Name: Métodos experimentales para procesos de enfriamiento Elastocaloric Investigación de memoria de forma basada y validación del modelo (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-05-02T14:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 11 s
Description: Aprende métodos experimentales para procesos de enfriamiento elastocalórico basados en aleaciones con memoria de forma. Este protocolo permite caracterizar materiales y validar modelos termomecánicos para dispositivos de refrigeración eficientes.

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Los autores desean agradecer el apoyo del programa prioritario DFG 1599 &quot;efectos calóricos en materiales ferroic: Nuevos conceptos para la refrigeración&quot; (Proyectos: EG101 / 23-1, SCHU2217 / 2-1, SE704 / 2-1, EG101 / 29 -2, SCH2217 / 3-2, SE704 / 2-2).

1. Preparación de muestras <ol><li> Medir la cinta SMA con pinzas y determinar la sección transversal de la muestra. </li><li> Preparar la muestra para las mediciones de IR mediante el recubrimiento de la cinta con una capa fina de alta emisividad (ε = 0,96) de pintura. Precaución: La pintura se clasifica como irritante. Guantes, gafas de seguridad y protección de la boca deben ser usados ​​durante el procesamiento de la pintura. </li></ol> 2. Estabilización de Materiales (Formación) Nota: ciclismo mecánica inicial conduce a una estabilización de material mecánico y térmico. La investigación del efecto de estabilización, y el propio procedimiento de formación, requiere el uso del dispositivo de accionamiento y los sensores montados en el nivel superior de la instalación de prueba, así como la cámara IR. <ol><li> Ejecutar el programa de control del motor y compruebe la configuración cargados. Cambie la configuración a modo de posición y el modo de comando. Compruebe el motor está en modo activo. </li><li> Sy la posición de destino en el programa de control del motor a 0 micras y hacer clic en la &quot;operación permite&quot; botón - en esta posición, la distancia entre las mordazas es de 90 mm. </li><li> Coloque la muestra entre las abrazaderas de la configuración experimental y utilizar una herramienta de alineación especialmente diseñado para alinear la muestra. </li><li> Apriete las abrazaderas utilizando una ayuda de montaje con el fin de evitar la carga de flexión en la celda de carga y la muestra. Utilice una llave de torsión para apretar los tornillos para asegurar una fuerza de cierre reproducible (par de apriete: 20 Nm). </li><li> Comprobar la posición actual del motor y asegúrese de que el motor está en la posición de partida (0 m). </li><li> Iniciar el software de la cámara de infrarrojos y cargar la calibración para una lente de 50 mm combinado con un objetivo de primer plano. Elija un tamaño de imagen de 1.280 x 100 píxeles y un rango de temperatura de -20 ° C a 50 ° C. Coloque la cámara mediante el uso de la unidad de enfoque motor y confirmar toda la muestra está en el campo de visión de la cámara. Nota: La cámara de infrarrojos, en combición con el sistema de lentes elegido, tiene una longitud focal (f) de 50 mm, una abertura de f / 2 y un tamaño de píxel mínimo de 60 micras, con una distancia de trabajo de 200 mm. </li><li> Abra el programa de control para la formación y el material de caracterización y establecer los parámetros de control (desplazamiento, velocidad, tiempo de ocupación, máximo y mínimo de fuerza, número de ciclos y velocidad de fotogramas de la cámara). <ol><li> Ajustar la posición de partida (0 m) y elegir la posición de destino (4,500 m) de modo que el material experimenta una transformación de fase completa. </li><li> Ajuste la velocidad de accionamiento directo lineal (velocidad de carga / descarga) para cumplir con la velocidad de deformación deseada. Seleccione una velocidad de deformación de 5 x 10 -4 (velocidad de accionamiento de 45 m / seg) s-1 para la refrigeración de la formación relacionada con el proceso. <ol><li> Determinar la velocidad de accionamiento directo lineal (v) en base a la velocidad de deformación elegido ( <img alt="épsilon" src="/files/ftp_upload/53626/epsilon.jpg" /> ) Y la longitud inicial de la muestra (l 0) de 90 mm ​​(v = &lt;img alt = &quot;épsilon&quot; src = &quot;/ files / ftp_upload / 53626 / epsilon.jpg&quot; /&gt; ∙ l 0) </li></ol></li><li> Ajuste el tiempo de mantenimiento a 0 seg. </li><li> Establecer el número de ciclos a 1 para el primer ciclo con una nueva muestra. </li><li> Establecer el nivel mínimo muestra específica y el nivel de fuerza máxima para evitar la carga de compresión y la sobrecarga de tensión (carga mínima de 1 MPa, la carga máxima de 800 MPa). </li><li> Elija un tipo de cámara de infrarrojos adquisición de 50 ms / marco (20 fotogramas por segundo). </li><li> Haga clic en el botón de inicio para cargar la configuración. </li></ol></li><li> Abra el software de la cámara de infrarrojos, seleccione un nombre de archivo y asignar 5.000 marcos. <ol><li> Cambiar de interno a la fuente de disparo externa e iniciar el modo de adquisición de datos. </li></ol></li><li> Abra el programa de control y pulse el botón de inicio experimento. </li><li> Visualización de datos <ol><li> Una vez finalizado el experimento, cargar los datos en el software de procesamiento de datos y visualizarlo en términos de fuerza / desplazamiento, stO prima / deformación, fuerza / tiempo y diagramas de posición / tiempo. </li><li> Cargar los datos de IR en el software de la cámara de infrarrojos y evaluar los perfiles de temperatura en tiempo resuelto. Definir una zona de medición que cubre la superficie de la cinta de SMA y trazar la temperatura máxima y mínima media de la muestra en función del tiempo. </li></ol></li><li> Repita los pasos 2,6 y 2,9 hasta que el material muestra un comportamiento mecánico estable y adaptar la posición de inicio para compensar las tensiones residuales. <ol><li> Después de los primeros 10 ciclos, aumentar el número de ciclos por experimento para 10 y proceder con los experimentos hasta que se alcanza el comportamiento del material estable. </li></ol></li></ol> 3. Material Caracterización Nota: La caracterización de materiales requiere el uso del dispositivo de accionamiento y los sensores montados en el nivel superior de la instalación de prueba, así como la cámara IR. Durante el procedimiento de caracterización de la muestra se carga y descarga a diferentes velocidades mientras se realizadespués de un periodo de mantenimiento de carga y descarga. <ol><li> Si la cinta de SMA ha sido Desblocado y el sistema de control de la instalación de prueba se ha apagado después de la formación, repita los pasos 2.1 a 2.6 y la abrazadera de la muestra de nuevo. Si este no era el caso, proceder de la siguiente manera. </li><li> Abra el programa de control para la formación y el material de caracterización y establecer los parámetros de control (desplazamiento, velocidad, tiempo de mantenimiento, número de ciclos y marco de la cámara de tasas). <ol><li> Ajuste la posición de inicio para que la muestra se encuentra bajo carga cero y establecer la posición de destino equivalente a la posición de destino de la formación (4.500 m). </li><li> Ajuste la velocidad de accionamiento directo lineal (velocidad de carga / descarga) para cumplir con la velocidad de deformación deseada. Elija una velocidad de deformación de 1 x 10 -1 s -1 (velocidad del actuador de 9000 m / seg), que conduce a una transformación de fase adiabático para muestras con una sección transversal de 0,75 mm x 1,4 mm o más grande. </li><li> Ajuste el tiempo de mantenimiento a 180 SEc, que es suficiente para que la muestra alcance el nivel de temperatura inicial. Nota: El tiempo de retención tiene que ser verificado después del experimento mediante el cálculo de un tiempo térmica de equilibrio constante (τ) y un tiempo de retención menor que 4 x τ tiene que ser aumentada antes de que comience el experimento siguiente caracterización. </li><li> Establecer el número de ciclos a 1. </li><li> Establecer el nivel mínimo muestra específica y el nivel de fuerza máxima para evitar la carga de compresión y la sobrecarga de tensión (carga mínima de 1 MPa, la carga máxima de 800 MPa). </li><li> Elija un tipo de cámara de infrarrojos adquisición de 5 ms / marco (200 fotogramas por segundo). </li><li> Haga clic en el botón de inicio para cargar la configuración. </li></ol></li><li> Abra el software de la cámara de infrarrojos, seleccione un nombre de archivo y asignar 80.000 marcos. <ol><li> Cambiar de interno a la fuente de disparo externa e iniciar el modo de adquisición de datos. </li></ol></li><li> Abra el programa de control y pulse el botón de inicio experimento. </li><li> Cargar los datos de IR en elsoftware de la cámara de infrarrojos. Parcela significa máximos y mínimos de la muestra temperaturas en función del tiempo. Exportar los datos y calcular la constante con el software de procesamiento de datos 10,11 tiempo de equilibrio térmico. </li><li> Adaptar el tiempo de mantenimiento, si es necesario, en base a la constante de tiempo de equilibrio térmico calculado. </li><li> Repetir los pasos 3.2 a 3.5 y variar la velocidad de deformación de 5 x 10 -5 seg -1 a 1 x 10 -1 seg -1, así como la tensión de 2% a una deformación máxima del 5% (deformación máxima es equivalente a la tensión máxima durante el entrenamiento). </li><li> Investigación de picos locales de temperatura: Nota: El material muestra un efecto de localización dependiente de la frecuencia del efecto elastocaloric. Un estudio cuidadoso de estos efectos requiere una alta resolución especial del perfil de temperatura SMA. Para este propósito, la lente de la cámara de infrarrojos tiene que ser sustituido por una lente de microscopio. La lente de microscopio tiene una abertura de 3,0, un aumento de 1X y un tamaño de píxel de 15micras, con una distancia de trabajo de 195 mm. <ol><li> Apagar la luz, eliminar todas las fuentes de calor desde el campo de visión de la cámara IR y cambiar la lente. </li><li> Cambiar los ajustes de calibración de la cámara y cargar una calibración lente del microscopio dentro del rango de temperatura de 20 ° C a 50 ° C y un tamaño de imagen de 500 x 250 píxeles. Utilice la unidad de motor de enfoque para enfocar la muestra. </li><li> Realizar una prueba de tracción a una velocidad de deformación de 1 x 10 -1 s -1 (9,000 m / seg), siga los pasos descritos en la sección 2: estabilización del material. </li></ol></li><li> Visualización de datos <ol><li> Cargar los datos mecánicos en el software de procesamiento de datos y visualizarlo en términos de fuerza / desplazamiento, tensión / deformación, fuerza / tiempo y diagramas de posición / tiempo. </li><li> Cargar los datos de IR en el software de la cámara de infrarrojos y evaluar los perfiles de temperatura en tiempo resuelto. Definir un área de medición que cubre la superficie de la cinta de SMA y trazar la media máximo y la temperatura mínima de la muestra en función del tiempo. </li></ol></li></ol> 4. Procedimiento de refrigeración Elastocaloric Nota: La investigación de procesos de enfriamiento elastocaloric requiere el uso de actuadores y sensores en el nivel superior e inferior de la configuración así como la cámara de infrarrojos. Estos experimentos incluyen una variación de los parámetros de control con el fin de optimizar el rendimiento del proceso. <ol><li> Si la cinta de SMA ha sido Desblocado y el banco de pruebas se ha apagado después de la caracterización de materiales, repita los pasos 2.1 a 2.5 y la abrazadera de la muestra de nuevo. Si este no era el caso, proceder de la siguiente manera. </li><li> Iniciar el software de la cámara de infrarrojos y cargar la calibración de la lente de 50 mm con el objetivo de primer plano. Elija un tamaño de imagen de 1.280 x 1.024 píxeles y un rango de temperatura de -20 ° C a 50 ° C. Coloque la cámara mediante el uso de la unidad de enfoque motor y asegurarse de que toda la muestra está en el campo de visión de la cámara. Nota: La cámara IR en combinación con el sistema de lentes elegido tiene una longitud focal (f) de 50 mm, una abertura de f / 2 y un tamaño de píxel mínimo de 60 micras, con una distancia de trabajo de 200 mm. </li><li> Abra el programa de control para procesos de enfriamiento elastocaloric y establecer los parámetros de control (desplazamiento de accionamiento lineal directo uno (nivel superior), la velocidad de accionamiento lineal directo uno y dos, tiempo de contacto, la fuerza máxima y mínima, fase de contacto, número de ciclos y la cámara cuadros por segundo). <ol><li> Ajuste la posición de inicio del accionamiento directo lineal para SMA carga y descarga, de manera que la muestra es bajo carga cero y establecer la posición de destino equivalente a la posición de destino de la formación (4.500 m). </li><li> Ajuste la velocidad (velocidad de carga / descarga) del accionamiento directo lineal para carga y descarga de la media móvil de conocer a una velocidad de deformación de 1 x 10 -1 s -1 (9,000 m / seg). Ajuste la velocidad del accionamiento directo lineal en el nivel inferior de la configuración para 100mm / seg. </li><li> Ajuste el tiempo de contacto de 6 seg. Nota: El tiempo de contacto determina la duración de la transferencia de calor y se puede ajustar a cualquier valor por encima de 10 mseg. </li><li> Elija el contacto después del modo de carga / descarga. Nota: Las influencias de la fase de contacto si la carga y descarga es adiabática (contacto después de la carga / descarga) o en combinación con una transmisión de calor al disipador de calor / fuente (contacto durante la carga / descarga). </li><li> Establecer el número de ciclos a 40. </li><li> Establecer el nivel mínimo muestra específica y el nivel de fuerza máxima para evitar la carga de compresión y la sobrecarga de tensión (carga mínima de 1 MPa, la carga máxima de 800 MPa). </li><li> Elija un tipo de cámara de infrarrojos adquisición de 20 ms / marco (50 cuadros por segundo). Haga clic en el botón de inicio para cargar la configuración. </li></ol></li><li> Abra el software de la cámara de infrarrojos, seleccione un nombre de archivo y asignar 50000 marcos. Cambiar de interno a la fuente de disparo externa e iniciar el modo de adquisición de datos. </li><li> Abra el control de program y pulse el botón de inicio experimento. </li><li> Visualización de datos <ol><li> Una vez que el experimento se terminó de cargar los datos en el software de procesamiento de datos y visualizar los datos siguientes: fuerza / desplazamiento, tensión / deformación, temperatura / tiempo (temperatura del disipador de calor / fuente), la fuerza / tiempo, la fuerza de contacto / hora y la posición de los actuadores lineales / hora. </li><li> Cargar los datos de IR en el software de la cámara de infrarrojos y evaluar los perfiles de temperatura en tiempo resuelto. Definir tres zonas de medición que cubren la superficie de la muestra SMA, así como la superficie del disipador de calor y la fuente de calor. Exportar el momento resueltos datos medios, máximos y mínimos de temperatura de las áreas de medición definidos y cargarlos en el software de procesamiento de datos. </li><li> Visualizar los datos de IR en un diagrama de temperatura / tiempo. </li></ol></li><li> Repetir el experimento bajo variación de los parámetros: tensión, tiempo de contacto y la fase de contacto. </li></ol> 5. Validación del modelo <pclass = &quot;jove_content&quot;&gt; Nota: La validación de modelos de materiales acoplados termo-mecánica requiere experimentos que se adhieren a la estabilización de los materiales o la caracterización de materiales. Use un alambre de Ni-Ti con una sección transversal de 0,6 mm para llevar a cabo las investigaciones experimentales. <ol><li> Realizar una prueba de tracción isotérmica a una velocidad de deformación de 5 x 10 -5 s -1 y una cepa de 5%, continúe realizando los pasos descritos en la sección 2. </li><li> Una vez terminado el experimento, cargar los datos en el software de procesamiento de datos y visualizar la medición de tensión / deformación. Calcular el módulo elástico de la austenita y la fase de martensita, la cepa de transformación, así como el ancho de la histéresis. La función de los datos antes mencionado como datos de entrada para el modelo mecánicas 7. </li><li> Realizar pruebas adicionales a la tracción a velocidades de deformación de 1 x 10 -4 s -1, 5 x 10 -4 s -1, 1 x 10 -3 s -1, 5 x 10 -3 </sarriba&gt; seg -1, 1 x 10 -2 s -1, 5 x 10 -2 s -1, 1 x 10 -1 s -1 para generar datos de validación para el modelo. </li><li> Si los experimentos se han completado tomar la muestra fuera del sistema de prueba y realizar una medición calorimétrico de exploración diferencial (DSC) 18 para determinar las propiedades del material de calorías (calores latentes de la transformación de fase y la capacidad de calor específico del material) del material estabilizado. Nota: Las mediciones de DSC proporcionan datos de entrada calóricas para el modelo acoplado termo-mecánica. </li><li> Iniciar la simulación de los ensayos de tracción descritos en el paso 5.3. <ol><li> Implementar modelo personalizado para las aleaciones con memoria de forma en el software de elementos finitos disponibles en el mercado: <ol><li> Seleccionar nodo de Geometría y seleccione Intervalo para dibujar la geometría de alambre 1D. </li><li> Seleccione el nodo Parámetros para definir los parámetros del modelo identificados a partir de los ensayos mecánicos en step 5,2. </li><li> Haga clic derecho en el nodo Definiciones y seleccione variables para crear un nodo variables. Seleccione el nodo variables y definir algoritmo para determinar las probabilidades de transición derivados de la termodinámica estadística 19. </li><li> Seleccione Agregar Física y añadir Formulario Coeficiente PDE o el Formulario General de la PDE para definir un conjunto de ecuaciones diferenciales parciales unidimensionales que describen el comportamiento de la forma superelástica de memoria de la aleación, que consiste en el balance de momento parado, el equilibrio de la energía interna y ecuaciones cinéticas de transformación de fase 20 . </li></ol></li><li> Seleccionar los valores iniciales sub-nodo para ajustar la temperatura inicial del alambre a la temperatura ambiente. <ol><li> Seleccionar Dirichlet condición de contorno para prescribir las condiciones mecánicas límite para la aplicación de una cepa siguiendo el procedimiento experimental descrito en la sección 2, de la cepa de tasas en step 5,3, lo que limita el desplazamiento de un extremo del alambre y prescribir el desplazamiento del otro extremo. </li><li> Seleccionar Dirichlet condición de contorno para establecer las condiciones térmicas de borde a temperatura constante a causa de las pinzas enormes en comparación con el alambre delgado. Nota: Los ajustes estándar del software de elementos finitos no conducen a una solución convergente. </li><li> Seleccione sub-nodos de configuración Solver para modificar la programación estándar (por ejemplo, las tolerancias absolutas y relativas y coeficiente de amortiguación de la no lineal iterativo, solucionador de Newton-Raphson) y haga clic en &quot;Calcular&quot; para ejecutar programa de solución. </li></ol></li></ol></li><li> Análisis de los datos <ol><li> Cargar los resultados experimentales y la simulación en el software de análisis de datos y visualizar los datos mecánicos y térmicos. </li><li> Comparación de los resultados de simulación y experimentales, respectiva mecánica (esfuerzo / deformación de respuesta) y evolución de la temperatura térmica (especial resuelta delmuestra) comportamiento del material. </li></ol></li></ol>

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<li>Müller, I., Seelecke, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermodynamic+aspects+of+shape+memory+alloys%5BTitle%5D)+AND+%22Math.+Comput.+Model%22%5BJournal%5D)">Thermodynamic aspects of shape memory alloys.</a> Math. Comput. Model. 34 (12-13), 1307-1355 (2001).</li>
<li>Experimental Investigation and Numerical Simulation of the Mechanical and Thermal Behavior of a Superelastic Shape Memory Alloy Beam During Bending. Ullrich, J., Schmidt, M., et al. ASME 2014 Conf. Smart Mater. Adapt. Struct. Intell. Syst. Mech. Behav. Act. Mater. Integr. Syst. Des. Implementation; Bioinspired Smart Mater. Syst. Energy Harvest, , (2014).</li>
<li>Bechtold, C., Chluba, C., Lima de Miranda, R., Quandt, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High+cyclic+stability+of+the+elastocaloric+effect+in+sputtered+TiNiCu+shape+memory+films%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">High cyclic stability of the elastocaloric effect in sputtered TiNiCu shape memory films.</a> Appl. Phys. Lett. 101 (9), 091903(2012).</li>
</ol>

Los autores no tienen nada que revelar.

El banco de pruebas científicas presentadas permite la investigación exhaustiva de los materiales y procesos de enfriamiento elastocaloric mediante la realización de los experimentos descritos en la sección de protocolo. La alineación precisa de la muestra antes de sujeción es crucial para todos los experimentos. Mala alineación puede potencialmente llevar a la falla del material inicial. Además, la máxima aplicada cepa tiene influencia significativa en el tiempo de vida material, mientras que la cepa requerida para alc...

procesos de enfriamiento de estado sólido basados ​​en materiales ferroic tienen potencial para ser alternativas ambientalmente amigables para el proceso de compresión de vapor a base convencional. Materiales Ferroic pueden exhibir efectos magnetocalóricos, electrocalórico y elastocaloric 1, 2, así como combinaciones de estos efectos, que se describen como el comportamiento del material multicaloric 3. Los diferentes efectos calóricos en materiales ferroic están siendo investigados actualmente como parte del programa Prioridad Fundación Alemana de Ciencias (DFG) SPP 1599 &quot;Efectos caloríficos en Materiales Ferroic: Nuevos conceptos para refrigeración&quot; 4. Aleaciones con memoria de forma (SMA), que son investigados dentro de este programa muestran grandes efectos elastocaloric, en particular, aleaciones a base de Ni-Ti debido a sus grandes calores latentes 5. La transformación de fase inducida por deformación a altas velocidades de deformación conduce a cambios de temperatura significativos de la SMA, como se muestra en la Figura 1. Laadiabática, transformación de fase exotérmica de austenita a martensita aumenta la temperatura de SMA. La transformación endotérmico de martensita a austenita conduce a una disminución significativa de la temperatura. Estas propiedades de los materiales elastocaloric se pueden utilizar para de estado sólido procesos de enfriamiento mediante la aplicación de un ciclo de carga y descarga mecánico adecuado. La figura 2 muestra un ciclo típico de refrigeración elastocaloric, siguiendo el ciclo Brayton. La transferencia de calor entre la fuente de calor y el frío, sin carga SMA tienen lugar en los niveles de baja temperatura. En la siguiente fase, el SMA está en un estado sin contacto y la, carga adiabática rápida conduce a un aumento significativo de la temperatura de SMA. La transferencia de calor posterior entre la SMA caliente y el disipador de calor se efectúan en tensión constante de la SMA. Una vez completada la transferencia de calor, rápido, descarga adiabática conduce a una caída significativa de la temperatura de la SMA por debajo de la temperatura de la fuente de calor, con lo cual el siguiente enfriamiento cycle y la transferencia de calor con la fuente de calor puede comenzar. La eficiencia del proceso de enfriamiento elastocaloric depende del trabajo mecánico requerido y el calor absorbido. En primer lugar, los experimentos de control el campo de temperatura durante los ensayos de tracción se realizaron por Shaw et al. 6, 7, con el objetivo de investigar la formación de picos de temperatura locales durante ensayos de tracción de las tiras y los cables de SMA a diferentes velocidades. El método experimental aplicado combina la medición de los parámetros mecánicos (estrés, la tensión y la velocidad de deformación) con la adquisición simultánea de los campos de temperatura por medio de mediciones termográficas. Durante la carga y descarga de una muestra de SMA con una máquina de ensayo de tracción, un puerto de infrarrojos (IR) de la cámara se utiliza para adquirir imágenes de IR de la muestra de SMA. Esta técnica permite la investigación de la formación dependiente de la velocidad de deformación de los picos de temperatura. La medición de la distribución de temperatura en ella muestra es muy importante para la investigación de los efectos elastocaloric y la determinación de las propiedades de enfriamiento del material. Una medición de la temperatura local - mediante la aplicación de una medición de temperatura de contacto - no es suficiente con el fin de caracterizar las propiedades de enfriamiento del material. Una medición del campo de temperatura también fue utilizado por Cui et al. 8 para el estudio de los efectos elastocaloric en hilos de Ni-Ti. Por otra parte, Ossmer et al. 9, 10 mostró que las mediciones de temperatura termográficas también son adecuados para la investigación de los efectos elastocaloric en Ni-Ti películas delgadas basadas, que requiere altas tasas de bastidor de la cámara de infrarrojos para la investigación de las transformaciones de fase adiabáticas a alta tensión las tasas. Esta técnica permite la investigación de las cantidades elastocaloric y la homogeneidad del perfil de temperatura, que tiene una influencia significativa en la transferencia de calor a base de estado sólido y laeficiencia de los procesos elastocaloric. La eficiencia de enfriamiento del material se puede determinar mediante el cálculo del trabajo requerido en base a las mediciones de esfuerzo / deformación, así como el calor (que se puede determinar teniendo en cuenta el cambio de temperatura y la capacidad térmica del material). Sin embargo, el método experimental no permite la investigación del material elastocaloric bajo condiciones de proceso. Esto incluye una transferencia de calor entre el SMA y una fuente de calor, que tiene una influencia significativa en la eficiencia del efecto de enfriamiento. La caracterización de los materiales de las condiciones del proceso de enfriamiento y la investigación de los procesos de enfriamiento elastocaloric requieren un banco de pruebas que permite la transferencia de calor a base de estado sólido, que no puede ser investigado por cualquier sistema comercial existente. Con este fin, una novela plataforma de pruebas se ha desarrollado. El dispositivo de prueba está configurado en dos niveles, como se muestra en la Figura 3. El uppenivel r permite la caracterización de materiales elastocaloric básica y procedimientos de formación inicial, similar al método descrito anteriormente (véase la Figura 4). El programa de instalación está equipada con un accionamiento directo lineal capaz de cargar y descargar el SMA en velocidades de deformación hasta 1 seg-1 (véase la Figura 5). El accionamiento directo lineal permite la investigación de las muestras con una sección transversal de hasta 1,8 mm 2, mientras que la longitud de la muestra típico es de 90 mm. La ventaja de un accionamiento directo lineal es la alta velocidad y la alta aceleración - en contraste con las unidades de tornillo de bolas que se utilizan típicamente para ensayos de tracción. Además, una célula de carga, así como el sistema de medición de posición integrado de la unidad lineal, proporciona datos de medición mecánicos. Una cámara IR de alta resolución (1.280 x 1.024 píxeles) se utiliza para medir el perfil de temperatura de la SMA con hasta 400 Hz (en el intervalo de temperatura requerido). El uso de una lente de microscopio con una reslución de 15 micras / píxel permite la investigación de los efectos de la temperatura local. El nivel más bajo de la instalación de prueba contiene un mecanismo que permite la alternancia de transferencia de calor por conducción entre la AMS y el disipador de fuente de calor / calor (véanse las figuras 6 y 7). El accionamiento directo lineal en el nivel inferior cambia entre la fuente de calor a la SMA y de la SMA al disipador de calor, mientras que un cilindro neumático ascensores y disminuye la fuente de calor / sumidero (ver Figura 8). Cada actuador se puede controlar independientemente lo que permite la investigación de diferentes variaciones del proceso de enfriamiento. El sistema de medición integral permite mediciones de los parámetros mecánicos: la posición del actuador, la velocidad del actuador, la fuerza de carga SMA, fuerza de contacto entre SMA y fuente de calor / sumidero durante la transferencia de calor, así como los parámetros térmicos (es decir, temperaturas en el interior del lavabo, la distribución de fuente de calor / temperatura en la superficie de la SMA y la fuente de calor / senk). Una descripción más detallada de la plataforma de pruebas científicas se da en Schmidt et al., 11. <img alt="Figura 5" src="/files/ftp_upload/53626/53626fig5.jpg" /> Figura 5. Esquema de la planta superior del dispositivo de ensayo Un accionamiento directo lineal para carga y descarga de la muestra SMA con el sistema de medición de posición integrado.; una célula de carga para la medición de fuerzas de tracción, así como una cámara IR de alta resolución (1.280 x 1.024 píxeles) para las adquisiciones del perfil de temperatura. <img alt="Figura 7" src="/files/ftp_upload/53626/53626fig7.jpg" /> Figura 7. Esquema de la planta baja del banco de pruebas de un accionamiento directo lineal para la conmutación entre el disipador de calor y la fuente de calor.; un cilindro neumático para hacer contacto entre la muestra de SMA y la fuente de calor / sumidero; sensores de temperatura se han integrado en el disipador de calor / SOURCE para medir la temperatura del núcleo de los bloques. Una célula de carga de compresión para la medición de la fuerza de contacto entre el SMA y la fuente de calor / sumidero está integrado en el mecanismo de transferencia de calor y no es visible en este esquema. El banco de pruebas permite la investigación de las diferentes composiciones de aleación y tamaño de las muestras, así como geometrías (cintas, alambres). Por otra parte, la configuración permite que una amplia investigación sobre materiales y procesos de enfriamiento elastocaloric. Los experimentos descritos anteriormente se pueden realizar y la ejecución se describen paso a paso en la sección de protocolo de este manuscrito. Estabilización Material: comportamiento del material estable es importante para el uso de materiales elastocaloric en los sistemas de refrigeración. Con este fin, se aplica un procedimiento de estabilización mecánica. Durante este procedimiento, el material pasa a ciclos de carga y descarga mecánicas y lleva a cabo una fase detransformación de austenita a martensita. La estabilización de material muestra una fuerte dependencia de la tasa. Las altas tasas de carga conducen a un cambio de temperatura del material, que es causada por el calor latente de la transformación de fase. Este cambio de temperatura tiene una influencia similar en la estabilización de materiales, al igual que los ciclos de formación mecánicas a diferentes temperaturas de 12-15. Además de la conocida mecánica de estabilización 13 y 16 de calorías, una estabilización material térmico se puede observar con la configuración diseñada mediante la aplicación de la termografía 17. Caracterización de materiales: Después de un procedimiento de formación mecánica inicial, el material muestra un comportamiento mecánico, térmico y calórica estable que permita las propiedades del material elastocaloric a caracterizar. Por lo tanto, el ciclismo mecánica a diferentes velocidades se lleva a cabo mientras que, en contraste con el procedimiento de formación, la elastocCaracterización aloric incluye una fase de mantenimiento después de la carga y descarga. Durante la duración de la fase de mantenimiento de la cepa SMA se mantiene constante hasta que un nivel de temperatura ambiente que se alcanza de nuevo. Este tipo de experimento se requiere con el fin de determinar la temperatura alcanzable más bajo después de la descarga, a partir de los niveles de temperatura ambiente, así como la eficiencia de los materiales. formación dependiente tasa de picos de temperatura local se puede observar, con tasas más altas conducen a una distribución de la temperatura cada vez más homogénea. Por otra parte, mediante el aumento de la velocidad de deformación el cambio de temperatura aumenta igualmente hasta que se alcancen condiciones adiabáticas. La eficiencia de los materiales se puede determinar mediante el cálculo del trabajo requerido mecánica, basado en un diagrama de fuerza-desplazamiento de un experimento adiabático, así como el calor absorbible, basado en el cambio de la temperatura media del material durante la descarga y la capacidad calorífica de la muestra . Elastocproceso de enfriamiento aloric: La investigación de la eficacia de la refrigeración de SMA en condiciones de proceso requiere la transferencia de calor entre el medio SMA refrigeración y una fuente de calor, así como un disipador de calor. Para este propósito, el SMA está en contacto con una fuente de calor de estado sólido (después de la descarga adiabático) y un disipador de calor (después de la carga adiabático). La eficiencia del proceso depende en gran medida del control del proceso y las condiciones térmicas de borde. La investigación integral del proceso de enfriamiento requiere una variación de los parámetros de control con el fin de determinar el control de proceso más eficiente. La influencia individual de los parámetros (tiempo de contacto, la tensión SMA, la velocidad de deformación de SMA, la fase de contacto (contacto durante la carga / descarga de la fase o la siguiente) y la fuerza de contacto) en el rendimiento del proceso tiene que ser investigado. Por otra parte, la influencia de la condición límite térmica cambiando por aumento del número de ciclos de enfriamiento ha dedeben tenerse en cuenta. Modelo de validación: El desarrollo de un modelo de material termomecánica acoplada, capaz de reproducir el comportamiento del material mecánica y térmica durante el ciclo de enfriamiento, es crucial para el desarrollo de una nueva tecnología de refrigeración. El modelo permite la optimización de los procesos materiales y por la reducción del esfuerzo de desarrollo experimental y material. La validación requiere un ensayo de tracción isotérmica inicial de un material estabilizado para generar los datos de entrada de material mecánicas requeridas (módulo elástico de la austenita y la fase de martensita, el ancho de la histéresis mecánica, así como la cepa de transformación). La validación del modelo se lleva a cabo sobre la base de ensayos de tracción a diferentes velocidades. Los datos de entrada de calorías necesarias para el modelo se pueden determinar por calorimetría diferencial de barrido (DSC) después de los experimentos mecánicos. Las mediciones de DSC se tienen que realizar after la prueba mecánica con el fin de medir las propiedades del material calóricas de una muestra estabilizada.

<table><tbody><tr><td>Accionamientos directos lineales</td><td>ESR-Pollmeier</td><td>ML 1418-U5-W1</td><td>SMA carga/descarga; transferencia de calor</td></tr><tr><td>Cilindro neumático&nbsp;</td><td>Festo</td><td>ADNGF-40 574031</td><td>Contacto entre la fuente de calor/disipador y el</td></tr><tr><td>sistema de medición de posición inductivo SMA&nbsp;</td><td>AMO</td><td>LMKA-1101.1NN-1.0-0</td><td></td></tr><tr><td>Célula de carga de tracción y compresión</td><td>Futek</td><td>LCF451; FSH02241</td><td>Célula de carga de compresión de fuerza</td></tr><tr><td></td><td>SMA Futek</td><td>LTH300; FSH00297</td><td>Cámara IR de fuerza de contacto</td></tr><tr><td></td><td>Infra Tec</td><td>Image IR 9360; M91129</td><td>1.280 x 1.024 píxeles; Velocidad máxima de fotogramas 3.200 Hz</td></tr><tr><td>Controlador en tiempo real&nbsp;</td><td>National Instruments</td><td>NI CompactRIO-9074 Sistema de</td><td>control y adquisición de datos</td></tr><tr><td>Barniz de cámara</td><td>Tetenal</td><td>105202</td><td></td></tr></tbody></table>

métodos experimentales para procesos de enfriamiento elastocaloric investigación de memoria de forma basada y validación del modelo

Experimental Methods for Investigation of Shape Memory Based Elastocaloric Cooling Processes and Model Validation

Aleaciones con memoria de forma (SMA) mediante procesos de enfriamiento elastocaloric tienen el potencial de ser una alternativa ecológica al proceso de enfriamiento por compresión de vapor convencional. sistemas de aleación de níquel-titanio (Ni-Ti), basado, sobre todo, muestran grandes efectos elastocaloric. Por otra parte, exhiben grandes calores latentes, que es una propiedad del material necesario para el desarrollo de un proceso de enfriamiento basado en estado sólido eficiente. Un banco de pruebas científicas ha sido diseñado para investigar estos procesos y los efectos elastocaloric en SMA. El banco de pruebas realizado permite el control independiente de los ciclos de carga y descarga mecánicas de una SMA, así como la transferencia de calor por conducción entre los elementos de refrigeración de SMA y una fuente de calor / sumidero. El banco de pruebas está equipado con un sistema de control integral capaz de mediciones sincronizadas de parámetros mecánicos y térmicos. Además de determinar el trabajo mecánico proceso dependiente, el sistema también permite MEDICIÓNt de aspectos calóricas térmicas del efecto de enfriamiento elastocaloric a través del uso de una cámara de infrarrojos de alto rendimiento. Esta combinación es de particular interés, ya que permite a las ilustraciones de la localización y del tipo de efectos - tanto importantes para la eficiente transferencia de calor desde el medio a enfriar. El trabajo que se presenta describe un método experimental para identificar las propiedades del material elastocaloric en diferentes materiales y geometrías de muestra. Además, la instalación de prueba se utiliza para investigar diferentes variaciones del proceso de enfriamiento. Los métodos de análisis introducidas permiten una consideración diferenciada de material, proceso y relacionados condición de contorno influye en la eficiencia del proceso. La comparación de los datos experimentales con los resultados de la simulación (de un modelo de elementos finitos termomecánica acoplada) permite una mejor comprensión de la física subyacente del efecto elastocaloric. Además, los resultados experimentales, así como los hallazgos based en los resultados de la simulación, se utilizan para mejorar las propiedades del material.

La estabilización de materiales (Formación): La figura 9 muestra un diagrama de tensión / deformación de 50 ciclos de formación. La muestra investigada es una cinta de Ni-Ti con una sección transversal de A = 1,45 mm 2. La velocidad de deformación aplicada de 1 x 10 -3 sec -1 conduce a un aumento de la temperatura media de Delta T = 12,2 K. El aumento de temper...

Se presentan métodos experimentales para la investigación de procesos de enfriamiento en estado sólido y la caracterización de las propiedades del material elastocalórico de las aleaciones con memoria de forma (SMA). Se ha diseñado un banco de pruebas hecho a medida para el control y la supervisión exhaustiva de los procesos de enfriamiento elastocalórico. Además, proporciona una plataforma de validación para enfoques de modelado acoplados termomecánicamente.

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

Shape Memory Alloys (SMA) using elastocaloric cooling processes have the potential to be an environmentally friendly alternative to the conventional vapor ...

El objetivo general de este experimento es investigar los materiales elastocalóricos y los procesos de enfriamiento elastocalórico. A tal fin, se ha desarrollado un banco de pruebas científico para realizar caracterizaciones básicas de materiales y controles avanzados del proceso elastocalórico. Nuestro método describe la influencia de las propiedades del material y del control del proceso sobre la potencia de enfriamiento y la eficiencia del proceso de enfriamiento.Los hallazgos permiten el desarrollo de procesos de enfriamiento elastocalóricos optimizados, que constituyen 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 provocan un aumento de temperatura durante la carga y una disminución de temperatura durante la descarga subsiguiente. La investigación del proceso de enfriamiento elastocalórico es una colaboración entre el grupo de ciencia de materiales de la Universidad Ruhr en Bochum y dos grupos de ingeniería mecatrónica de la Universidad de Sarre, en Sarrebrücken, Alemania.Implica la optimización de los materiales y los procesos, así como 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 entre la aleación con memoria de forma y un disipador de calor. La principal ventaja de esta técnica es la posibilidad de investigar independientemente la influencia de cada parámetro de control sobre valores del proceso como el trabajo y el calor.Además, este sistema está equipado con un sistema integral para medir cantidades mecánicas y terminales en cada paso del proceso. Para comenzar, utilice un calibrador para medir la cinta de aleación con memoria de forma y determine la sección transversal de la muestra. Luego, recubra la muestra con una capa delgada de una placa de alta emisividad.A continuación, establezca la posición objetivo en el programa del controlador del motor en 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 del montaje experimental y utilice una herramienta de alineación especialmente diseñada para alinear la muestra.Luego, utilice una herramienta de montaje para apretar las abrazaderas y una llave de torsión para ajustar los tornillos con una fuerza de 20 newton-metros. La alineación del semper es muy crítica. La polea del semper fallará tras solo unos pocos ciclos.Inicie el software de la cámara de infrarrojos y cargue la calibración para un objetivo de 50 milímetros combinado con un objetivo de primer plano. Seleccione un tamaño de imagen de 1.280 por 100 píxeles y un rango de temperatura de menos 20 a 50 grados Celsius, y luego use la unidad de enfoque motorizada para posicionar la cámara. Abra el programa de control para entrenamiento y caracterización de materiales.A continuación, establezca la posición inicial en cero micrómetros y elija una posición objetivo de 4 500 micrómetros, de modo que el material experimente una transformación de fase completa. Establezca la velocidad del accionamiento lineal directo en 45 micrones por segundo, lo que equivale a una velocidad de deformación de cinco veces 10 a la menos cuatro por segundo. A continuación, establezca el tiempo de retención en cero segundos, el número de ciclos en uno, la frecuencia de adquisición de la cámara IR en 50 milisegundos por cuadro, y luego haga clic en el botón de inicio para cargar los ajustes.Ahora, abra el software de la cámara de infrarrojos, 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. Luego, abra el programa de control y presione el botón de iniciar experimento para ejecutar el experimento.Para comenzar a caracterizar el material, abra el programa de control para el entrenamiento y el material. Luego, establezca la posición inicial de modo que la muestra esté bajo carga cero desde el principio, y fije la posición objetivo equivalente a la posición objetivo del entrenamiento, que fue de 4 500 micrómetros. A continuación, establezca la velocidad de deformación según se desee, y elija una velocidad lineal de accionamiento directo de 9 000 micrómetros por segundo, lo que provoca una transformación de fase adiabática en muestras con un área de sección transversal de 0,75 milímetros por 1,4 milímetros o mayor.Establezca un tiempo de retención de 180 segundos para permitir suficiente tiempo a que la muestra alcance la temperatura inicial deseada antes del experimento. Luego, establezca el número de ciclos en uno, la frecuencia de adquisición de la cámara IR en 5 milisegundos por cuadro y haga clic en el botón de inicio para cargar los ajustes. A continuación, abra el software de la cámara IR, elija un nombre de archivo y asigne 80.000 cuadros para el experimento.Cambie de una fuente de disparo interna a una fuente de disparo externa, y comience el modo de adquisición de datos. En el programa de control, presione el botón de iniciar experimento para comenzar el experimento. Con el fin de investigar picos locales de temperatura, primero apague la luz.A continuación, retire todas las fuentes de calor del campo de visión de la cámara de infrarrojos y cambie la lente por una lente de microscopio. Luego, modifique 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 celsius. Utilice la unidad de enfoque motorizada para enfocar la muestra.A continuación, realice una prueba de tracción estándar a una velocidad lineal de accionamiento directo de 900 micrones por segundo, como se describió previamente. Con la muestra aún en su lugar, inicie el software de la cámara IR y cargue la calibración para el objetivo de 50 milímetros con lente de acercamiento. Seleccione un tamaño de imagen de 1.280 por 1.024 píxeles y un rango de temperatura de menos 20 a 50 grados Celsius.Abra el programa de control y configure los parámetros de control. Establezca la posición inicial del accionamiento lineal directo 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.Establezca la velocidad del accionamiento lineal directo para la carga y descarga de la aleación con memoria de forma en 9 000 micrómetros por segundo. Luego, establezca la velocidad del accionamiento lineal directo en el nivel inferior del montaje en 100 milímetros por segundo. A continuación, establezca el tiempo de contacto en seis segundos.Seleccione el contacto tras el modo de carga y descarga y establezca el número de ciclos en 40. Elija una frecuencia de adquisición de la cámara IR de 20 milisegundos por cuadro y luego haga clic en el botón de inicio para cargar la configuración. En el software de la cámara IR, seleccione un nombre de archivo y asigne 50.000 cuadros 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 iniciar experimento. Esto iniciará el ciclo de enfriamiento elastocalórico.En este clip de video, una cinta de níquel-titanio está siendo sometida a tensión durante el entrenamiento. El estiramiento controlado provoca un aumento medio de temperatura de 12.2 grados Kelvin. El material sigue una curva de histéresis típica y finalmente alcanza una respuesta como la mostrada en rojo.Se muestra aquí con una cinta de níquel titanio cobre vanadio, el ancho de la histéresis aumenta con mayores tasas de deformación. Esto es resultado del cambio de temperatura durante la transformación de fase. El diagrama muestra que, después de un cierto punto, no hay un aumento adicional del cambio de temperatura en respuesta al incremento de la tasa 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, lo que resulta en una disminución de los cambios de temperatura mínima y máxima del material. Después del primer ciclo, surge un perfil de temperatura inhomogéneo porque el disipador de calor y la fuente de calor no contactan toda la cinta. Aquí se puede observar la comparación entre el experimento y la simulación de un ensayo de tracción.El modelo subyacente de la simulación es una modificación del modelo termomecánicamente acoplado de Mueller Achenbach Selleck. Esto demuestra que el modelo es capaz de reproducir tanto el comportamiento mecánico como el comportamiento térmico del material. Por lo tanto, al llevar a cabo el procedimiento, es importante recordar que los requisitos de diseño incluyen el monitoreo de todos los pasos de enfriamiento, así como un control directo de los parámetros de variación.La encapsulación térmica aumentará la eficiencia del proceso, sin embargo, la observabilidad se reduciría considerablemente. Para el desarrollo de un dispositivo real posteriormente, por supuesto que se tendría en cuenta. Siguiendo este procedimiento, se pueden realizar otras variaciones del proceso además del control del proceso adiabático, como procesos combinados no adiabáticos y adiabáticos, con el fin de responder preguntas adicionales, tales como la influencia de la fase de contacto en la eficiencia del proceso y la potencia de refrigeración.Después de ver este video, debería tener una buena comprensión del efecto de enfriamiento elastocalórico y de cómo la optimización de materiales y el control del proceso influyen en la potencia y eficiencia del enfriamiento.

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