Mikä on Tribosähköisen energian keräämisen tulevaisuus nestevirtauksesta teho-PTFE-lämmitinantureille?

Langattoman lämpötila-anturin lisääminen PTFE-sähkölämmittimeen kuulostaa teoriassa yksinkertaiselta. Käytännössä johtojen reitittäminen syövyttävissä prosessiympäristöissä tai paristojen vaihtaminen kuumissa kemiallisissa koteloissa aiheuttaa ylläpidon esteitä, luotettavuusongelmia ja saastumisvaaroja. Mutta uusi tutkimusidea ehdottaa pohjimmiltaan erilaista lähestymistapaa: PTFE-pinta itse tuottaa sähköä anturin käyttämiseen.

Tribosähköä, ilmiötä, jossa pieni staattinen sähkövaraus syntyy, kun neste kulkee PTFE:n poikki, voi esiintyä. Tämä lataus, olipa pieni kuinka pieni tahansa, voi lopulta riittää tehostamaan erittäin-pienitehoisia laitteita. Tällainen skenaario voisi johtaa omatehoiseen-anturialustaan, jossa prosessineste itsessään on langattoman valvonnan energialähde.

Tribosähköistä energiaa keräävän PTFE-lämmitinanturin toimintaperiaate on yksi edistyneen materiaalitieteen, lämpökäsittelyn ja teollisen esineiden internetin mielenkiintoisimmista risteyksistä.

Tribosähköinen vaikutus selitettynä
Tribosähkö on sähkövarauksen luomista koskettamalla ja erottamalla erilaisia ​​materiaaleja.

Tribosähköinen sarja on luettelo materiaaleista, jotka on luokiteltu sen mukaan, kuinka todennäköisesti ne saavat tai menettävät elektroneja näissä vuorovaikutuksissa. PTFE on tämän sarjan äärimmäisen negatiivisessa päässä, ja sitä pidetään yhtenä elektronegatiivisimmista tunnetuista aineista.

Kun nestemolekyylit virtaavat PTFE-pinnan poikki, varauksen erottuminen voi tapahtua rajapinnassa. Nesteen kemiasta, virtausolosuhteista ja ionipitoisuudesta riippuen elektronit voivat kerätä ensisijaisesti PTFE:lle jättäen nesteeseen vastakkaiset varaukset.

Tämä jatkuva kosketus johtaa pieneen, mutta tasaiseen sähköpotentiaaliin virtausolosuhteissa.

Tavallisissa teollisissa järjestelmissä tällainen staattinen varaus on usein ei-toivottua ja se on ehkä maadoitettava tai hajotettava. Mutta uusissa energian{1}}korjuututkimuksissa varauksesta tulee mahdollinen virtalähde.

Kuinka Triboelectric PTFE-lämmittimen anturi toimii?
Suunniteltu järjestelmä on ajatukseltaan yksinkertainen, mutta tekniikaltaan edistynyt.

PTFE-uppolämmitin koostuisi:

Implantoitu johtava elektrodi.

Energiankeruupiiri.

Pieni kondensaattori tai superkondensaattori

Erittäin pienitehoinen anturi

Pieni virrankulutus langaton viestintämoduuli

Kun neste juoksee PTFE-pinnan yli, tribosähköinen varaus kertyy upotettuun elektrodiin. Kerätty varaus kerääntyy tasaisesti pieneen energiavarastoon.

Ajan myötä saatat tuottaa tarpeeksi energiaa lyhyen virrankäyttöön:

Lämpömittari

Johtavuusmonitori

Prosessin olosuhteiden anturi

Pienitehoinen langaton tai Bluetooth-lähetys

Virtaava neste toimii anturin virtakaapelina, mikä poistaa tyypillisen ulkoisen virtajohdon tarpeen.

Tribosähköiset nanogeneraattorit ja PTFE
Monet näistä ideoista perustuvat laitteisiin, joita kutsutaan triboelektrisiksi nanogeneraattoreiksi tai lyhyesti TENG:iksi.

TENG muuttaa mekaanisen liikkeen tai vuorovaikutuksen nesteen kanssa käyttökelpoiseksi sähköenergiaksi tribosähköisen varauksensiirron ja sähköstaattisen induktion avulla.

PTFE{0}}-pohjaisten järjestelmien voimakas negatiivinen tribosähköinen käyttäytyminen tekee materiaalista erittäin sopivan tällaisiin tarkoituksiin.

Tribosähköinen nanogeneraattori voi luoda erittäin korkeita jännitteitä ihanteellisissa olosuhteissa, vaikka käytettävissä oleva virta on edelleen melko vaatimaton.

Tyypilliset lähtöominaisuudet ovat:

Korkea jännite

Erittäin alhainen virta

Ajoittainen sähköntuotanto

Mikrowatin tehotasot

Tämä toimintaprofiili sopii huonosti perinteiseen elektroniikkaan, mutta sopii yhä paremmin nykyisille erittäin{0}}pienitehoisille-anturitekniikoille.

Miksi PTFE on erityisen houkutteleva energiankorjuussa
PTFE on tärkeä kemiallisissa lämmitysjärjestelmissä, koska:

Erinomainen kemikaalinkestävyys

• Sähköeristysominaisuus

Lämpöstabiilisuus

Tarttumattomien pintojen -käyttäytyminen

Jännittävä monikäyttöinen mahdollisuus on, että sama materiaali voi myös tuottaa käyttökelpoista sähkövarausta, kun neste virtaa sen yli.

PTFE-lämmitintä voidaan käyttää:

Lämmityslaite

Kemiallisesti inertti prosessivuoraus

Sähköinen johtamaton.

Rakenteellinen elementti

Virtalähde omatehoiselle{0}}anturille

Tämä ominaisuuksien yhdistelmä on hyvin linjassa älykkään valmistuksen suurempien trendien kanssa, jotka painottavat sulautettua älykkyyttä ja hajautettua tunnistusta.

Mahdolliset teolliset sovellukset
Kun tribosähköistä energiaa keräävä PTFE-lämmitinanturitekniikka on riittävän kypsä, se voisi olla lupaava ehdokas tukemaan monia teollisia sovelluksia.

Kemialliset käsittelyastiat
Tämä voi helpottaa lämpötilan valvontaa langattomasti ankarissa hapoissa tai liuottimissa ilman haavoittuvia johtojen läpivientejä.

Wet Benches Semiconductor
Paristottomat-ultrapuhtaat{1}}anturisolmut voivat auttaa ratkaisemaan kontaminaatioongelmia tiukasti säännellyissä teollisuusympäristöissä.

Etäprosessilaitteet
"Itse{0}}toimivista antureista voi olla hyötyä asennuksissa, joissa perinteinen johdotus on kallista ja vaikea ylläpitää.

Ennakoiva huoltojärjestelmä
Autonomiset tunnistusverkot voisivat jatkuvasti tarkkailla:

Lämmittimen lämpötila

Virtausolosuhteet

Tärinä

Prosessin luotettavuus

kosketusta kemikaalien kanssa

Anturisolmu kerää energiaa suoraan nesteen liikkeestä ja siten huoltotarvetta voitaisiin vähentää huomattavasti.

Nykyiset tekniikan rajoitukset
Tekniikka on käsitteellisesti houkutteleva, mutta se on vielä pääosin tutkimus- ja kokeellisessa kehitysvaiheessa.

Monet tärkeimmistä teknologisista haasteista ovat edelleen ratkaisematta.

Erittäin pieni virrankulutus
Nykyiset tribosähköiset harvesterit toimivat tyypillisesti mikrowattitasolla.

Tämä rajoitus rajoittaa suuresti:

Antureiden monimutkaisuus

Tiedonsiirron taajuus

Viestinnän laajuus

Mahdollisuus seurata reaaliajassa{0}}

Monissa kokeellisissa järjestelmissä energian kerääntyminen kestää minuutteja ennen kuin yksi lyhyt langaton lähetys voi tapahtua.

Riippuvuus nesteen ominaisuuksista
Latauksen muodostus riippuu enimmäkseen:

Nesteiden kemia

Johtavuus (

Ionipitoisuus

Virran nopeus

Pinnan kunto

Jotkut nesteet ovat paljon sähköisesti aktiivisempia kuin toiset.

Sen kyky erottaa varaus ei--polaarisissa liuottimissa ja joissakin ioniliuoksissa voi olla hyödyllisempää kuin erittäin johtavissa nesteissä.

Ympäristön vakaus
Teollisuusympäristöjen komplikaatioita ovat:

Likaantuminen

Pintojen kontaminaatio

Kosteuden vaihtelu

Kemiallinen hajoaminen

Sähköinen melu

Tasaisen pitkän aikavälin{0}}energiankeruutehokkuuden ylläpitäminen todellisissa teollisuustilanteissa on kuitenkin edelleen tutkimusongelma.

Energian varastoinnin tehokkuus.
Koska tribosähköiset järjestelmät luovat hyvin pieniä virtoja, on erittäin tärkeää olla hyvä energian varastointielektroniikka.

Jos elektroniikkaa ei ole suunniteltu oikein erittäin-pienitehoiseen-käyttöön, latauspiirin häviöt voivat nopeasti ylittää kerätyn energian.

Teollinen esineiden internet -yhteydet
Tribosähköisellä korjuulla on pitkän aikavälin vaikutuksia lämmittimien lisäksi.

Teollisuuslaitokset luottavat yhä enemmän hajautettuihin anturiverkkoihin:

Ennakoiva huolto

Prosessin optimointi

Omaisuuden valvonta

Energianhallinta

Turvalaitteet

Perinteinen anturin käyttöönotto kärsii yleensä:

Johdotuksen hinta

Vaihda akku

Äärimmäiset ympäristöt

Huoltopääsy

Itse{0}}käyttöinen anturiarkkitehtuuri voi helpottaa huomattavasti langattomien teollisten anturijärjestelmien laajamittaista-käyttöönottoa.

Ajatus energian ottamisesta suoraan prosessivirrasta on erittäin houkutteleva, sillä valvottava prosessi tuottaa samanaikaisesti käyttötehoa.

Miksi visio on edelleen houkutteleva
Tehotasot ovat tässä vaiheessa pienet, mutta perusidea on silti melko kaunis.

Prosessiympäristössä on jo kemiallisesti inertti PTFE-pinta. Tämä pinta on jo peitetty virtaavalla nesteellä. Jos pystymme jatkuvasti keräämään pieniäkin määriä sähköenergiaa tästä vuorovaikutuksesta, se tekee mahdolliseksi täysin uusia itsenäisten teollisuuslaitteiden luokkia.

Plussat: Ei vaadi paristoja.

Ei akun kulumista

Ei vaihtoaikoja

Vähemmän pääsyä huoltoon.

Pienempi saastumisen mahdollisuus

Helpommat tiivistysvaatimukset

Myös ulkoisen johdotuksen puute vähentää mahdollisia korroosioreittejä ja asennuksen monimutkaisuutta.

Nämä edut ovat erityisen toivottavia vaikeissa kemiallisissa olosuhteissa.

Johtopäätös:
Tribosähköistä energiaa keräävä PTFE-lämmitinanturikonsepti on erittäin lupaava tulevaisuuden tekniikka, jossa yhdistyvät pitkälle kehitetty materiaalitiede, ultra{0}}vähätehoinen-elektroniikka ja teollinen prosessitekniikka. Pienet määrät virtaavan nesteen synnyttämää sähkövarausta voisivat jonain päivänä antaa virtaa itsenäisille langattomille anturisolmuille ilman paristoja tai ulkoisia kaapeleita hyödyntäen PTFE:n luontaisia ​​tribosähköisiä ominaisuuksia.

Nykyiset tribosähköiset nanogeneraattorijärjestelmät rajoittuvat edelleen mikrowattitehotasoihin ja tutkimus{0}}vaiheisiin toteutuksiin, mutta pitkän aikavälin-näkemys on kiehtova. Uusi lähestymistapa teolliseen valvontaan on PTFE-lämmitin, jossa on itse-anturijärjestelmä, jota ohjaa lämmitettävä neste.

Mutta nykyään tribosähkön erottaminen PTFE-lämmittimen käyttönesteestä on edelleen sininen{0}}taivas-konsepti, joka voisi lopulta auttaa mahdollistamaan laajalle levinneille, huoltovapaille-anturiverkoille koko liitetyn tehtaan. Staattinen sähkö voisi joskus ruokkia teollisuusanturien tulevaisuutta.