Métodos experimentales para procesos de enfriamiento Elastocaloric Investigación de memoria de forma basada y validación del modelo

El objetivo general de este experimento es investigar los materiales elastocalóricos y los procesos de enfriamiento elastocalórico. Con este fin, se ha desarrollado un banco de pruebas científico para realizar caracterizaciones básicas de materiales y controles avanzados de procesos elastocalóricos. Nuestro método describe la influencia de las propiedades del material y el control del proceso en la potencia de enfriamiento y la eficiencia del proceso de enfriamiento.

Los hallazgos permiten el desarrollo de procesos de enfriamiento elastocalórico optimizados, que son la base para el diseño de dispositivos de enfriamiento eficientes. Durante la carga adiabática rápida, los calores latentes de la aleación con memoria de forma conducen a un aumento de temperatura durante la carga y una disminución de la temperatura durante la descarga posterior. La investigación del proceso de enfriamiento elastocalórico es una colaboración entre el grupo de ciencia de materiales de la Universidad del Ruhr en Bochum y dos grupos de ingeniería mecatrónica de la Universidad de Saarland, Saarbrücken, Alemania.

Implica la optimización de los materiales, así como de los procesos, y también el desarrollo de una herramienta de simulación. El banco de pruebas científico desarrollado permite el estudio del efecto elastocalórico para la transferencia de calor en estado sólido entre la aleación con memoria de forma y una fuente de calor y la aleación con memoria de forma y un disipador de calor. La principal ventaja de esta técnica es la investigación independiente de la influencia de cada parámetro de control en los valores del proceso, como el trabajo y el calor.

Además, este sistema está equipado en un sistema integral para medir cantidades mecánicas y terminales en cada paso del proceso. Para comenzar, use calibradores para medir la cinta de aleación con memoria de forma y determine la sección transversal de la muestra. A continuación, cubra la muestra con una fina capa de una placa de alta emisividad.

A continuación, establezca la posición objetivo en el programa del controlador del motor a cero micrómetros y haga clic en el botón de operación habilitada. En esta posición, la distancia entre las abrazaderas es de 90 milímetros. Coloque la muestra entre las abrazaderas de la configuración experimental y utilice una herramienta de alineación especialmente diseñada para alinear la muestra.

Luego, use una ayuda de montaje para apretar las abrazaderas y una llave dinamométrica para apretar los tornillos a una fuerza de 20 newton-metros. La alineación del semper es muy crítica. La polea del semper fallará después de unos pocos ciclos.

Inicie el software de la cámara IR y cargue la calibración para una lente de 50 milímetros combinada con una lente de primer plano. Elija un tamaño de imagen de 1,280 por 100 píxeles y un rango de temperatura de menos 20 a 50 grados centígrados y, a continuación, utilice la unidad de enfoque del motor para colocar la cámara. Abra el programa de control para la formación y la caracterización de materiales.

A continuación, establezca la posición inicial en cero micrómetros y elija una posición objetivo de 4.500 micrómetros, para que el material se someta a una transformación de fase completa. Establezca la velocidad de transmisión directa lineal en 45 micras por segundo, lo que equivale a una velocidad de deformación de cinco por 10 a menos cuatro por segundo. A continuación, establezca el tiempo de espera en cero segundos, el número de ciclos en uno, la velocidad de adquisición de la cámara IR en 50 milisegundos por fotograma y luego haga clic en el botón de inicio para cargar la configuración.

Ahora, abra el software de la cámara IR, elija un nombre de archivo y asigne 5.000 fotogramas. Cambie de una fuente de disparo interna a una externa e inicie el modo de adquisición de datos. A continuación, abra el programa de control y pulse el botón de inicio del experimento para ejecutar el experimento.

Para comenzar a caracterizar el material, abra el programa de control para la capacitación y el material. A continuación, establezca la posición inicial para que la muestra esté bajo carga cero para empezar, y establezca la posición objetivo equivalente a la posición objetivo del entrenamiento, que fue de 4.500 micrómetros. A continuación, establezca la velocidad de deformación como desee y elija una velocidad de accionamiento directo lineal de 9.000 micrómetros por segundo, lo que conduce a una transformación de fase adiabática para muestras con un área de sección transversal de 0,75 milímetros por 1,4 milímetros o más.

Establezca el tiempo de retención en 180 segundos para permitir que la muestra alcance la temperatura inicial deseada antes del experimento. A continuación, establezca el número de ciclos en uno, la velocidad de adquisición de la cámara IR en 5 milisegundos por fotograma y haga clic en el botón de inicio para cargar la configuración. A continuación, abra el software de la cámara IR, elija un nombre de archivo y asigne 80.000 fotogramas para el experimento.

Cambie de una fuente de disparo interna a una externa e inicie el modo de adquisición de datos. En el programa de control, presione el botón de inicio del experimento para iniciar el experimento. Para investigar los picos de temperatura locales, primero apague la luz.

A continuación, elimine todas las fuentes de calor del campo de visión de la cámara infrarroja y cambie la lente por una lente de microscopio. A continuación, cambie la configuración de calibración de la cámara, cargue una lente de microscopio y calibre un tamaño de imagen de 500 por 250 píxeles dentro del rango de 20 a 50 grados centígrados. Utilice la unidad de enfoque del motor para enfocar la muestra.

Luego, realice una prueba de tracción estándar a una velocidad de accionamiento directo lineal de 900 micras por segundo, como se describió anteriormente. Con la muestra aún en su lugar, inicie el software de la cámara IR y cargue la calibración para la lente de 50 milímetros con lente de primer plano. Elija un tamaño de imagen de 1.280 por 1.024 píxeles y un rango de temperatura de 20 a 50 grados centígrados negativos.

Abra el programa de control y configure los parámetros de control. Establezca la posición inicial de la transmisión directa lineal para las aleaciones con memoria de forma de modo que la muestra esté bajo carga cero. Además, establezca la posición objetivo equivalente a la posición objetivo del entrenamiento.

Ajuste la velocidad del accionamiento directo lineal para la carga y descarga de la aleación con memoria de forma a 9.000 micrómetros por segundo. A continuación, ajuste la velocidad del accionamiento directo lineal en el nivel inferior de la configuración a 100 milímetros por segundo. A continuación, establezca el tiempo de contacto en seis segundos.

Elija el contacto después del modo de carga y descarga y establezca el número de ciclos en 40. Elija una velocidad de adquisición de la cámara IR de 20 milisegundos por fotograma y, a continuación, haga clic en el botón de inicio para cargar la configuración. En el software de la cámara de infrarrojos, elija un nombre de archivo y asigne 50.000 fotogramas para el experimento.

Cambie de una fuente de disparo interna a una externa e inicie el modo de adquisición de datos. Finalmente, abra el programa de control y presione el botón de inicio del experimento. Esto iniciará el ciclo de enfriamiento elastocalórico.

En este clip de película, una cinta de níquel y titanio se tensa durante el entrenamiento. El estiramiento controlado conduce a un aumento de la temperatura media de 12,2 grados Kelvin. El material sigue una curva de histéresis típica y finalmente se asienta en una respuesta como la que se muestra en rojo.

Aquí se muestra con una cinta de níquel, titanio, cobre, vanadio, la anchura de la histéresis aumenta con el aumento de las tasas de deformación. Esto es el resultado del cambio de temperatura durante la transformación de fase. El diagrama muestra que después de cierto punto, no hay más aumento del cambio de temperatura en respuesta al aumento de la velocidad de deformación.

Este video infrarrojo muestra que al aumentar el número de ciclos de enfriamiento, las diferencias de temperatura entre el disipador de calor y la fuente de calor aumentan, y da como resultado un cambio de temperatura mínimo y máximo decreciente del material. Después del primer ciclo, surge un perfil de temperatura no homogéneo porque el disipador de calor y la fuente de calor no entran en contacto con toda la cinta. Aquí puede ver la comparación entre experimento y simulación de un ensayo de tracción.

El modelo subyacente de la simulación es una modificación del modelo de Mueller Achenbach Selleck acoplado termomecánicamente. Esto demuestra que el modelo es capaz de reproducir el comportamiento mecánico y térmico del material. Por lo tanto, al intentar el procedimiento, es importante recordar que los requisitos de diseño son el seguimiento de todos los pasos de enfriamiento y también un control directo de los parámetros de variación.

La encapsulación térmica aumentará la eficiencia del proceso, sin embargo, la observabilidad se reduciría considerablemente. Por supuesto, para el desarrollo posterior de un dispositivo real, lo tendría en cuenta. Siguiendo este procedimiento, se pueden realizar otras variaciones del proceso además del control del proceso adiabático, como los procesos combinados adiabáticos no adiabáticos, para responder a preguntas adicionales como la influencia de la fase de contacto y en la eficiencia del proceso y la potencia de enfriamiento.

Después de ver este video, debe tener una buena comprensión del efecto de enfriamiento elastocalórico y cómo la optimización de materiales y el control del proceso influyen en la potencia de enfriamiento y la eficiencia del proceso.