Metodi sperimentali per le indagini di memoria di forma a base processi di raffreddamento Elastocaloric e validazione del modello

L'obiettivo generale di questo esperimento è studiare i materiali e i processi di raffreddamento elastocalorici. A tal fine, è stato sviluppato un banco di prova scientifico per eseguire caratterizzazioni fondamentali dei materiali e controlli avanzati del processo elastocalorico. Il nostro metodo descrive l'influenza delle proprietà del materiale e del controllo del processo sulla potenza frigorifera e sull'efficienza del processo di raffreddamento.

I risultati permettono lo sviluppo di processi di raffreddamento elastocalorici ottimizzati, che costituiscono la base per la progettazione di dispositivi di raffreddamento efficienti. Durante un caricamento adiabatico rapido, i calori latenti della lega a memoria di forma provocano un aumento di temperatura durante il caricamento e una diminuzione della temperatura durante lo scaricamento successivo. Lo studio del processo di raffreddamento elastocalorico è una collaborazione tra il gruppo di scienza dei materiali della Ruhr University di Bochum e due gruppi di ingegneria meccatronica dell'Università di Saarland, Saarbrucken, Germania.

Comprende l'ottimizzazione dei materiali e dei processi, nonché lo sviluppo di uno strumento di simulazione. L'impianto sperimentale scientifico sviluppato permette lo studio dell'effetto elastocalorico per il trasferimento di calore allo stato solido tra una lega a memoria di forma e una sorgente di calore, e tra la lega a memoria di forma e un dissipatore di calore. Il principale vantaggio di questa tecnica consiste nella possibilità di indagare in modo indipendente l'influenza di ciascun parametro di controllo sui valori di processo come lavoro e calore.

Inoltre, questo sistema è integrato in un sistema completo per misurare le grandezze meccaniche e termiche ad ogni passo del processo. Per iniziare, utilizzare un calibro per misurare la lega a memoria di forma sotto forma di nastro e determinare la sezione trasversale del campione. Successivamente, ricoprire il campione con uno strato sottile di un materiale con elevata emissività.

Successivamente, impostare la posizione target nel programma del controllore del motore a zero micrometri e fare clic sul pulsante di abilitazione dell'operazione. In questa posizione, la distanza tra le morse è di 90 millimetri. Posizionare il campione tra le morse dell'apparato sperimentale e utilizzare uno strumento di allineamento appositamente progettato per allineare il campione.

Quindi, utilizzare un ausilio per il montaggio per serrare le fascette e una chiave dinamometrica per stringere le viti con una forza di 20 newton-metri. L'allineamento del semper è molto critico. La puleggia sul semper si romperà già dopo pochi cicli.

Avviare il software della telecamera a infrarossi e caricare la calibrazione per un obiettivo da 50 millimetri abbinato a un obiettivo macro. Selezionare una dimensione dell'immagine di 1.280 per 100 pixel e un intervallo di temperatura da meno 20 a 50 gradi Celsius, quindi utilizzare l'unità di messa a fuoco motorizzata per posizionare la telecamera. Aprire il programma di controllo per l'addestramento e la caratterizzazione del materiale.

Successivamente, impostare la posizione iniziale a zero micrometri e scegliere una posizione target di 4.500 micrometri, in modo che il materiale subisca una trasformazione di fase completa. Impostare la velocità del motore lineare diretto a 45 micron al secondo, equivalente a una velocità di deformazione di cinque per 10 alla meno quattro al secondo. Successivamente, impostare il tempo di mantenimento a zero secondi, il numero di cicli a uno, la frequenza di acquisizione della telecamera a infrarossi a 50 millisecondi per fotogramma, quindi fare clic sul pulsante di avvio per caricare le impostazioni.

Ora, aprire il software della telecamera a infrarossi, scegliere un nome per il file e allocare 5.000 fotogrammi. Passare da una sorgente di trigger interna a una esterna e avviare la modalità di acquisizione dati. Quindi, aprire il programma di controllo e premere il pulsante avvia esperimento per eseguire l'esperimento.

Per iniziare a caratterizzare il materiale, aprire il programma di controllo per l'addestramento e il materiale. Successivamente, impostare la posizione iniziale in modo che il campione sia inizialmente privo di carico e impostare la posizione obiettivo equivalente alla posizione obiettivo dell'addestramento, pari a 4.500 micrometri. Quindi, impostare la velocità di deformazione desiderata e scegliere una velocità lineare a trasmissione diretta di 9.000 micrometri al secondo, che provoca una trasformazione di fase adiabatica nei campioni con un'area della sezione trasversale di 0,75 millimetri per 1,4 millimetri o superiore.

Impostare il tempo di mantenimento a 180 secondi per consentire al campione di raggiungere la temperatura iniziale desiderata prima dell'esperimento. Successivamente, impostare il numero di cicli a uno, la frequenza di acquisizione della telecamera a infrarossi a 5 millisecondi per fotogramma e fare clic sul pulsante di avvio per caricare le impostazioni. Quindi, aprire il software della telecamera a infrarossi, scegliere un nome file e allocare 80.000 fotogrammi per l'esperimento.

Passare da una sorgente di trigger interna a una esterna e avviare la modalità di acquisizione dati. Nel programma di controllo, premere il pulsante per iniziare l'esperimento per avviare l'esperimento. Per analizzare i picchi locali di temperatura, spegnere innanzitutto la luce.

Quindi, rimuovere tutte le sorgenti di calore dal campo visivo della telecamera a infrarossi e sostituire l'obiettivo con un obiettivo microscopico. Successivamente, modificare le impostazioni di calibrazione della telecamera, caricare un obiettivo microscopico e calibrare una dimensione dell'immagine di 500 per 250 pixel nell'intervallo compreso tra 20 e 50 gradi Celsius. Utilizzare l'unità di messa a fuoco motorizzata per mettere a fuoco il campione.

Quindi, eseguire un test di trazione standard con una velocità lineare ad azionamento diretto di 900 micrometri al secondo, come descritto in precedenza. Con il campione ancora in posizione, avviare il software della telecamera a infrarossi e caricare la calibrazione per l'obiettivo da 50 millimetri con lente d'ingrandimento. Selezionare una dimensione dell'immagine di 1.280 per 1.024 pixel e un intervallo di temperatura da meno 20 a 50 gradi Celsius.

Aprire il programma di controllo e impostare i parametri di controllo. Impostare la posizione iniziale del motore lineare diretto per le leghe a memoria di forma in modo che il campione sia privo di carico. Inoltre, impostare la posizione obiettivo corrispondente alla posizione obiettivo dell'addestramento.

Impostare la velocità del motore lineare diretto per il caricamento e lo scaricamento della lega a memoria di forma a 9.000 micrometri al secondo. Successivamente, impostare la velocità del motore lineare diretto nel livello inferiore dell'allestimento a 100 millimetri al secondo. Quindi, impostare il tempo di contatto a sei secondi.

Scegliere il contatto dopo la modalità di carico e scarico e impostare il numero di cicli a 40. Scegliere una frequenza di acquisizione della telecamera a infrarossi di 20 millisecondi per fotogramma, quindi fare clic sul pulsante di avvio per caricare le impostazioni. Nel software della telecamera a infrarossi, scegliere un nome file e allocare 50.000 fotogrammi per l'esperimento.

Passare da una fonte di trigger interna a una esterna e avviare la modalità di acquisizione dati. Infine, aprire il programma di controllo e premere il pulsante per iniziare l'esperimento. Questo avvierà il ciclo di raffreddamento elastocalorico.

In questo filmato, un nastro di titanio e nichel viene sottoposto a deformazione durante la fase di training. L'allungamento controllato provoca un aumento medio della temperatura di 12,2 gradi Kelvin. Il materiale segue una tipica curva di isteresi e alla fine si stabilizza in una risposta come quella mostrata in rosso.

Mostrato qui con un nastro di rame titanio nichel vanadio, l'ampiezza della isteresi aumenta all'aumentare della velocità di deformazione. Questo è un risultato della variazione di temperatura durante la trasformazione di fase. Il diagramma mostra che, oltre un certo punto, non si verifica un'ulteriore aumento della variazione di temperatura in risposta all'aumento della velocità di deformazione.

Questo video nell'infrarosso mostra che aumentando il numero di cicli di raffreddamento, le differenze di temperatura tra dissipatore di calore e sorgente termica aumentano, determinando una riduzione della variazione minima e massima di temperatura del materiale. Dopo il primo ciclo, si genera un profilo di temperatura non omogeneo poiché il dissipatore e la sorgente termica non entrano in contatto con l'intero nastro. Qui è possibile osservare il confronto tra esperimento e simulazione di una prova di trazione.

Il modello alla base della simulazione è una modifica del modello termomeccanicamente accoppiato di Mueller Achenbach Selleck. Ciò dimostra che il modello è in grado di riprodurre sia il comportamento meccanico che quello termico del materiale. Pertanto, durante l'esecuzione della procedura, è importante ricordare che i requisiti di progettazione prevedono il monitoraggio di tutti i passaggi di raffreddamento e un controllo diretto dei parametri di variazione.

L'involucro termico aumenterà l'efficienza del processo, tuttavia l'osservabilità sarebbe notevolmente ridotta. Per lo sviluppo di un dispositivo reale successivamente, naturalmente lo si prenderebbe in considerazione. Seguendo questa procedura, è possibile eseguire altre variazioni del processo oltre al controllo del processo adiabatico, come processi combinati adiabatici e non adiabatici, al fine di rispondere ad ulteriori domande, come l'influenza della fase di contatto sull'efficienza del processo e sulla potenza frigorifera.

Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione dell'effetto di raffreddamento elastocalorico e di come l'ottimizzazione dei materiali e il controllo del processo influenzino la potenza e l'efficienza del raffreddamento.