Experimentelle Methoden zur Untersuchung von Formgedächtnis-Based Elastocaloric Kühlprozesse und Modellvalidierung

Summary

Experimentelle Methoden zur Untersuchung von Festkörper-Abkühlprozessen und zur Charakterisierung der elastokalorischen Materialeigenschaften von Formgedächtnislegierungen (SMA) werden vorgestellt. Für die Steuerung und umfassende Überwachung von elastokalorischen Kühlprozessen wurde ein eigens angefertigter Prüfstand konzipiert. Darüber hinaus bietet es eine Validierungsplattform für thermomechanisch gekoppelte Modellierungsansätze.

Abstract

Formgedächtnislegierungen (SMA) mit elastocaloric Kühlverfahren das Potenzial haben, eine umweltfreundliche Alternative zum herkömmlichen Dampfkompressionsbasierten Kühlprozess. Nickel-Titan (Ni-Ti) Legierung auf Basis von Systemen, insbesondere, zeigen große elastocaloric Effekte. Außerdem weisen große Latente Wärme, die eine notwendige Materialeigenschaft für die Entwicklung eines effizienten Solid-State-basierten Kühlprozess ist. Eine wissenschaftliche Prüfstand wurde entwickelt, um diese Prozesse und die elastocaloric Effekte in FGL zu untersuchen. Der realisierte Prüfstand ermöglicht eine unabhängige Steuerung einer mechanischen Be- und Entladezyklen von SMA sowie leitende Wärmeübertragung zwischen SMA Kühlelementen und einer Wärmequelle / Senke. Der Prüfstand ist mit einem umfassenden Monitoring-System ausgestattet, der synchronisierte Messungen von mechanischen und thermischen Parameter. Neben den prozessabhängige mechanische Arbeit zu bestimmen, auch das System ermöglicht Messung!t der thermischen kalorischen Aspekte der elastocaloric Kühlwirkung durch die Verwendung eines Hochleistungs-Infrarot-Kamera. Diese Kombination ist von besonderem Interesse, weil es Illustrationen von Lokalisierungs- und Kurseffekte ermöglicht - sowohl wichtig für eine effiziente Wärmeübertragung aus dem Medium gekühlt werden.

Die vorliegende Arbeit beschreibt eine experimentelle Methode elastocaloric Materialeigenschaften in verschiedenen Materialien und Probengeometrien zu identifizieren. Darüber hinaus wird der Prüfstand verwendet, um verschiedene Kühlprozessvariationen untersucht. Die vorgestellten Analyseverfahren ermöglichen eine differenzierte Betrachtung von Material, Verfahren und damit verbundenen Randbedingung Einflüsse auf die Prozesseffizienz. Der Vergleich der experimentellen Daten mit den Simulationsergebnissen (eines thermomechanisch gekoppelt Finite-Elemente-Modell) ermöglicht ein besseres Verständnis der zugrundeliegenden Physik der elastocaloric Wirkung. Darüber hinaus sind die Versuchsergebnisse sowie die Ergebnisse based auf die Simulationsergebnisse werden verwendet, um die Materialeigenschaften zu verbessern.

Introduction

Solid-State-Kühlprozesse basierend auf ferroische Materialien könnten umweltfreundliche Alternativen zu den herkömmlichen Dampfkompressions basierten Prozess zu sein. Ferroische Materialien aufweisen können magnetokalorischen, elektrokalorische und elastocaloric Effekte ^{1, 2,} sowie Kombinationen dieser Effekte, die ³ als multicaloric Materialverhalten beschrieben. ": Für Kühl Neue Konzepte kalorische Effekte in Ferroische Materialien" ⁴ Die unterschiedlichen kalorischen Effekte in ferroische Materialien werden derzeit im Rahmen der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) Schwerpunktprogramm SPP 1599 untersucht. Formgedächtni....

Protocol

1. Probenvorbereitung

1. Messen Sie die SMA Band mit einer Schieblehre und bestimmen den Querschnitt der Probe.
2. Bereiten Sie die Probe für IR-Messungen durch die Beschichtung der Band mit einer dünnen Schicht mit hohem Emissionsgrad (ε = 0,96) zu malen.
   Achtung: Die Farbe wird als reizend eingestuft. Handschuhe, Schutzbrille und Mundschutz muss bei der Verarbeitung der Farbe getragen werden.

2. Material Stabilisierung (Training)

Hinweis: Erste mechanische Radfahren führt zu einer mechanischen und thermischen Material Stabilisierung. Die Untersuchung der Stabilisierungswirkung ....

Results

Material Stabilisierung (Training):

9 zeigt eine Spannungs / Dehnungs - Diagramm von 50 Trainingszyklen. Die untersuchte Probe ist eine Ni-Ti Band mit einem Querschnitt von A = 1,45 mm ^2. Die aufgebrachte Verformungsgeschwindigkeit von 1 x 10 ^-3 sec ^-1 führt zu einer mittleren Temperaturerhöhung von & Dgr; T = 12,2 K. Der Temperaturanstieg hat einen signifi.......

Discussion

Die präsentierten wissenschaftlichen Prüfstand ermöglicht eine umfassende Untersuchung von elastocaloric Materialien und Kühlprozesse durch die Versuche im Protokollabschnitt durchrühren. Genaue Ausrichtung der Probe vor der Klemmung ist von entscheidender Bedeutung für alle Experimente. Bad Ausrichtung kann zu früh Materialversagen führen möglicherweise. Darüber hinaus beantragte die maximale Dehnung signifikanten Einfluss auf das Material Lebensdauer hat, während die erforderliche Dehnung eine vollständige Phasenumwan.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Lineare Direktantriebe	ESR-Pollmeier	ML 1418-U5-W1	SMA Be-/Entladung; Wärmeübertragung
Pneumatikzylinder	Festo	ADNGF-40 574031	Kontakt zwischen Wärmequelle/-senke und
induktivem Wegmesssystem	AMO	LMKA-1101.1NN-1.0-0
Zug- und Druck-Wägezelle	Futek	LCF451; FSH02241	SMA force
Kompressions-Wägezelle	Futek	LTH300; FSH00297	Kontaktkraft-IR-Kamera
	Infra Tec	Image IR 9360; M91129	1.280 x 1.024 Pixel; Maximale Bildrate 3.200 Hz
Echtzeit-Controller	National Instruments	NI CompactRIO-9074	Datenerfassungs- und -steuerungssystem
Kameralack	Tetenal	105202