για συντομία TENG.

Ένα TENG μετατρέπει τη μηχανική κίνηση ή την αλληλεπίδραση με ένα ρευστό σε χρησιμοποιήσιμη ηλεκτρική ενέργεια μέσω της μεταφοράς τριβοηλεκτρικού φορτίου και της ηλεκτροστατικής επαγωγής.

Η ισχυρή αρνητική τριβοηλεκτρική συμπεριφορά των συστημάτων βασισμένων σε PTFE-καθιστά το υλικό πολύ κατάλληλο για τέτοιους σκοπούς.

Μια τριβοηλεκτρική νανογεννήτρια μπορεί να δημιουργήσει πολύ υψηλές τάσεις υπό ιδανικές συνθήκες, αν και το διαθέσιμο ρεύμα εξακολουθεί να είναι αρκετά μέτριο.

Τα τυπικά χαρακτηριστικά εξόδου είναι:

Υψηλή τάση

Εξαιρετικά χαμηλό ρεύμα

Διακοπτόμενη Παραγωγή Ηλεκτρικής Ενέργειας

Επίπεδα ισχύος μικροβάτ

Αυτό το προφίλ λειτουργίας δεν ταιριάζει με τα συμβατικά ηλεκτρονικά, αλλά είναι όλο και πιο καλό για τις τρέχουσες τεχνολογίες αισθητήρων εξαιρετικά-χαμηλής-ισχύς.

Γιατί το PTFE είναι ιδιαίτερα ελκυστικό για τη συγκομιδή ενέργειας
Το PTFE είναι σημαντικό στα χημικά συστήματα θέρμανσης επειδή:

Εξαιρετική χημική αντοχή

• Ηλεκτρομονωτική ιδιότητα

Θερμική σταθερότητα

Συμπεριφορά μη κολλητικών-επιφανειών

Η συναρπαστική πολυλειτουργική προοπτική είναι ότι το ίδιο υλικό μπορεί επίσης να δημιουργήσει χρησιμοποιήσιμο ηλεκτρικό φορτίο όταν το υγρό ρέει από πάνω του.

Ο θερμαντήρας PTFE μπορεί να χρησιμοποιηθεί για:

Μια συσκευή θέρμανσης

Μια χημικά αδρανής επένδυση διαδικασίας

Ένας ηλεκτρικός μη αγωγός.

Δομικό στοιχείο

Μια πηγή ενέργειας για αυτο-αισθητήρα

Αυτή η συρροή δυνατοτήτων είναι καλά ευθυγραμμισμένη με μεγαλύτερες τάσεις στην έξυπνη κατασκευή, δίνοντας έμφαση στην ενσωματωμένη νοημοσύνη και την κατανεμημένη αίσθηση.

Πιθανές βιομηχανικές εφαρμογές
Μόλις ωριμάσει αρκετά, μια τεχνολογία αισθητήρα θερμαντήρα PTFE συλλογής τριβοηλεκτρικής ενέργειας θα μπορούσε να είναι ένας πολλά υποσχόμενος υποψήφιος για την υποστήριξη πολλών βιομηχανικών εφαρμογών.

Δοχεία Χημικής Επεξεργασίας
Αυτό θα μπορούσε να διευκολύνει την ασύρματη παρακολούθηση της θερμοκρασίας σε σκληρά οξέα ή διαλύτες χωρίς ευάλωτες διεισδύσεις καλωδίωσης.

Υγροί πάγκοι Ημιαγωγός
Κόμβοι αισθητήρων-ελεύθεροι-χωρίς μπαταρίες θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην αντιμετώπιση προβλημάτων μόλυνσης σε βιομηχανικά περιβάλλοντα με υψηλή ρύθμιση.

Εξοπλισμός απομακρυσμένης διαδικασίας
"Οι αισθητήρες-αυτοτροφοδοτούμενοι μπορεί να είναι επωφελείς για εγκαταστάσεις όπου η παραδοσιακή καλωδίωση είναι δαπανηρή και δύσκολη στη συντήρηση.

Συστήματα Πρόβλεψης Συντήρησης
Τα αυτόνομα δίκτυα ανίχνευσης θα μπορούσαν να παρακολουθούν συνεχώς:

Θερμοκρασία θερμαντήρα

Συνθήκες ροής

Δονήσεις

Αξιοπιστία της διαδικασίας

επαφή με χημικά

Ο κόμβος αισθητήρα συλλέγει ενέργεια απευθείας από την κίνηση του ρευστού και επομένως η ανάγκη για συντήρηση θα μπορούσε να μειωθεί σημαντικά.

Τρέχοντες περιορισμοί της τεχνολογίας
Η τεχνολογία είναι εννοιολογικά ελκυστική, αλλά εξακολουθεί να βρίσκεται κυρίως στο στάδιο της έρευνας και της πειραματικής ανάπτυξης.

Πολλές από τις πρωταρχικές τεχνολογικές προκλήσεις παραμένουν ανεπίλυτες.

Πολύ χαμηλή κατανάλωση ενέργειας
Οι υπάρχουσες τριβοηλεκτρικές μηχανές συγκομιδής λειτουργούν συνήθως σε επίπεδο μικροβάτ.

Αυτός ο περιορισμός περιορίζει σημαντικά:

Πολυπλοκότητα αισθητήρων

Συχνότητα μετάδοσης δεδομένων

Πεδίο επικοινωνίας

Δυνατότητα παρακολούθησης σε πραγματικό-χρόνο

Σε πολλά πειραματικά συστήματα χρειάζονται λίγα λεπτά για να συσσωρευτεί ενέργεια προτού πραγματοποιηθεί μια σύντομη ασύρματη μετάδοση.

Εξάρτηση από Χαρακτηριστικά Ρευστών
Η παραγωγή φόρτισης εξαρτάται κυρίως από:

Χημεία υγρών

Αγωγιμότητα (

Ιονική συγκέντρωση

Ταχύτητα ροής

Κατάσταση επιφάνειας

Ορισμένα υγρά είναι πολύ πιο τριβοηλεκτρικά ενεργά από άλλα.

Η ικανότητά του να διαχωρίζει το φορτίο σε μη-μη πολικούς διαλύτες και ορισμένα ιοντικά διαλύματα μπορεί να είναι πιο ωφέλιμη από ό,τι σε υγρά υψηλής αγωγιμότητας.

Περιβαλλοντική Σταθερότητα
Οι επιπλοκές σε βιομηχανικά περιβάλλοντα περιλαμβάνουν:

Ρύπανση

Μόλυνση σε επιφάνειες

Μεταβλητότητα στην υγρασία

Χημική αποσύνθεση

Ηλεκτρικός θόρυβος

Ωστόσο, η διατήρηση της σταθερής μακροπρόθεσμης απόδοσης συλλογής ενέργειας σε πραγματικές βιομηχανικές συνθήκες εξακολουθεί να αποτελεί ερευνητικό πρόβλημα.

Αποτελεσματικότητα αποθήκευσης ενέργειας.
Επειδή τα τριβοηλεκτρικά συστήματα δημιουργούν πολύ μικρά ρεύματα, είναι πολύ απαραίτητο να έχουμε καλά ηλεκτρονικά συστήματα αποθήκευσης ενέργειας.

Εάν τα ηλεκτρονικά δεν έχουν σχεδιαστεί σωστά για λειτουργία εξαιρετικά-χαμηλής-ισχύς, οι απώλειες στο κύκλωμα φόρτισης μπορεί να υπερβούν γρήγορα τη δεσμευμένη ενέργεια.

Η βιομηχανική συνδεσιμότητα στο Διαδίκτυο των Πραγμάτων
Η τριβοηλεκτρική συγκομιδή έχει μακροπρόθεσμες επιπτώσεις πέρα ​​από τους θερμαντήρες.

Οι βιομηχανικές εγκαταστάσεις βασίζονται όλο και περισσότερο σε κατανεμημένα δίκτυα ανίχνευσης για:

Προγνωστική συντήρηση

Βελτιστοποίηση της διαδικασίας

Επιτήρηση περιουσιακών στοιχείων

Διαχείριση ενέργειας

Συσκευές ασφαλείας

Η παραδοσιακή ανάπτυξη αισθητήρα συνήθως πάσχει από:

Κόστος καλωδίωσης

Αντικαταστήστε την μπαταρία

Ακραία περιβάλλοντα

Πρόσβαση στη συντήρηση

Μια αυτοτροφοδοτούμενη αρχιτεκτονική αισθητήρων μπορεί να διευκολύνει σημαντικά την ανάπτυξη-μεγάλης κλίμακας ασύρματων βιομηχανικών συστημάτων ανίχνευσης.

Η ιδέα της εξαγωγής ενέργειας απευθείας από τη ροή της διεργασίας είναι πολύ ελκυστική καθώς η παρακολουθούμενη διαδικασία παρέχει ταυτόχρονα τη λειτουργική ισχύ.

Γιατί το όραμα είναι ακόμα ελκυστικό
Τα επίπεδα ισχύος είναι μικρά σε αυτό το σημείο, αλλά η βασική ιδέα εξακολουθεί να είναι αρκετά όμορφη.

Το περιβάλλον διεργασίας έχει ήδη μια χημικά αδρανή επιφάνεια PTFE. Αυτή η επιφάνεια είναι ήδη καλυμμένη με ρέον υγρό. Εάν μπορούμε να συλλέγουμε με συνέπεια έστω και μικρές ποσότητες ηλεκτρικής ενέργειας από αυτή την αλληλεπίδραση, καθιστά νοητές εντελώς νέες κατηγορίες αυτόνομων βιομηχανικών συσκευών.

Πλεονεκτήματα: Δεν απαιτούνται μπαταρίες.

Καμία φθορά της μπαταρίας

Χωρίς περιόδους αντικατάστασης

Απαιτείται λιγότερη πρόσβαση στη συντήρηση.

Λιγότερες πιθανότητες μόλυνσης

Ευκολότερες απαιτήσεις σφράγισης

Επίσης, η έλλειψη εξωτερικής καλωδίωσης μειώνει τις πιθανές διαδρομές διάβρωσης και την πολυπλοκότητα της εγκατάστασης.

Αυτά τα πλεονεκτήματα είναι ιδιαίτερα επιθυμητά σε αυστηρά χημικά περιβάλλοντα.

Σύναψη:
Η ιδέα του αισθητήρα θερμαντήρα PTFE που συγκομίζει τριβοηλεκτρική ενέργεια είναι μια πολλά υποσχόμενη μελλοντική τεχνολογία που συνδυάζει την εξελιγμένη επιστήμη των υλικών, τα ηλεκτρονικά εξαιρετικά-χαμηλής-ισχύς και τη μηχανική βιομηχανικών διεργασιών. Μικρές ποσότητες ηλεκτρικού φορτίου που δημιουργούνται από ρέον υγρό θα μπορούσαν μια μέρα να τροφοδοτήσουν αυτόνομους ασύρματους κόμβους αισθητήρων χωρίς μπαταρίες ή εξωτερικά καλώδια, αξιοποιώντας τα εγγενή τριβοηλεκτρικά χαρακτηριστικά του PTFE.

Τα τρέχοντα συστήματα τριβοηλεκτρικών νανογεννητριών εξακολουθούν να περιορίζονται σε επίπεδα ισχύος μικροβάτ και σε ερευνητικές-εφαρμογές σταδίου, αλλά το μακροπρόθεσμο- όραμα είναι ενδιαφέρον. Μια νέα προσέγγιση για τη βιομηχανική παρακολούθηση είναι ένας θερμαντήρας PTFE με σύστημα αυτο-αίσθησης που κινείται από το υγρό που θερμαίνεται.

Αλλά σήμερα, η εξαγωγή τριβοηλεκτρικού ρεύματος από το ρευστό λειτουργίας ενός θερμαντήρα PTFE εξακολουθεί να είναι μια ιδέα του μπλε-ουρανού που θα μπορούσε τελικά να βοηθήσει να επιτραπούν εκτεταμένα, χωρίς συντήρηση-δίκτυα ανίχνευσης σε όλο το συνδεδεμένο εργοστάσιο. Ο στατικός ηλεκτρισμός θα μπορούσε κάποια μέρα να τροφοδοτήσει το μέλλον των βιομηχανικών αισθητήρων.