Method Article

Eksperymentalne metody badania procesów chłodzenia elastokalorycznego opartych na pamięci kształtu i walidacji modeli

DOI:

10.3791/53626

⸱

May 2nd, 2016

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Lab for Measurement Technology, Saarland University, 2Intelligent Material Systems Lab, Saarland University, 3Lab for Material Science, Ruhr Universität Bochum

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Przedstawiono eksperymentalne metody badania procesów chłodzenia ciała stałego oraz charakterystyki właściwości materiałów elastokalorycznych stopów z pamięcią kształtu (SMA). Specjalnie skonstruowane stanowisko testowe zostało zaprojektowane do sterowania i kompleksowego monitorowania procesów chłodzenia elastokalorycznego. Ponadto stanowi platformę walidacyjną dla podejść do modelowania sprzężonego z termomechaniką.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Shape Memory Alloys (SMA) wykorzystujące elastokaloryczne procesy chłodzenia mają potencjał, aby stać się przyjazną dla środowiska alternatywą dla konwencjonalnego procesu chłodzenia opartego na sprężaniu pary. Zwłaszcza systemy stopowe na bazie niklu i tytanu (Ni-Ti) wykazują duże efekty elastokaloryczne. Ponadto wykazują duże ciepło utajone, co jest niezbędną właściwością materiału do opracowania wydajnego procesu chłodzenia opartego na stanie stałym. Zaprojektowano naukowe stanowisko testowe do zbadania tych procesów i efektów elastokalorycznych w SMA. Zrealizowane stanowisko testowe umożliwia niezależną kontrolę mechanicznych cykli załadunku i rozładunku SMA, a także przewodzącego przenoszenia ciepła pomiędzy elementami chłodzącymi SMA a źródłem/pochłaniaczem ciepła. Stanowisko badawcze wyposażone jest w kompleksowy system monitoringu zdolny do zsynchronizowanych pomiarów parametrów mechanicznych i termicznych. Oprócz określenia pracy mechanicznej zależnej od procesu, system umożliwia również pomiar termicznych aspektów kalorycznych efektu chłodzenia elastokalorycznego dzięki zastosowaniu wysokowydajnej kamery na podczerwień. Ta kombinacja jest szczególnie interesująca, ponieważ pozwala na zilustrowanie wpływu lokalizacji i szybkości — oba te czynniki są ważne dla wydajnego przenoszenia ciepła z chłodzonego medium.

Prezentowana praca opisuje eksperymentalną metodę identyfikacji właściwości materiałów elastokalorycznych w różnych materiałach i geometriach próbek. Ponadto stanowisko testowe służy do badania różnych wariantów procesu chłodzenia. Wprowadzone metody analizy umożliwiają zróżnicowane uwzględnienie wpływu materiałów, procesów i związanych z nimi warunków brzegowych na efektywność procesu. Porównanie danych eksperymentalnych z wynikami symulacji (termomechanicznie sprzężonego modelu elementów skończonych) pozwala na lepsze zrozumienie fizyki leżącej u podstaw efektu elastokalorycznego. Ponadto wyniki eksperymentów, jak również ustalenia oparte na wynikach symulacji, są wykorzystywane do poprawy właściwości materiału.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Procesy chłodzenia w półprzewodniku oparte na materiałach żelazowych mają potencjał, aby stać się przyjazną dla środowiska alternatywą dla konwencjonalnego procesu opartego na sprężaniu pary. Materiały żelazoesowe mogą wykazywać działanie magnetokaloryczne, elektrokaloryczne i elastokaloryczne 1,2, a także kombinacje tych efektów, które określa się jako wielokaloryczne zachowanie materiału 3. Różne efekty kaloryczne w materiałach żelazowych są obecnie badane w ramach programu priorytetowego Niemieckiej Fundacji Naukowej (DFG) SPP 1599 "Efekty kaloryczne w materiałach żelazowych: nowe koncepcje chłodzenia" 4. Stopy z pamięcią....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Przygotowanie próbki

  1. Zmierzyć wstęgę SMA za pomocą suwmiarki i określić przekrój poprzeczny próbki.
  2. Przygotuj próbkę do pomiarów w podczerwieni, pokrywając taśmę cienką warstwą farby o wysokiej emisyjności (ε=0,96).
    Uwaga: Farba jest klasyfikowana jako drażniąca. Podczas obróbki farby należy nosić rękawice, okulary ochronne i ochronę ust.

2. Stabilizacja materiału (szkolenie)

Uwaga: Początkowe mechaniczne cykle prowadzą do mechanicznej i termicznej stabilizacji materiału. Badanie efektu stabilizacji, jak i sama procedura szkolenia, wymaga użycia siłownika i czujników zam....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Stabilizacja materialna (Szkolenie):

Rysunek 9 przedstawia diagram stresu/odkształcenia 50 cykli treningowych. Badaną próbką jest wstęga Ni-Ti o przekroju A = 1,45 mm2. Zastosowana szybkość odkształcania 1 x 10-3 sec-1 prowadzi do średniego wzrostu temperatury ΔT = 12,2 K. Wzrost temperatury ma istotny wpływ na efekt stabilizacji 12-14; Opró.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Prezentowane naukowe stanowisko badawcze umożliwia kompleksowe badanie materiałów elastokalorycznych i procesów chłodzenia poprzez wykonanie eksperymentów opisanych w rozdziale protokołu. Precyzyjne wyrównanie próbki przed zaciśnięciem ma kluczowe znaczenie dla wszystkich eksperymentów. Złe wyrównanie może potencjalnie prowadzić do przedwczesnej awarii materiału. Ponadto maksymalne zastosowane odkształcenie ma znaczący wpływ na żywotność materiału, podczas gdy odkształcenie wymagane do osiągnięcia pełnej przemiany fazowe.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy pragną podziękować za wsparcie priorytetowego programu DFG 1599 "Efekty kaloryczne w materiałach ferroicznych: Nowe koncepcje chłodzenia" (Projekty: EG101/23-1, SCHU2217/2-1, SE704/2-1, EG101/29-2, SCH2217/3-2, SE704/2-2).

....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Bezpośrednie napędy linioweESR-PollmeierML 1418-U5-W1SMA załadunek/rozładunek; wymiana ciepła
Siłownik pneumatyczny FestoADNGF-40 574031Kontakt między źródłem ciepła/zlewozmywakiem a SMA
Indukcyjny system pomiaru położenia AMOLMKA-1101.1NN-1.0-0
Czujnik wagowy na rozciąganie i ściskanieFutekLCF451; FSH02241SMA force
Czujnik tensometrycznyFutekLTH300; FSH00297Kamera na
podczerwieńInfra TecImage IR 9360; M911291 280 x 1 024 pikseli; Maksymalna częstotliwość odświeżania 3,200 Hz
Kontroler czasu rzeczywistego National InstrumentsNI CompactRIO-9074System gromadzenia i kontroli danych
Lakier do kameryTetenal105202

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Elastocaloric CoolingShape Memory AlloysNickel Titanium AlloysMechanical Loading ControlInfrared ThermographyFinite Element ModelingThermal Caloric MeasurementsProcess Efficiency AnalysisMaterial Property OptimizationExperimental Test Rig

Related Articles