Kakšna je prihodnost triboelektričnega pridobivanja energije iz pretoka tekočine za napajanje PTFE grelnih senzorjev?

Dodajanje brezžičnega senzorja temperature PTFE potopnemu grelniku se v teoriji sliši preprosto. V praksi napeljava žic skozi korozivna procesna okolja ali menjava baterij znotraj vročih kemičnih ohišij ustvarja ovire pri vzdrževanju, težave z zanesljivostjo in nevarnosti kontaminacije. Toda nova študijska ideja predlaga bistveno drugačen pristop: da površina PTFE sama ustvari elektriko za delovanje senzorja.

Lahko se pojavi triboelektričnost, pojav, pri katerem nastane majhen statični električni naboj, ko tekočina teče čez PTFE. Ta polnitev, čeprav majhna, bi lahko na koncu zadostovala za napajanje pripomočkov z izjemno-majhno porabo energije. Takšen scenarij bi lahko povzročil samo-platformo zaznavanja, kjer je procesna tekočina sama vir energije za brezžično spremljanje.

Načelo delovanja triboelektričnega PTFE grelnega senzorja za pridobivanje energije je eno bolj zanimivih stičišč napredne znanosti o materialih, toplotne obdelave in industrijskega interneta stvari.

Razlaga triboelektričnega učinka
Triboelektričnost je ustvarjanje električnega naboja s stikom in ločevanjem različnih materialov.

Triboelektrična serija je seznam materialov, razvrščenih glede na to, kako verjetno je, da bodo v teh interakcijah pridobili ali izgubili elektrone. PTFE leži na skrajnem negativnem koncu te serije in velja za eno najbolj elektronegativnih znanih snovi.

Ko molekule tekočine tečejo čez površino PTFE, lahko na vmesniku pride do ločitve naboja. Odvisno od kemije tekočine, pogojev pretoka in koncentracije ionov se lahko elektroni zbirajo prednostno na PTFE, pri čemer v tekočini ostanejo nasprotni naboji.

Ta stalen stik vodi do majhnega, a enakomernega električnega potenciala v pogojih toka.

V običajnih industrijskih sistemih je takšen statični naboj pogosto nezaželen in ga bo morda treba ozemljiti ali razpršiti. Toda v novih-študijah pridobivanja energije naboj postane potencialni vir energije.

Kako deluje triboelektrični PTFE grelni senzor?
Zasnovan sistem je idejno preprost, a tehnološko napreden.

PTFE potopni grelnik bi bil sestavljen iz:

Implantirana prevodna elektroda.

Krog pridobivanja energije.

Majhen kondenzator ali superkondenzator

Senzor ultra nizke moči

Brezžični komunikacijski modul z nizko porabo energije

Ko tekočina teče po površini PTFE, se na vgrajeni elektrodi nabira triboelektrični naboj. Zbrani naboj se postopoma akumulira v majhno shrambo energije.

Čez čas boste morda ustvarili dovolj energije za kratkotrajno napajanje:

Merilnik temperature

Monitor prevodnosti

Senzor procesnih pogojev

Nizkoenergijski brezžični ali Bluetooth prenos

Pretočna tekočina deluje kot napajalni kabel senzorja, s čimer ni več potrebe po tipični zunanji napajalni napeljavi.

Triboelektrični nanogeneratorji in PTFE
Mnoge od teh idej temeljijo na napravah, imenovanih triboelektrični nanogeneratorji ali na kratko TENG.

TENG spremeni mehansko gibanje ali interakcijo s tekočino v uporabno električno energijo s pomočjo triboelektričnega prenosa naboja in elektrostatične indukcije.

Zaradi močnega negativnega triboelektričnega obnašanja sistemov na osnovi PTFE- je material zelo primeren za takšne namene.

Triboelektrični nanogenerator lahko ustvari zelo visoke napetosti v idealnih pogojih, čeprav je razpoložljivi tok še vedno precej skromen.

Tipične izhodne značilnosti so:

Visoka napetost

Izjemno nizek tok

Občasna proizvodnja električne energije

Raven moči mikrovatov

Ta delovni profil se slabo ujema z običajno elektroniko, vendar se vedno bolje ujema s trenutnimi tehnologijami senzorjev z ultra-nizko-porabo energije.

Zakaj je PTFE še posebej privlačen za pridobivanje energije
PTFE je pomemben v sistemih kemičnega ogrevanja, ker:

Odlična kemična odpornost

• Lastnost električne izolacije

Toplotna stabilnost

Obnašanje površin proti-oprijemanju

Vznemirljiva večnamenska možnost je, da lahko isti material ustvari tudi uporaben električni naboj, ko tekočina teče po njem.

PTFE grelec se lahko uporablja za:

Grelna naprava

Kemično inertna procesna obloga

Električni neprevodnik.

Strukturni element

Vir napajanja za-senzor z lastnim napajanjem

To sotočje zmogljivosti je dobro usklajeno z večjimi trendi v pametni proizvodnji, ki poudarjajo vgrajeno inteligenco in porazdeljeno zaznavanje.

Možne industrijske uporabe
Ko bo tehnologija triboelektričnega PTFE grelnega senzorja dovolj zrela, bi lahko bila obetaven kandidat za podporo številnih industrijskih aplikacij.

Posode za kemično predelavo
To bi lahko olajšalo brezžično spremljanje temperature v močnih kislinah ali topilih brez ranljivih prebojev žic.

Wet Bench Semiconductor
Ultra-čista vozlišča senzorjev-brez baterij bi lahko pomagala odpraviti pomisleke glede kontaminacije v strogo reguliranih industrijskih okoljih.

Oprema za oddaljene procese
»Samostojni{0}}senzorji so lahko koristni za instalacije, kjer je tradicionalno ožičenje drago in težko za vzdrževanje.

Prediktivni sistemi vzdrževanja
Avtonomna zaznavna omrežja bi lahko nenehno spremljala:

Temperatura grelnika

Pretočni pogoji

Vibracije

Zanesljivost procesa

stik s kemikalijami

Senzorsko vozlišče pridobiva energijo neposredno iz gibanja tekočine, zato se lahko potreba po vzdrževanju znatno zmanjša.

Trenutne omejitve tehnologije
Tehnologija je konceptualno privlačna, vendar je še vedno večinoma v fazi raziskav in eksperimentalnega razvoja.

Veliko primarnih tehnoloških izzivov ostaja nerešenih.

Zelo nizka poraba energije
Obstoječi triboelektrični kombajni običajno delujejo na ravni mikrovatov.

Ta omejitev močno omejuje:

Kompleksnost senzorjev

Pogostost prenosa podatkov

Obseg komunikacije

Možnost spremljanja v-realnem času

V mnogih poskusnih sistemih traja nekaj minut, da se energija nabere, preden lahko pride do enega kratkega brezžičnega prenosa.

Odvisnost od značilnosti tekočine
Generiranje naboja je v veliki meri odvisno od:

Kemija tekočin

Prevodnost (

Ionska koncentracija

Hitrost toka

Stanje površine

Nekatere tekočine so veliko bolj triboelektrično aktivne kot druge.

Njegova sposobnost ločevanja naboja v ne-polarnih topilih in nekaterih ionskih raztopinah je morda bolj koristna kot v visoko prevodnih tekočinah.

Stabilnost okolja
Zapleti v industrijskih okoljih vključujejo:

Obraščanje

Kontaminacija na površinah

Spremenljivost vlage

Kemična razgradnja

Električni hrup

Vendar pa je ohranjanje dosledne dolgoročne-zmogljivosti pridobivanja energije v resničnih industrijskih razmerah še vedno raziskovalni problem.

Učinkovitost shranjevanja energije.
Ker triboelektrični sistemi ustvarjajo zelo majhne tokove, je zelo potrebna dobra elektronika za shranjevanje energije.

Če elektronika ni ustrezno zasnovana za delovanje z izjemno-nizko-porabo energije, lahko izgube v polnilnem krogu hitro odtehtajo zajeto energijo.

Povezljivost industrijskega interneta stvari
Triboelektrično žetev ima dolgoročne posledice poleg grelnikov.

Industrijski obrati se vedno bolj zanašajo na omrežja porazdeljenih zaznav za:

Prediktivno vzdrževanje

Optimizacija procesa

Nadzor premoženja

Upravljanje z energijo

Varnostne naprave

Tradicionalna uporaba senzorjev običajno trpi zaradi:

Stroški napeljave

Zamenjajte baterijo

Ekstremna okolja

Dostop za vzdrževanje

Arhitektura senzorjev s samo-napajanjem lahko močno olajša-široko uvajanje brezžičnih industrijskih sistemov zaznavanja.

Zamisel o pridobivanju energije neposredno iz toka procesa je zelo privlačna, saj nadzorovani proces hkrati dobavlja delovno moč.

Zakaj je vizija še vedno privlačna
Ravni moči so na tej točki majhne, ​​vendar je osnovna ideja še vedno precej lepa.

Procesno okolje že ima kemično inertno PTFE površino. Ta površina je že prekrita s tekočo tekočino. Če lahko dosledno pridobivamo celo majhne količine električne energije iz te interakcije, si lahko predstavljamo povsem nove razrede avtonomnih industrijskih naprav.

Za: Baterije niso potrebne.

Brez poslabšanja baterije

Brez nadomestnih obdobij

Potreben je manjši dostop do vzdrževanja.

Manjša možnost okužbe

Zahteve za lažje tesnjenje

Poleg tega pomanjkanje zunanjega ožičenja zmanjša potencialne poti korozije in zapletenost namestitve.

Te prednosti so še posebej zaželene v hudih kemičnih okoljih.

Zaključek:
Koncept PTFE grelnega senzorja za triboelektrično pridobivanje energije je zelo obetavna tehnologija prihodnosti, ki združuje sofisticirano znanost o materialih, elektroniko z ultra-nizko-porabo moči in industrijsko procesno inženirstvo. Majhne količine električnega naboja, ki ga ustvari tekoča tekočina, bi lahko nekega dne napajale avtonomna brezžična senzorska vozlišča brez baterij ali zunanjih kablov, s čimer bi izkoristile inherentne triboelektrične lastnosti PTFE.

Trenutni sistemi triboelektričnih nanogeneratorjev so še vedno omejeni na mikrovatne ravni moči in raziskovalne-fazne izvedbe, vendar je dolgoročna-vizija zanimiva. Nov pristop za industrijsko spremljanje je PTFE grelec s samo-sistemom zaznavanja, ki ga poganja tekočina, ki se segreva.

Toda danes je pridobivanje triboelektrike iz delovne tekočine PTFE grelnika še vedno koncept modrega-neba, ki bi lahko sčasoma pomagal omogočiti široko razširjena zaznavna omrežja- brez vzdrževanja po vsej povezani tovarni. Statična elektrika bi lahko nekega dne spodbudila prihodnost industrijskih senzorjev.