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

Ogólnym celem tego eksperymentu jest zbadanie materiałów elastokalorycznych i elastokalorycznych procesów chłodzenia. W tym celu opracowano naukowe stanowisko testowe do wykonywania podstawowych charakterystyk materiałów i zaawansowanych kontroli procesów elastokalorycznych. Nasza metoda opisuje wpływ właściwości materiału i sterowania procesem na moc chłodzenia i sprawność procesu chłodzenia.

Uzyskane wyniki umożliwiają opracowanie zoptymalizowanych procesów chłodzenia elastokalorycznego, które są podstawą do projektowania wydajnych urządzeń chłodzących. Podczas szybkiego ładowania adiabatycznego utajone ciepło stopu z pamięcią kształtu prowadzi do wzrostu temperatury podczas załadunku i spadku temperatury podczas późniejszego rozładunku. Badania nad procesem chłodzenia elastokalorycznego są wynikiem współpracy między grupą materiałoznawczą z Uniwersytetu Ruhry w Bochum a dwiema grupami z inżynierii mechatronicznej z Uniwersytetu Kraju Saary w Saarbrücken w Niemczech.

Wiąże się to z optymalizacją materiałów i procesów, a także opracowaniem narzędzia symulacyjnego. Opracowane naukowe stanowisko testowe umożliwia badanie efektu elastokalorycznego wymiany ciepła w stanie stałym między stopem z pamięcią kształtu a źródłem ciepła oraz stopem z pamięcią kształtu a radiatorem. Główną zaletą tej techniki jest niezależne badanie wpływu każdego parametru sterującego na wartości procesowe, takie jak praca i ciepło.

Ponadto system ten jest wyposażony w kompleksowy system do pomiaru wielkości mechanicznych i końcowych na każdym etapie procesu. Na początek użyj suwmiarki do zmierzenia wstęgi ze stopu z pamięcią kształtu i określ przekrój poprzeczny próbki. Następnie pokryj próbkę cienką warstwą płytki o wysokiej emisyjności.

Następnie ustaw pozycję docelową w programie sterownika silnika na zero mikrometrów i kliknij przycisk włączonej operacji. W tej pozycji odległość między zaciskami wynosi 90 milimetrów. Umieść próbkę między zaciskami zestawu eksperymentalnego i użyj specjalnie zaprojektowanego narzędzia do wyrównywania, aby wyrównać próbkę.

Następnie użyj pomocy montażowej, aby dokręcić zaciski i klucza dynamometrycznego, aby dokręcić z siłą 20 niutonometrów. Skład sempera jest bardzo krytyczny. Koło pasowe w semperze ulegnie awarii już po kilku cyklach.

Uruchom oprogramowanie kamery na podczerwień i załaduj kalibrację dla obiektywu 50 milimetrów w połączeniu z obiektywem do zbliżeń. Wybierz rozmiar obrazu 1 280 na 100 pikseli i zakres temperatur od minus 20 do 50 stopni Celsjusza, a następnie użyj silnika ostrości, aby ustawić aparat. Otwórz program sterujący do szkolenia i charakterystyki materiału.

Następnie ustaw pozycję początkową na zero mikrometrów i wybierz pozycję docelową 4 500 mikrometrów, aby materiał przeszedł całkowitą przemianę fazową. Ustaw liniową prędkość napędu bezpośredniego na 45 mikronów na sekundę, co odpowiada szybkości odkształcania pięć razy 10 do minus czterech na sekundę. Następnie ustaw czas trzymania na zero sekund, liczbę cykli na jeden, szybkość akwizycji kamery na podczerwień na 50 milisekund na klatkę, a następnie kliknij przycisk start, aby załadować ustawienia.

Teraz otwórz oprogramowanie kamery na podczerwień, wybierz nazwę pliku i przydziel 5 000 klatek. Przełącz się z wewnętrznego na zewnętrzne źródło wyzwalania i uruchom tryb akwizycji danych. Następnie otwórz program sterujący i naciśnij przycisk rozpoczęcia eksperymentu, aby uruchomić eksperyment.

Aby rozpocząć charakteryzowanie materiału, otwórz program kontrolny dla szkolenia i materiału. Następnie ustaw pozycję początkową tak, aby próbka była na początku pod zerowym obciążeniem, i ustaw pozycję docelową równoważną pozycji docelowej treningu, która wynosiła 4 500 mikrometrów. Następnie ustaw szybkość odkształcania zgodnie z potrzebami i wybierz liniową prędkość napędu bezpośredniego 9 000 mikrometrów na sekundę, co prowadzi do adiabatycznej przemiany fazowej dla próbek o polu przekroju poprzecznego wynoszącym 0,75 milimetra na 1,4 milimetra lub większym.

Ustaw czas utrzymywania na 180 sekund, aby dać wystarczająco dużo czasu, aby próbka osiągnęła żądaną temperaturę początkową przed eksperymentem. Następnie ustaw liczbę cykli na jeden, szybkość akwizycji kamery na podczerwień na 5 milisekund na klatkę i kliknij przycisk Start, aby załadować ustawienia. Następnie otwórz oprogramowanie kamery na podczerwień, wybierz nazwę pliku i przydziel 80 000 klatek do eksperymentu.

Przełącz się z wewnętrznego na zewnętrzne źródło wyzwalania i uruchom tryb akwizycji danych. W programie sterującym naciśnij przycisk rozpoczęcia eksperymentu, aby rozpocząć eksperyment. Aby zbadać lokalne skoki temperatury, najpierw wyłącz światło.

Następnie usuń wszystkie źródła ciepła z pola widzenia kamery na podczerwień i zmień obiektyw na obiektyw mikroskopu. Następnie zmień ustawienia kalibracji aparatu, załaduj obiektyw mikroskopu i skalibruj rozmiar obrazu 500 na 250 pikseli w zakresie od 20 do 50 stopni Celsjusza. Użyj jednostki ostrości silnika, aby ustawić ostrość próbki.

Następnie wykonaj standardową próbę rozciągania przy liniowej prędkości napędu bezpośredniego 900 mikronów na sekundę, jak opisano wcześniej. Gdy próbka jest nadal na miejscu, uruchom oprogramowanie kamery na podczerwień i załaduj kalibrację dla obiektywu 50 milimetrów z obiektywem zbliżeniowym. Wybierz rozmiar obrazu 1 280 na 1 024 piksele i zakres temperatur od minus 20 do 50 stopni Celsjusza.

Otwórz program sterujący i ustaw parametry sterowania. Ustawić pozycję początkową liniowego napędu bezpośredniego dla stopów z pamięcią kształtu tak, aby próbka była obciążona bez obciążenia. Ustaw również pozycję docelową równoważną pozycji docelowej treningu.

Ustaw prędkość liniowego napędu bezpośredniego do załadunku i rozładunku stopu z pamięcią kształtu na 9 000 mikrometrów na sekundę. Następnie ustaw prędkość liniowego napędu bezpośredniego na niższym poziomie zestawu na 100 milimetrów na sekundę. Następnie ustaw czas kontaktu na sześć sekund.

Wybierz styk po trybie załadunku i rozładunku i ustaw liczbę cykli na 40. Wybierz szybkość akwizycji kamery na podczerwień wynoszącą 20 milisekund na klatkę, a następnie kliknij przycisk Start, aby załadować ustawienia. W oprogramowaniu kamery na podczerwień wybierz nazwę pliku i przydziel 50 000 klatek na eksperyment.

Przełącz się z wewnętrznego na zewnętrzne źródło wyzwalacza i uruchom tryb akwizycji danych. Na koniec otwórz program sterujący i naciśnij przycisk rozpoczęcia eksperymentu. Spowoduje to rozpoczęcie cyklu chłodzenia elastokalorycznego.

W tym klipie filmowym wstęga niklowo-tytanowa jest napinana podczas treningu. Kontrolowane rozciąganie prowadzi do średniego wzrostu temperatury o 12,2 stopnia Kelvina. Materiał podąża za typową krzywą histerezy i ostatecznie osiada w odpowiedzi, jak ta pokazana na czerwono.

Pokazana tutaj ze wstęgą niklowo-tytanowo-miedziano-wanadową, szerokość histerezy wzrasta wraz ze wzrostem szybkości odkształcania. Wynika to ze zmiany temperatury podczas przemiany fazowej. Wykres pokazuje, że po pewnym momencie nie następuje dalszy wzrost zmiany temperatury w odpowiedzi na rosnącą szybkość odkształcania.

Ten film w podczerwieni pokazuje, że zwiększając liczbę cykli chłodzenia, zwiększają się różnice temperatur między radiatorem a źródłem ciepła, co skutkuje zmniejszeniem minimalnej i maksymalnej zmiany temperatury materiału. Po pierwszym cyklu powstaje niejednorodny profil temperatury, ponieważ radiator i źródło ciepła nie stykają się z całą taśmą. Tutaj możesz zobaczyć porównanie między eksperymentem a symulacją próby rozciągania.

Podstawowym modelem symulacji jest modyfikacja termomechanicznie sprzężonego modelu Muellera-Achenbacha-Sellecka. Pokazuje to, że model jest w stanie odtworzyć zarówno mechaniczne, jak i termiczne zachowanie materiału. Dlatego podczas próby wykonania procedury ważne jest, aby pamiętać, że wymagania projektowe obejmują monitorowanie wszystkich etapów chłodzenia, a także prostą kontrolę parametrów zmienności.

Hermetyzacja termiczna zwiększy wydajność procesu, jednak obserwowalność zostanie znacznie zmniejszona. W celu późniejszego opracowania prawdziwego urządzenia oczywiście weźmie się to pod uwagę. Zgodnie z tą procedurą, oprócz adiabatycznego sterowania procesem, można przeprowadzić inne warianty procesu, takie jak nieadiabatyczne adiabatyczne procesy kombinowane, aby odpowiedzieć na dodatkowe pytania, takie jak wpływ fazy kontaktowej oraz na wydajność procesu i moc chłodzenia.

Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć efekt chłodzenia elastokalorycznego oraz to, jak optymalizacja materiałów i kontrola procesu wpływają na moc chłodzenia i wydajność procesu.