Οι μηχανές δεν μπορούν πάντα να αντέξουν τη θερμότητα

Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύεται από

Η συζήτηση


.

Όχι μόνο οι άνθρωποι πρέπει να παραμένουν ψύχραιμοι, ειδικά το καλοκαίρι

ρεκόρ καύσωνα

. Πολλά μηχανήματα, συμπεριλαμβανομένων των κινητών τηλεφώνων, των κέντρων δεδομένων, των αυτοκινήτων και των αεροπλάνων, γίνονται λιγότερο αποτελεσμα

τι

κά και υποβαθμίζονται πιο γρήγορα σε

υπερβολική ζέστη

. Οι μηχανές παράγουν και τη δική τους θερμότητα, η οποία μπορεί να κάνει τις υψηλές θερμο

κρασί

ες γύρω τους ακόμα πιο καυτές.

Είμαστε

ερευνητές μηχανικής


που σπουδάζουν

πώς οι μηχανές διαχειρίζονται τη θερμότητα και τρόπους για την αποτελεσματική ανάκτηση και επαναχρησιμοποίηση της θερμότητας που διαφορετικά σπαταλάται. Υπάρχουν διάφοροι τρόποι με τους οποίους η υπερβολική ζέστη επηρεάζει τις μηχανές.

Κανένα μηχάνημα

δεν είναι

απόλυτα αποδοτικό – όλα τα μηχανήματα αντιμετωπίζουν κάποια εσωτερική τριβή κατά τη λειτουργία. Αυτή η τριβή αναγκάζει τα μηχανήματα να διαχέουν κάποια θερμότητα, επομένως όσο πιο ζεστό είναι έξω, τόσο πιο ζεστό θα είναι το μηχάνημα.

Κινητά τηλέφωνα

και παρόμοιες συσκευές με

μπαταρίες ιόντων λιθίου

σταματήστε να εργάζεστε επίσης όταν λειτουργείτε σε κλίματα άνω των 95 βαθμών Φαρενάιτ (35 βαθμοί Κελσίου) – αυτό γίνεται για να αποφύγετε την υπερθέρμανση και την αυξημένη πίεση στα ηλεκτρονικά.

Σχέδια ψύξης που χρησιμοποιούν καινοτόμα

υγρά που αλλάζουν φάση

μπορεί να βοηθήσει να διατηρηθούν τα μηχανήματα δροσερά, αλλά στις περισσότερες περιπτώσεις η θερμότητα εξακολουθεί να διαχέεται τελικά στον αέρα. Έτσι, όσο πιο ζεστός είναι ο αέρας, τόσο πιο δύσκολο είναι να διατηρήσετε ένα μηχάνημα αρκετά δροσερό ώστε να λειτουργεί αποτελεσματικά.

Επιπλέον, όσο πιο κοντά είναι τα μηχανήματα, τόσο περισσότερη θερμότητα θα διαχέεται στη γύρω περιοχή.

Παραμορφωτικά υλικά

Οι υψηλότερες θερμοκρασίες, είτε από τις καιρικές συνθήκες είτε από την υπερβολική θερμότητα που εκπέμπεται από τα μηχανήματα, μπορεί να προκαλέσουν παραμόρφωση των υλικών στα μηχανήματα. Για να το καταλάβετε αυτό, σκεφτείτε τι σημαίνει θερμοκρασία σε μοριακό επίπεδο.

Στο

η μοριακή κλίμακα

, η θερμοκρασία είναι ένα μέτρο του πόσα μόρια δονούνται. Έτσι, όσο πιο ζεστό είναι, τόσο περισσότερο δονούνται τα μόρια που συνθέτουν τα πάντα, από τον αέρα μέχρι το έδαφος έως τα υλικά των μηχανημάτων.

Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται και τα μόρια δονούνται περισσότερο, ο μέσος χώρος μεταξύ τους μεγαλώνει, με αποτέλεσμα τα περισσότερα υλικά να διαστέλλονται καθώς θερμαίνονται. Οι δρόμοι είναι ένα μέρος για να το δείτε – το ζεστό σκυρόδεμα διαστέλλεται, συστέλλεται και

τελικά ραγίζει

. Αυτό το φαινόμενο μπορεί να συμβεί και σε μηχανήματα, και οι θερμικές καταπονήσεις είναι μόνο η αρχή του προβλήματος.

Καθυστερήσεις ταξιδιού και κίνδυνοι για την ασφάλεια

Οι υψηλές θερμοκρασίες μπορούν επίσης να αλλάξουν τον τρόπο συμπεριφοράς των λιπαντικών στον κινητήρα του αυτοκινήτου σας, οδηγώντας σε πιθανές βλάβες του κινητήρα. Για παράδειγμα, εάν ένα κύμα καύσωνα το κάνει κατά 30 βαθμούς F (16,7 βαθμούς C) πιο ζεστό από το κανονικό, το ιξώδες – ή το πάχος – των τυπικών λιπαντικών κινητήρα αυτοκινήτου μπορεί να αλλάξει

με συντελεστή τρία

.

Τα υγρά όπως τα λάδια κινητήρα γίνονται πιο λεπτά καθώς θερμαίνονται, οπότε αν ζεσταθεί πολύ, το λάδι μπορεί να μην είναι αρκετά παχύ για να λιπαίνει σωστά και να προστατεύει τα μέρη του κινητήρα από αυξημένη φθορά.

Επιπλέον, μια ζεστή μέρα θα προκαλέσει διαστολή του αέρα μέσα στα ελαστικά σας και θα αυξήσει την πίεση των ελαστικών, κάτι που θα μπορούσε

αυξάνει τη φθορά και τον κίνδυνο ολίσθησης

.

Τα αεροπλάνα επίσης δεν είναι σχεδιασμένα να απογειώνονται σε ακραίες θερμοκρασίες. Καθώς γίνεται πιο ζεστό έξω, ο αέρας αρχίζει να διαστέλλεται και καταλαμβάνει περισσότερο χώρο από πριν, καθιστώντας τον πιο λεπτό ή λιγότερο πυκνό. Αυτό

μείωση της πυκνότητας του αέρα

μειώνει το βάρος που μπορεί να υποστηρίξει το αεροπλάνο κατά τη διάρκεια της πτήσης, γεγονός που μπορεί να προκαλέσει σημαντικό

καθυστερήσεις ταξιδιού

ή ακυρώσεις πτήσεων.

Υποβάθμιση της

μπαταρία

ς

Γενικά, τα ηλεκτρονικά που περιέχονται σε συσκευές όπως τα κινητά τηλέφωνα, οι προσωπικοί υπολογιστές και τα κέντρα δεδομένων αποτελούνται από πολλά είδη υλικών που όλα ανταποκρίνονται διαφορετικά στις αλλαγές θερμοκρασίας. Αυτά τα υλικά βρίσκονται όλα το ένα δίπλα στο άλλο σε στενούς χώρους. Έτσι, καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία, τα διάφορα είδη υλικών παραμορφώνονται διαφορετικά, κάτι που μπορεί να οδηγήσει σε

πρόωρη φθορά και αστοχία

.

Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου στα αυτοκίνητα και τα γενικά ηλεκτρονικά είδη υποβαθμίζονται γρηγορότερα σε υψηλότερες θερμοκρασίες λειτουργίας. Αυτό συμβαίνει επειδή οι υψηλότερες θερμοκρασίες

αυξάνουν τον ρυθμό των αντιδράσεων

εντός της μπαταρίας, συμπεριλαμβανομένων των αντιδράσεων διάβρωσης που εξαντλούν το λίθιο της μπαταρίας. Αυτή η διαδικασία εξαντλεί την αποθηκευτική του ικανότητα. Πρόσφατες έρευνες δείχνουν ότι τα ηλεκτρικά οχήματα

μπορούν να χάσουν περίπου το 20 τοις εκατό της εμβέλειάς τους

όταν εκτίθεται σε παρατεταμένο καιρό Φαρενάιτ 90 μοιρών.

Κέντρα δεδομένων

, που είναι κτίρια γεμάτα διακομιστές που αποθηκεύουν δεδομένα, διαχέουν σημαντικές ποσότητες θερμότητας για να διατηρούν τα εξαρτήματά τους δροσερά. Τις πολύ ζεστές μέρες, οι οπαδοί πρέπει να εργαστούν σκληρότερα για να διασφαλίσουν ότι τα τσιπ δεν υπερθερμαίνονται. Σε ορισμένες περιπτώσεις, οι ισχυροί ανεμιστήρες δεν επαρκούν για την ψύξη των ηλεκτρονικών.

Για να διατηρηθούν τα κέντρα δροσερά, ο εισερχόμενος ξηρός αέρας από το εξωτερικό συχνά στέλνεται πρώτα μέσω ενός υγρού μαξιλαριού. Το νερό από το μαξιλάρι εξατμίζεται στον αέρα και απορροφά θερμότητα, η οποία ψύχει τον αέρα. Αυτή η τεχνική, που ονομάζεται ψύξη με εξάτμιση, είναι συνήθως μια

οικονομικό και αποτελεσματικό τρόπο

για να διατηρείτε τα τσιπ σε λογική θερμοκρασία λειτουργίας.

Ωστόσο, η ψύξη με εξάτμιση μπορεί να απαιτεί α

σημαντική ποσότητα νερού

. Αυτό το ζήτημα είναι προβληματικό σε περιοχές όπου το νερό είναι σπάνιο. Το νερό για ψύξη μπορεί να προστεθεί στο ήδη

έντονο αποτύπωμα πόρων

που σχετίζονται με κέντρα δεδομένων.

Αγωνιζόμενα κλιματιστικά

Τα κλιματιστικά δυσκολεύονται να αποδώσουν αποτελεσματικά καθώς γίνεται πιο ζεστό έξω – ακριβώς όταν τα χρειάζονται περισσότερο. Τις ζεστές μέρες, οι συμπιεστές κλιματιστικών πρέπει να εργαστούν σκληρότερα

στείλτε τη ζέστη από τα σπίτια

έξω, που με τη σειρά του αυξάνει δυσανάλογα την κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας και

συνολική ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας

.

Για παράδειγμα, στο Τέξας, κάθε αύξηση 1,8 βαθμών F (1 βαθμός C) δημιουργεί αύξηση

περίπου 4 τοις εκατό στη ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας

.

Η ζέστη οδηγεί σε μια εκπληκτική αύξηση 50 τοις εκατό της ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού στις θερμότερες χώρες, θέτοντας σοβαρές απειλές

ελλείψεις ηλεκτρικού ρεύματος

ή διακοπές ρεύματος, σε συνδυασμό με υψηλότερες εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου.

Πώς να αποτρέψετε τη ζημιά από τη θερμότητα

Τα κύματα καύσωνα και η άνοδος της θερμοκρασίας σε όλο τον κόσμο δημιουργούν σημαντικά βραχυπρόθεσμα και μακροπρόθεσμα προβλήματα τόσο για τους ανθρώπους όσο και για τις μηχανές. Ευτυχώς, υπάρχουν πράγματα που μπορείτε να κάνετε για να ελαχιστοποιήσετε τη ζημιά.

Πρώτα, βεβαιωθείτε ότι τα μηχανήματά σας διατηρούνται σε κλιματιζόμενο,

καλά μονωμένος χώρος

ή μακριά από το άμεσο ηλιακό φως.

Δεύτερον, εξετάστε το ενδεχόμενο να χρησιμοποιήσετε συσκευές υψηλής ενέργειας όπως κλιματιστικά ή να φορτίσετε το ηλεκτρικό σας όχημα σε ώρες εκτός αιχμής, όταν λιγότεροι άνθρωποι χρησιμοποιούν ηλεκτρική ενέργεια. Αυτό μπορεί να βοηθήσει στην αποφυγή τοπικών ελλείψεων ηλεκτρικής ενέργειας.

Επαναχρησιμοποίηση θερμότητας

Επιστήμονες και μηχανικοί αναπτύσσουν τρόπους χρήσης και ανακύκλωσης των τεράστιων ποσοτήτων θερμότητας που διαχέονται από τις μηχανές. Ένα απλό παράδειγμα είναι η χρήση της σπατάλης θερμότητας από τα κέντρα δεδομένων

να ζεστάνει νερό

.

Η σπατάλη θερμότητας θα μπορούσε επίσης να οδηγήσει άλλα είδη συστημάτων κλιματισμού, όπως π.χ

ψύκτες απορρόφησης

το οποίο μπορεί πραγματικά να χρησιμοποιήσει τη θερμότητα ως ενέργεια για να υποστηρίξει ψύκτες μέσω μιας σειράς διαδικασιών χημικής και μεταφοράς θερμότητας.

Και στις δύο περιπτώσεις, η ενέργεια που απαιτείται για τη θέρμανση ή την ψύξη κάτι προέρχεται από θερμότητα που διαφορετικά σπαταλάται. Στην πραγματικότητα, η σπατάλη θερμότητας από σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής θα μπορούσε υποθετικά να υποστηρίξει το 27 τοις εκατό

ανάγκες κλιματισμού κατοικιών

γεγονός που θα μείωνε τη συνολική κατανάλωση ενέργειας και τις εκπομπές άνθρακα.

Η υπερβολική ζέστη μπορεί να επηρεάσει κάθε πτυχή της σύγχρονης ζωής και τα κύματα καύσωνα δεν θα εξαφανιστούν τα επόμενα χρόνια. Ωστόσο, υπάρχουν ευκαιρίες να εκμεταλλευτούμε την υπερβολική ζέστη και να την κάνουμε να λειτουργήσει για εμάς.

Σρινίβας Γκαριμέλα

είναι καθηγητής μηχανολογίας στο

Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Γεωργίας

και

Matthew T. Hughes

είναι μεταδιδακτορικός συνεργάτης στο

Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης (MIT)

Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύεται από

Η συζήτηση

με άδεια Creative Commons. Διαβάστε το

πρωτότυπο άρθρο

.