طرق تجريبية لElastocaloric عمليات التبريد التحقيق في ذاكرة الشكل وبناء ونموذج التحقق من صحة

الهدف العام من هذه التجربة هو استقصاء المواد ذات التأثير الحراري المرن وعمليات التبريد بالمرونة الحرارية. وتحقيقاً لهذه الغاية، تم تطوير منصة اختبار علمية لإجراء توصيفات أساسية للمواد وعمليات تحكم متقدمة في العمليات ذات التأثير الحراري المرن. تصف طريقتنا تأثير خصائص المواد والتحكم في العمليات على قدرة التبريد وكفاءة عملية التبريد.

تتيح هذه النتائج تطوير عمليات تبريد إلاستوكالورية (elastocaloric) محسنة، والتي تشكل الأساس لتصميم أجهزة تبريد فعالة. خلال التحميل الأديباتي السريع، تؤدي الحرارة الكامنة لسبائك ذاكرة الشكل إلى زيادة في درجة الحرارة أثناء التحميل، وانخفاض في درجة الحرارة أثناء تفريغ الحمل اللاحق. ويعد البحث في عملية التبريد الإلاستوكالورية تعاوناً بين مجموعة علوم المواد في جامعة رور في بوخوم، ومجموعتين من هندسة الميكاترونيكس في جامعة سارلاند بمدينة ساربروكن في ألمانيا.

تتضمن هذه العملية تحسين المواد والعمليات على حد سواء، بالإضافة إلى تطوير أداة محاكاة. يتيح منصة الاختبار العلمي التي تم تطويرها دراسة التأثير المرن الحراري (elastocaloric effect) لنقل الحرارة في الحالة الصلبة بين سبيكة تذكر الشكل ومصدر حراري، وبين سبيكة تذكر الشكل ومصرف حراري. وتكمن الميزة الرئيسية لهذه التقنية في إمكانية الاستقصاء المستقل لتأثير كل معامل تحكم على قيم العملية مثل الشغل والحرارة.

علاوة على ذلك، تم تجهيز هذا النظام بنظام شامل لقياس الكميات الميكانيكية والنهائية في كل خطوة من خطوات العملية. للبدء، استخدم القدمة ذات الورنية لقياس شريط سبيكة ذاكرة الشكل، وتحديد المقطع العرضي للعينة. بعد ذلك، قم بطلاء العينة بطبقة رقيقة من لوحة ذات انبعاثية عالية.

بعد ذلك، اضبط الموضع المستهدف في برنامج وحدة التحكم في المحرك على صفر µm، وانقر فوق زر تفعيل التشغيل. في هذا الموضع، تكون المسافة بين المشابك 90 mm. ضع العينة بين مشابك الجهاز التجريبي، واستخدم أداة محاذاة مصممة خصيصاً لمحاذاة العينة.

بعد ذلك، استخدم أداة تثبيت لإحكام ربط المشابك، ومفتاح عزم لربط البراغي بقوة 20 newton-meters. إن محاذاة الـ semper أمر بالغ الأهمية؛ حيث ستتعرض البكرة الموجودة على الـ semper للفشل بعد دورات قليلة فقط.

قم بتشغيل برنامج كاميرا الأشعة تحت الحمراء (IR)، وقم بتحميل المعايرة الخاصة بعدسة قياس 50 millimeter مدمجة مع عدسة تقريب (closeup lens). اختر حجم صورة يبلغ 1,280 في 100 بكسل، ونطاق درجة حرارة من 20- إلى 50 درجة celsius، ثم استخدم وحدة تركيز المحرك لضبط موضع الكاميرا. افتح برنامج التحكم الخاص بالتدريب وتوصيف المواد.

بعد ذلك، اضبط موضع البداية على صفر µm واختر موضعاً مستهدفاً قدره 4,500 µm، لكي تخضع المادة لتحول طوري كامل. اضبط سرعة المحرك الخطي المباشر على 45 µm/s، وهو ما يعادل معدل انفعال قدره 5 × 10⁻⁴ /s. بعد ذلك، اضبط وقت التثبيت على صفر s، وعدد الدورات على 1، ومعدل التقاط كاميرا IR على 50 ms لكل إطار، ثم انقر على زر البدء لتحميل الإعدادات.

الآن، افتح برنامج كاميرا الأشعة تحت الحمراء (IR)، واختر اسم الملف، وخصص 5,000 إطار. قم بالتحويل من مصدر تحفيز داخلي إلى مصدر تحفيز خارجي، ثم ابدأ وضع الحصول على البيانات. بعد ذلك، افتح برنامج التحكم واضغط على زر بدء التجربة لتشغيل التجربة.

لبدء توصيف المادة، افتح برنامج التحكم الخاص بالتدريب والمادة. بعد ذلك، حدد موضع البداية بحيث تكون العينة تحت حمل صفري في البداية، واضبط الموضع المستهدف ليكون مكافئاً للموضع المستهدف في التدريب، والذي كان 4, 500 micrometers. بعد ذلك، حدد معدل الانفعال حسب الرغبة، واختر سرعة دفع مباشرة خطية قدرها 9, 000 micrometers per second، مما يؤدي إلى تحول طوري أديباتي للعينات التي تبلغ مساحة مقطعها العرضي 0.75 millimeters by 1.4 millimeters أو أكبر.

اضبط وقت التثبيت على 180 ثانية للسماح بوقت كافٍ للعينة للوصول إلى درجة الحرارة الأولية المطلوبة قبل التجربة. بعد ذلك، اضبط عدد الدورات على دورة واحدة، ومعدل التقاط كاميرا IR على 5 مللي ثانية لكل إطار، ثم انقر فوق زر البدء لتحميل الإعدادات. بعد ذلك، افتح برنامج كاميرا IR، واختر اسم الملف، وخصص 80,000 إطار للتجربة.

قم بالتحويل من مصدر قدح داخلي إلى مصدر قدح خارجي، وابدأ وضع الحصول على البيانات. في برنامج التحكم، اضغط على زر بدء التجربة لبدء التجربة. ومن أجل استقصاء ذروات درجة الحرارة المحلية، قم بإطفاء الضوء أولاً.

بعد ذلك، قم بإزالة جميع مصادر الحرارة من مجال رؤية كاميرا الأشعة تحت الحمراء (IR)، واستبدل العدسة بعدسة مجهرية. تالياً، قم بتغيير إعدادات معايرة الكاميرا، وتحميل عدسة مجهرية، ومعايرة حجم صورة يبلغ 500 في 250 بكسل ضمن نطاق يتراوح من 20 إلى 50 درجة celsius. استخدم وحدة التركيز الآلية لضبط تركيز العينة.

بعد ذلك، قم بإجراء اختبار شد قياسي بسرعة دفع مباشر خطية تبلغ 900 microns per second، كما تم وصفه سابقاً. وبينما لا تزال العينة في مكانها، ابدأ بتشغيل برنامج كاميرا IR وقم بتحميل معايرة العدسة ذات الـ 50 millimeter مع العدسة المقربة. اختر حجم صورة يبلغ 1,280 في 1,024 pixels، ونطاق درجة حرارة من -20 إلى 50 °C.

افتح برنامج التحكم واضبط معاملات التحكم. حدد موضع البداية للمحرك الخطي المباشر لسبائك ذاكرة الشكل بحيث تكون العينة تحت حمل صفري. كما يجب ضبط الموضع المستهدف ليكون مكافئاً للموضع المستهدف لعملية التدريب.

اضبط سرعة المحرك الخطي المباشر لتحميل وتفريغ سبيكة الذاكرة الشكلية على 9,000 micrometers per second. بعد ذلك، اضبط سرعة المحرك الخطي المباشر في المستوى السفلي من التجهيزات على 100 millimeters per second. ثم اضبط وقت التلامس على ست ثوانٍ.

اختر التلامس بعد وضع التحميل والتفريغ، واضبط عدد الدورات على 40. اختر معدل استحواذ لكاميرا الأشعة تحت الحمراء (IR camera) يبلغ 20 مللي ثانية للإطار الواحد، ثم انقر فوق زر البدء لتحميل الإعدادات. في برنامج كاميرا الأشعة تحت الحمراء (IR camera)، اختر اسم الملف، وخصص 50,000 إطار للتجربة.

قم بالتحويل من مصدر تحفيز داخلي إلى مصدر تحفيز خارجي وابدأ وضع الحصول على البيانات. وأخيراً، افتح برنامج التحكم واضغط على زر بدء التجربة، ليبدأ بذلك دورة التبريد المرنة الحرارية.

في هذا المقطع المرئي، يتم تعريض شريط من النيكل والتيتانيوم للإجهاد أثناء التدريب. يؤدي التمدد المتحكم فيه إلى زيادة متوسطة في درجة الحرارة بمقدار 12.2 degrees Kelvin. تتبع المادة منحنى تخلف نمطياً وتستقر في النهاية عند استجابة مماثلة لتلك الموضحة باللون الأحمر.

يظهر هنا باستخدام شريط من النيكل والتيتانيوم والنحاس والفاناديوم أن عرض التباطؤ يزداد مع زيادة معدلات الانفعال. وهذا نتيجة لتغير درجة الحرارة أثناء التحول الطوري. ويوضح المخطط أنه بعد نقطة معينة، لا يحدث مزيد من الزيادة في تغير درجة الحرارة استجابةً لزيادة معدل الانفعال.

يُظهر هذا الفيديو بالأشعة تحت الحمراء أنه من خلال زيادة عدد دورات التبريد، تزداد فروق درجات الحرارة بين المشتت الحراري ومصدر الحرارة، مما يؤدي إلى انخفاض في الحد الأدنى والحد الأقصى لتغير درجة حرارة المادة. وبعد الدورة الأولى، يظهر ملف تعريف حراري غير متجانس لأن المشتت الحراري ومصدر الحرارة لا يتلامسان مع الشريط بالكامل. يمكنك هنا رؤية المقارنة بين التجربة والمحاكاة لاختبار الشد.

النموذج الأساسي للمحاكاة هو تعديل لنموذج Mueller Achenbach Selleck المقترن حرارياً وميكانيكياً. ويظهر هذا أن النموذج قادر على إعادة إنتاج السلوك الميكانيكي والحراري للمادة. لذا، أثناء تطبيق الإجراء، من المهم تذكر أن متطلبات التصميم تتمثل في مراقبة جميع خطوات التبريد، بالإضافة إلى التحكم المباشر في معاملات التباين.

سيؤدي التغليف الحراري إلى زيادة كفاءة العملية، ومع ذلك، فإن إمكانية الملاحظة ستنخفض بشكل كبير. وبالطبع، يجب مراعاة ذلك عند تطوير جهاز فعلي لاحقاً. وباتباع هذا الإجراء، يمكن تنفيذ تنويعات أخرى في العملية إلى جانب التحكم في العملية الأديباتيكية (الكظومة)، مثل العمليات المدمجة بين الأديباتيكية وغير الأديباتيكية، وذلك للإجابة على تساؤلات إضافية مثل تأثير مرحلة التلامس على كفاءة العملية وقدرة التبريد.

بعد مشاهدة هذا الفيديو، يجب أن يكون لديك فهم جيد لتأثير التبريد المرن الحراري (elastocaloric cooling effect)، وكيفية تأثير تحسين المواد والتحكم في العملية على قدرة التبريد وكفاءة العملية.