Waiting
로그인 처리 중...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

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

Published: May 2, 2016 doi: 10.3791/53626
Automatic Translation
1,2, 2, 3, 3, 3, 1, 2
1Lab for Measurement Technology, Saarland University, 2Intelligent Material Systems Lab, Saarland University, 3Lab for Material Science, Ruhr Universität Bochum

Abstract

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.

Introduction

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 "Efectos caloríficos en Materiales Ferroic: Nuevos conceptos para refrigeración" 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.

Figura 5
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.

Figura 7
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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Preparación de muestras

  1. Medir la cinta SMA con pinzas y determinar la sección transversal de la muestra.
  2. 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.

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.

  1. 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.
  2. Sy la posición de destino en el programa de control del motor a 0 micras y hacer clic en la "operación permite" botón - en esta posición, la distancia entre las mordazas es de 90 mm.
  3. Coloque la muestra entre las abrazaderas de la configuración experimental y utilizar una herramienta de alineación especialmente diseñado para alinear la muestra.
  4. 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).
  5. Comprobar la posición actual del motor y asegúrese de que el motor está en la posición de partida (0 m).
  6. 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.
  7. 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).
    1. 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.
    2. 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.
      1. Determinar la velocidad de accionamiento directo lineal (v) en base a la velocidad de deformación elegido ( épsilon ) Y la longitud inicial de la muestra (l 0) de 90 mm ​​(v = <img alt = "épsilon" src = "/ files / ftp_upload / 53626 / epsilon.jpg" /> ∙ l 0)
    3. Ajuste el tiempo de mantenimiento a 0 seg.
    4. Establecer el número de ciclos a 1 para el primer ciclo con una nueva muestra.
    5. 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).
    6. Elija un tipo de cámara de infrarrojos adquisición de 50 ms / marco (20 fotogramas por segundo).
    7. Haga clic en el botón de inicio para cargar la configuración.
  8. Abra el software de la cámara de infrarrojos, seleccione un nombre de archivo y asignar 5.000 marcos.
    1. Cambiar de interno a la fuente de disparo externa e iniciar el modo de adquisición de datos.
  9. Abra el programa de control y pulse el botón de inicio experimento.
  10. Visualización de datos
    1. 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.
    2. 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.
  11. 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.
    1. 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.

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.

  1. 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.
  2. 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).
    1. 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).
    2. 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.
    3. 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.
    4. Establecer el número de ciclos a 1.
    5. 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).
    6. Elija un tipo de cámara de infrarrojos adquisición de 5 ms / marco (200 fotogramas por segundo).
    7. Haga clic en el botón de inicio para cargar la configuración.
  3. Abra el software de la cámara de infrarrojos, seleccione un nombre de archivo y asignar 80.000 marcos.
    1. Cambiar de interno a la fuente de disparo externa e iniciar el modo de adquisición de datos.
  4. Abra el programa de control y pulse el botón de inicio experimento.
  5. 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.
  6. Adaptar el tiempo de mantenimiento, si es necesario, en base a la constante de tiempo de equilibrio térmico calculado.
  7. 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).
  8. 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.
    1. Apagar la luz, eliminar todas las fuentes de calor desde el campo de visión de la cámara IR y cambiar la lente.
    2. 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.
    3. 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.
  9. Visualización de datos
    1. 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.
    2. 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.

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.

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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).
    1. 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).
    2. 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.
    3. 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.
    4. 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).
    5. Establecer el número de ciclos a 40.
    6. 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).
    7. 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.
  4. 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.
  5. Abra el control de program y pulse el botón de inicio experimento.
  6. Visualización de datos
    1. 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.
    2. 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.
    3. Visualizar los datos de IR en un diagrama de temperatura / tiempo.
  7. Repetir el experimento bajo variación de los parámetros: tensión, tiempo de contacto y la fase de contacto.

5. Validación del modelo

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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 -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.
  4. 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.
  5. Iniciar la simulación de los ensayos de tracción descritos en el paso 5.3.
    1. Implementar modelo personalizado para las aleaciones con memoria de forma en el software de elementos finitos disponibles en el mercado:
      1. Seleccionar nodo de Geometría y seleccione Intervalo para dibujar la geometría de alambre 1D.
      2. Seleccione el nodo Parámetros para definir los parámetros del modelo identificados a partir de los ensayos mecánicos en step 5,2.
      3. 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.
      4. 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 .
    2. Seleccionar los valores iniciales sub-nodo para ajustar la temperatura inicial del alambre a la temperatura ambiente.
      1. 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.
      2. 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.
      3. 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 "Calcular" para ejecutar programa de solución.
  6. Análisis de los datos
    1. Cargar los resultados experimentales y la simulación en el software de análisis de datos y visualizar los datos mecánicos y térmicos.
    2. 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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

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 temperatura tiene una influencia significativa en el efecto de estabilización de 12 14; Además de la estabilización mecánica, una estabilización térmica se puede observar también. Película 1 muestra la distribución de temperatura en la muestra durante los primeros tres ciclos de formación, la frecuencia de imagen es cinco veces mayor como la medición del tiempo real. El experimento se detuvo después de cada ciclo y se reinicia tan pronto como la muestra alcance la temperatura ambiente. Una homogeneización del efecto elastocaloricse observa sin embargo la intensidad de los picos de temperatura disminuye al aumentar el número de ciclos.

Figura 9

Figura 9. estabilización mecánica de una cinta de Ni-Ti binario durante diagrama de entrenamiento. El estrés / deformación de 50 ciclos de formación a una velocidad de deformación de 1 x 10 -3 s -1.

Caracterización de materiales:

Los resultados de una caracterización de materiales elastocaloric de una cinta NiTiCuV (A = 1,07 mm 2) se muestran en la Figura 10. El diagrama de tensión / deformación en la Figura 10 (a) muestra que el aumento de velocidades de deformación conducen a aumentar la anchura de histéresis 7, 12, 21 . Esta correlación es un resultado of el cambio de temperatura durante la transformación de fase, que también se muestra en el diagrama de velocidad? T-deformación (Figura 10 (b)). Además, el diagrama muestra que a velocidades de deformación más altas que 5 x 10 -2 sec -1 no hay más aumento del cambio de temperatura. El estancamiento de el cambio de temperatura indica que se alcanza el límite adiabático, que también puede derivarse de la estancamiento del aumento de estrés relacionado con la temperatura (que se muestra en el diagrama de tensión-deformación). Además, la pequeña desviación entre la media del cambio y la temperatura máxima a tasas elevadas muestra que el material se transforma casi homogéneamente. La comparación de los videos IR adquiridos durante los experimentos realizados a una velocidad de deformación de 1 x 10 -3 s -1 (ver la película 2 (carga) y Movie 3 (descarga)) ya una velocidad de deformación de 1 x 10 seg -1 -1 (ver la película 4 (carga, 10 veces más lento) Y de la película 5 (de descarga 10 veces más lento)) muestra la homogeneización del efecto elastocaloric mediante el aumento de velocidades de deformación.

Sobre la base de la caracterización de materiales, la eficiencia del material puede ser determinada. El trabajo de un ciclo de carga y descarga adiabática a una velocidad de deformación de 1 x 10 -1 s -1 es equivalente a las áreas en el diagrama de esfuerzo-deformación en la Figura 11. El área roja muestra el trabajo no recuperable de la histéresis que se tiene en cuenta para la determinación del coeficiente de rendimiento (COP) del material. El calor se calcula en base al cambio de temperatura negativo media de 20 K y la capacidad calorífica de la muestra, mientras que la capacidad de calor puede ser determinado tomando en cuenta la capacidad de calor específico (CP = 0,46 J / (kg K)), la densidad (ρ = 7,340 kg / cm 3) y el volumen de la muestra. La CP resultante de 7 es el quotient de calor absorbido y el trabajo mecánico. Un método gráfico para determinar la eficiencia de los procesos de enfriamiento elastocaloric basada en el análisis termodinámico de los ciclos de refrigeración se describe en Schmidt et al. 22

La figura 1o

Figura 10. Caracterización de materiales. Diagrama de esfuerzo / deformación dependiente de la frecuencia (a) y Delta T / deformación diagrama que muestra la tasa de SMA cambio mínimo, el máximo y la media de la temperatura (b) de una cinta NiTiCuV. La cepa se mantuvo constante durante 150 segundos después de la carga y descarga.

Figura 11
Figura 11. Trabajo. Diagrama de fuerza / deformación de una cinta NiTiCuV (A = 1,07 mm 2) durante un ciclo de carga y descarga adiabática. La desviación se mantuvo constante durante 150 segundos después de la carga y descarga. El trabajo es equivalente a las áreas en el diagrama mientras que el trabajo durante la descarga podrían ser recuperados.

Proceso de enfriamiento:

El diagrama de fuerza de deflexión en la Figura 12 (a) muestra el comportamiento mecánico de la muestra NiTiCuV caracterizado previamente durante 40 ciclos de enfriamiento. El tiempo de contacto entre el SMA y la fuente de calor / sumidero se fijó a 6 segundos y la velocidad de deformación se fijó a 1 x 10 -1 seg -1. El diagrama de temperatura-tiempo de la figura 12 (b) muestra el aumento de la temperatura del disipador de calor y la disminución de temperatura de la fuente de calor durante los ciclos de enfriamiento 40, que cambia las condiciones de contorno térmicas del proceso. Por otra parte, la influencia de la frontera condiciones a la mecánica y el comportamiento del material térmico se pueden observar. El vídeo IR (película 6) muestra que al aumentar el número de ciclos del cambio mínimo y la temperatura máxima del material disminuye Esto también se refleja en la disminución de la anchura de histéresis (véase la Figura 12 (a)). Después del primer ciclo, un perfil de temperatura no homogénea se debe a que el disipador de calor / fuente no hace contacto con toda la cinta de SMA (ver la película 6). El perfil de temperatura diferente significativa de la SMA después del primer ciclo conduce a una cepa de transformación más baja en el segundo ciclo (véase la figura 12 (a)). El COP del proceso depende en gran medida de la temperatura del disipador de calor y la fuente de calor, como se muestra en la Figura 13. La diferencia de temperatura creciente entre el disipador de calor y la fuente de calor lleva a un COP decreciente, que está relacionada con la diferencia de temperatura decreciente entre el fuente de calor y THe SMA. La CP se calcula basándose en el trabajo no recuperable (véase la Figura 10) y el calor absorbido durante el contacto entre la AMS y la fuente de calor. El calor absorbido se determina tomando en cuenta la capacidad de calor de la SMA y el cambio de temperatura media de la SMA durante el contacto con la fuente de calor. El área de superficie potencia de refrigeración por unidad de proceso muestra una tendencia equivalente (véase la Figura 14). La potencia de refrigeración por unidad de superficie se puede calcular basado en el calor absorbido por ciclo, el tiempo de ciclo de 13,1 segundos y el área superficial de la muestra en contacto con la fuente de calor (8,4 x 10 -6 m 2). Este ejemplo de un proceso de enfriamiento basado SMA demuestra que el material muestra un comportamiento diferente en condiciones de procedimiento en comparación con la caracterización de materiales. La transferencia de calor y el control de procesos influir en el rendimiento de la refrigeración del material y tienen que ser tenido en cuenta para la validación de elastocaloric materiales.

Figura 12
Figura 12. proceso de enfriamiento. Diagrama de fuerza / deformación (a) y de la temperatura / diagrama de tiempos (b) de un proceso de enfriamiento 40 ciclo con una muestra NiTiCuV (A = 1,07 mm 2) y un tiempo de contacto de 6 seg.

Figura 13
Figura 13. COP del proceso de enfriamiento. Un número creciente de ciclos de enfriamiento conduce a una disminución de COP y una diferencia de temperatura creciente entre el disipador de calor y la fuente de calor.

Figura 14
Figura 14. potencia de refrigeración del proceso. Un número creciente de ciclos de enfriamiento conduce a una disminución de la coopoder ling por unidad de superficie y una diferencia de temperatura creciente entre el disipador de calor y la fuente de calor.

Modelo de validación:

La Figura 15 (véase también la película 7) muestra la comparación entre experimento y simulación de un ensayo de tracción realizado en una velocidad de deformación de 1 x 10 -3 seg -1. La muestra comparativa era un alambre de Ni-Ti con un diámetro de 0,6 mm y una longitud de sujeción de 90 mm. El modelo subyacente de la simulación es una modificación del modelo termomecánica acoplado Müller-Achenbach-Seelecke (MAS) 23, 24, 19. El modelo fue ampliado para permitir la simulación de transformación de fase localizado y distribución de la temperatura no homogénea. La comparación entre los resultados experimentales (ver la película 7 (a)) y la simulación (ver la película 7 (b)) Muestra que el modelo es capaz de reproducir la mecánica, así como el comportamiento del material térmico. Los campos de temperatura simulados muestran picos de temperatura localizadas y la intensidad de los picos muestran una buena correlación con el experimento. Por otra parte, el momento de la formación pico de temperatura y la disminución del estrés resultante muestra una buena concordancia. El enfoque de modelo aplicado no sólo se limita a la simulación del comportamiento del material en la carga de tracción, también una carga de flexión puede ser simulado 25. El modelo motivado físicamente permite el análisis detallado de los mecanismos subyacentes y apoya el proceso de optimización y material reduciendo los esfuerzos de desarrollo experimental y material.

Figura 15
Figura 15. Comparación entre experimento (a) y la simulación (b) resultados de un alambre de Ni-Ti con un diámetro de 0,6 mm (A = 0.2734 mm2). El experimento de validación es una prueba de tracción a una velocidad de deformación de 1 x 10 -3 seg -1.

Figura 1
La Figura 1 (Película). Transformación adiabática fase de una muestra de SMA. El adiabático transformación de fase exotérmica de austenita a martensita aumenta la temperatura de SMA y la transformación endotérmico de martensita a austenita conduce a una disminución significativa de la temperatura. (Haga clic derecho para descargar esta película)

Figura 2
La figura 2 (Película). Ciclo de enfriamiento Elastocaloric. La transferencia de calor entre la fuente de calor y el SMA tiene lugar a niveles de baja temperatura. En la siguiente fase,el SMA está en un estado libre de contacto y el (adiabática) de carga rápida aumenta la temperatura 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 SMA temperatura. (Haga clic derecho para descargar esta película)

figura 3
Figura 3 (Película). Animación 3D ensamblaje. La animación muestra los principales componentes en el nivel superior de la instalación de prueba. (Haga clic derecho para descargar esta película)

Figura 4
Figura 4 (Película). Animación en 3D del dispositivo de ensayo. descargar esta película)

Figura 6
La figura 6 (Película). Animación 3D ensamblaje. La animación muestra los principales componentes en el nivel inferior del dispositivo de ensayo. (Haga clic derecho para descargar esta película)

Figura 8
Figura 8 (Película). Animación en 3D del dispositivo de ensayo. La animación muestra un ciclo de refrigeración elastocaloric. (Haga clic derecho para descargar esta película)

película 1 Película 1. IR película de los primeros tres ciclos de formación de una cinta de Ni-Ti a una velocidad de deformación de 1 x 10 -3 sec -1 (5x velocidad de reproducción). La película IR muestra un efecto de homogeneización aumento del efecto mediante el aumento de elastocaloric número de ciclos de formación. (Haga clic derecho para descargar )

película 2
Película 2. Carga mecánica de una cinta NiTiCuV a una velocidad de deformación de 1 x 10 -3 s -1 (IR película, velocidad de reproducción 1x). La película IR muestra una distribución homogénea de la temperatura en la superficie de SMA. (Haga clic derecho para descargar )


Película 3. La descarga mecánica de una cinta NiTiCuV a una velocidad de deformación de 1 x 10 -3 s -1 (película IR; 1x velocidad de reproducción). La película IR muestra una distribución homogénea de la temperatura en la superficie de SMA. (Haga clic derecho para descargar )

película 4
Película 4. Carga mecánica de una cinta NiTiCuV (A = 1,07 mm 2) a una velocidad de deformación de 1 x 10 -1 s -1 (Película IR, 10x más lenta velocidad de reproducción). La película IR muestra una distribución homogénea de la temperatura en el SMA superficie. (Haga clic derecho para descargar )

page = "1"> película 5
Película 5. La descarga mecánica de una cinta NiTiCuV a una velocidad de deformación de 1 x 10 -1 s -1 (película IR, 10x más lenta tasa de reproducción). La película IR muestra una distribución homogénea de la temperatura en la superficie de SMA. (Haga clic derecho para descargar )

película 6
6. Película IR película de un proceso de enfriamiento 40 del ciclo. El tiempo de contacto entre la muestra y NiTiCuV disipador de calor / fuente se establece en 6 seg. La película muestra los ciclos: 1, 2, 11, 12, 21, 22, 31, 32 y 40. (clic derecho para descargar )

g "/>
Película 7. Comparación entre experimento y resultados de la simulación de un alambre de Ni-Ti con un diámetro de 0,6 mm (A = 0,2734 mm 2). El experimento de validación es una prueba de tracción a una velocidad de deformación de 1 x 10 -3 seg -1. El modelo es capaz de reproducir el comportamiento del material mecánica y térmica y permite una predicción de frentes de temperatura que aparecen durante el ciclo mecánico. (Haga clic derecho para descargar )

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

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 alcanzar una transformación de fase completa depende de la composición de la aleación. La cepa de transformación de la aleación NiTiCuV investigado (véase la Figura 10) es significativamente menor que la cepa de transformación de la aleación de Ni-Ti se muestra en la Figura 9 y la Figura 13. Para este fin, las pruebas iniciales para identificar la cepa transformación tienen que ser realizadas para nuevas aleaciones.

Las necesidades de desarrollo de la plataforma de pruebas fueron el control independiente del proceso de parámetros y la vigilancia del comportamiento térmico y mecánico de los componentes del proceso de interacción (SMA muestra, fuente de calor y el disipador de calor) durante todas las fases del ciclo. Por lo tanto, el disipador de calor y la fuente de calor se montaron junto a la otra que permite mediciones simultáneas, termográficas de la muestra de SMA y la fuente de calor / sumidero durante todas las fases del proceso. La distribución de la temperatura no homogénea en la cinta de SMA, así como la influencia de la evolución de la temperatura del disipador de calor y la fuente de calor en el comportamiento SMA (véase la Figura 10 y de la película 6), ilustran la necesidad de la investigación del proceso de termográfico. El perfil de temperatura y de intercambio de calor no homogénea no sólo afectan a la eficiencia del proceso; el tiempo de vida material también está influenciada por el perfil de temperatura. Las altas temperaturas durante plomo ciclismo mecánica a un aumento significativo de la fatiga estructural y funcional del material 12 14 6 ciclos. Con el fin de determinar el perfil de temperatura del material por medio de la termografía, los experimentos preliminares mostraron que se requiere un coeficiente homogéneo, la emisividad alta del material. El revestimiento de material (un barniz de alta emisividad) proporciona un coeficiente de emisividad más reproducible, independientemente de la composición de la aleación y el tratamiento de superficie aplicada de las muestras. La investigación de la distribución de la temperatura en una cinta SMA con una longitud de 90 mm requiere una resolución de aproximadamente 80 micras / pixel para cubrir la longitud de la muestra completa con 1.280 píxeles. Esto limita el ancho mínimo de la muestra a 240 micras para asegurar que al menos un píxel IR está siempre completamente cubierta por la muestra. muestras más pequeñas se pueden investigar con la cámara IR en combinación con la lente de microscopio, si la medición del perfil de temperaturade la muestra completa no es necesario. La lente de microscopio proporciona una resolución de 15 m / pixel y permite la investigación de las muestras con una anchura de 45 micras.

El banco de pruebas científicas diseñada permite además la investigación de los ciclos de enfriamiento elastocaloric avanzadas. carga no adiabático de la SMA en contacto con el disipador de calor puede reducir la temperatura máxima durante el proceso de SMA, lo que aumenta la eficiencia mediante la reducción de la anchura de histéresis. Por otra parte, las temperaturas máximas más bajas SMA podrían aumentar potencialmente la vida útil del material.

Los resultados representativos obtenidos por el equipo de prueba científica mostraron que la plataforma de pruebas permite la investigación de diversas aleaciones con diferentes dimensiones y factores de forma. La sección transversal máxima de las muestras se limita a 1,8 mm 2. La limitación se basa en la fuerza máxima continua del accionamiento directo lineal de 1200 N. La dimensiones de la muestra inflinfluir en la de control de proceso, mientras que las velocidades de deformación en el que las muestras se transforman adiabáticamente están influenciados principalmente por la relación de superficie a la sección transversal. Además, el tiempo de contacto entre la SMA y la fuente de calor / sumidero tiene que ser adaptado a las dimensiones de la muestra con el fin de optimizar la eficiencia y / o la potencia de refrigeración. Una gran relación de superficie de sección transversal disminuye el tiempo de ciclo y la relación opuesta conduce a procesos más lentos. La elección del tamaño de la muestra, así como la geometría de la muestra, define la frecuencia operativa de un futuro dispositivo de refrigeración elastocaloric y tiene que ser adaptado a las necesidades de la aplicación.

Se requiere que la optimización de los procesos de enfriamiento elastocaloric el fin de establecer la tecnología de enfriamiento una novela con el medio ambiente que puede ser una alternativa competitiva al proceso basado compresión de vapor convencional. La configuración de la prueba científica diseñada y el desarrollo de nuevas aleaciones como NiTiCu 26 y NiTiCUV son los primeros pasos en el desarrollo de un dispositivo de enfriamiento eficiente. Para el mejor conocimiento de los autores, esta instalación científica es el primer sistema que permite la investigación de las propiedades elastocaloric de un SMA durante los procesos de enfriamiento a base de estado sólido mediante el control de la temperatura de la SMA y la fuente de calor / sumidero durante todas las etapas del proceso . Una modificación recta hacia delante de la fuente de calor / sumidero y las pinzas permite la investigación de la transferencia de calor por conducción de la SMA con otros factores de forma, como rejillas y tubos. Sin embargo, la instalación de prueba científica se ha desarrollado a partir de una vista de punto de científicos, y proporciona la posibilidad de investigaciones materiales y procesos integrales para la optimización de procesos y materiales en lugar de alto rendimiento del sistema. Se requieren medidas adicionales con el fin de transferir los resultados obtenidos con la configuración de la prueba científica para el diseño de un dispositivo de refrigeración elastocaloric. En este contexto, los países desarrollados m termomecánica acopladaOdel apoya el proceso de desarrollo de la simulación del proceso de refrigeración a nivel de dispositivo.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

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

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Linear direct drives ESR-Pollmeier ML 1418-U5-W1 SMA loading/unloading; heat transfer
Pneumatic cylinder  Festo ADNGF-40 574031 Contact between heat source/sink and SMA
Inductive position measurement system  AMO LMKA-1101.1NN-1.0-0
Tension and compression load cell Futek LCF451; FSH02241 SMA force
Compression load cell Futek LTH300; FSH00297 Contact force
IR camera Infra Tec Image IR 9360; M91129 1,280 x 1,024 pixels; Maximum frame rate 3,200 Hz
Real-Time Controller  National Instruments NI CompactRIO-9074 Data acquisiton and control system
Camera varnish Tetenal 105202

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Fähler, S., Rößler, U. K., et al. Caloric effects in ferroic materials: New concepts for cooling. Adv. Eng. Mater. 14 (1-2), 10-19 (2012).
  2. Moya, X., Defay, E., Heine, V., Mathur, N. D. Too cool to work. Nat. Phys. 11 (3), 202-205 (2015).
  3. Starkov, I. A., Starkov, A. S. On the thermodynamic foundations of solid-state cooler based on multiferroic materials. Int. J. Refrig. 37, 249-256 (2014).
  4. Caloric Effects in Ferroic Materials: New Concepts for Cooling. , Available from: http://www.ferroiccooling.de/ (2012).
  5. Moya, X., Kar-Narayan, S., Mathur, N. D. Caloric materials near ferroic phase transitions. Nat. Mater. 13 (5), 439-450 (2014).
  6. Shaw, J. A., Kyriakides, S. On the nucleation and propagation of phase transformation fronts in a NiTi alloy. Acta Mater. 45 (2), 683-700 (1997).
  7. Chang, B. -C., Ja Shaw,, Iadicola, M. A. Thermodynamics of Shape Memory Alloy Wire: Modeling Experiments, and Application. Contin. Mech. Thermodyn. 18 (1-2), 83-118 (2006).
  8. Cui, J., Wu, Y. M., et al. Demonstration of high efficiency elastocaloric cooling with large Delta T using NiTi wires. Appl. Phys. Lett. 101 (7), 073904 (2012).
  9. Ossmer, H., Lambrecht, F., Gültig, M., Chluba, C., Quandt, E., Kohl, M. Evolution of temperature profiles in TiNi films for elastocaloric cooling. Acta Mater. 81, 9-20 (2014).
  10. Ossmer, H., Chluba, C., Krevet, B., Quandt, E., Rohde, M., Kohl, M. Elastocaloric cooling using shape memory alloy films. J. Phys. Conf. Ser. 476 (1), 012138 (2013).
  11. Schmidt, M., Schütze, A., Seelecke, S. Scientific test setup for investigation of shape memory alloy based elastocaloric cooling processes. Int. J. Refrig. 54, 88-97 (2015).
  12. Tobushi, H., Shimeno, Y., Hachisuka, T., Tanaka, K. Influence of strain rate on superelastic properties of TiNi shape memory alloy. Mech. Mater. 30 (2), 141-150 (1998).
  13. Miyazaki, S., Mizukoshi, K., Ueki, T., Sakuma, T., Liu, Y. Fatigue life of Ti-50 at.% Ni and Ti-40Ni-10Cu (at.%) shape memory alloy. Mater. Sci. Eng. A. 273-275, 658-663 (1999).
  14. Olbricht, J., Yawny, A., Condò, A. M., Lovey, F. C., Eggeler, G. The influence of temperature on the evolution of functional properties during pseudoelastic cycling of ultra fine grained NiTi. Mater. Sci. Eng. A. 481-482, 142-145 (2008).
  15. Tušek, J., Engelbrecht, K., Mikkelsen, L. P., Pryds, N. Elastocaloric effect of Ni-Ti wire for application in a cooling device. J. Appl. Phys. 117 (12), 124901 (2015).
  16. Zarnetta, R., Takahashi, R., et al. Identification of Quaternary Shape Memory Alloys with Near-Zero Thermal Hysteresis and Unprecedented Functional Stability. Adv. Funct. Mater. 20 (12), 1917-1923 (2010).
  17. Schmidt, M., Ullrich, J., et al. Thermal Stabilization of NiTiCuV Shape Memory Alloys: Observations During Elastocaloric Training. Shape Mem. Superelasticity. , (2015).
  18. Höhne, G., Hemminger, W., Flammersheim, H. -J. Differential Scanning Calorimetry. , Berlin Heidelberg Springer-Verlag. (2003).
  19. Heintze, O., Seelecke, S. A coupled thermomechanical model for shape memory alloys-From single crystal to polycrystal. Mater. Sci. Eng. A. 481-482, 389-394 (2008).
  20. Furst, S. J., Crews, J. H., Seelecke, S. Numerical and experimental analysis of inhomogeneities in SMA wires induced by thermal boundary conditions. Contin. Mech. Thermodyn. 24 (4-6), 485-504 (2012).
  21. Shaw, J., Kyriakides, S. Thermomechanical aspects of NiTi. J. Mech. Phys. Solids. 43 (8), 1243-1281 (1995).
  22. Cooling Efficiencies of a NiTi-Based Cooling Process. Schmidt, M., Schütze, A., Seelecke, S. ASME 2013 Conf. Smart Mater. Adapt. Struct. Intell. Syst. Dev. Charact. Multifunct. Mater. Model. Simul. Control Adapt. Syst. Integr. Syst. Des. Implement, , (2013).
  23. Achenbach, M., Müller, I. A MODEL FOR SHAPE MEMORY. . Le J. Phys. Colloq. 43 (C4), 163-167 (1982).
  24. Müller, I., Seelecke, S. Thermodynamic aspects of shape memory alloys. Math. Comput. Model. 34 (12-13), 1307-1355 (2001).
  25. 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).
  26. Bechtold, C., Chluba, C., Lima de Miranda, R., Quandt, E. High cyclic stability of the elastocaloric effect in sputtered TiNiCu shape memory films. Appl. Phys. Lett. 101 (9), 091903 (2012).

Tags

Ingeniería No. 111 refrigeración Elastocaloric la transformación de fase efecto térmico de memoria optimización de procesos instalación de prueba científica Calor latente el enfriamiento de estado sólido modelo termomecánica acoplada
Métodos experimentales para procesos de enfriamiento Elastocaloric Investigación de memoria de forma basada y validación del modelo
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Schmidt, M., Ullrich, J., Wieczorek, … More

Schmidt, M., Ullrich, J., Wieczorek, A., Frenzel, J., Eggeler, G., Schütze, A., Seelecke, S. Experimental Methods for Investigation of Shape Memory Based Elastocaloric Cooling Processes and Model Validation. J. Vis. Exp. (111), e53626, doi:10.3791/53626 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter