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

Ogólnym celem tego eksperymentu jest zbadanie materiałów elastokalorycznych oraz procesów chłodzenia elastokalorycznego. W tym celu opracowano naukowy zestaw badawczy do przeprowadzania podstawowej charakterystyki materiałowej oraz zaawansowanego sterowania procesem elastokalorycznym. Nasza metoda opisuje wpływ właściwości materiałowych i sterowania procesem na moc chłodniczą oraz sprawność procesu chłodzenia.

Wyniki te umożliwiają opracowanie zoptymalizowanych procesów chłodzenia elastokalorycznego, które stanowią podstawę do projektowania wydajnych urządzeń chłodniczych. Podczas szybkiego obciążania adiabatycznego ciepło utajone stopu z pamięcią kształtu prowadzi do wzrostu temperatury w trakcie obciążania oraz do spadku temperatury podczas następującego po nim odciążania. Badanie procesu chłodzenia elastokalorycznego jest wynikiem współpracy grupy inżynierii materiałowej z Uniwersytetu Ruhry w Bochum oraz dwóch grup inżynierii mechatronicznej z Uniwersytetu Saarlandu w Saarbrucken w Niemczech.

Proces ten obejmuje optymalizację materiałów oraz przebiegu procesów, a także opracowanie narzędzia do symulacji. Opracowane naukowe stanowisko badawcze umożliwia badanie efektu elastokalorycznego w przypadku stałego przekazywania ciepła pomiędzy stopem z pamięcią kształtu a źródłem ciepła oraz pomiędzy stopem z pamięcią kształtu a odbiornikiem ciepła. Główną zaletą tej techniki jest możliwość niezależnego badania wpływu każdego parametru sterującego na wartości procesowe, takie jak praca i ciepło.

Ponadto system ten jest wyposażony w kompleksowy układ do pomiaru wielkości mechanicznych i końcowych na każdym etapie procesu. Na początek należy użyć suwmiarki do zmierzenia taśmy ze stopu z pamięcią kształtu i wyznaczyć przekrój poprzeczny próbki. Następnie próbkę należy pokryć cienką warstwą płytki o wysokiej emisyjności.

Następnie w programie sterownika silnika ustaw pozycję docelową na 0 µm i kliknij przycisk włączający działanie. W tej pozycji odległość między zaciskami wynosi 90 mm. Umieść próbkę pomiędzy zaciskami zestawu doświadczalnego i użyj specjalnie zaprojektowanego narzędzia do wyrównywania, aby wyrównać próbkę.

Następnie, użyj przyrządu montażowego, aby dokręcić zaciski, oraz klucza dynamometrycznego, aby dokręcić śruby z siłą 20 Nm. Ustawienie pierścienia dociskowego (semper) jest krytyczne. Koło pasowe na pierścieniu dociskowym ulegnie awarii już po kilku cyklach.

Uruchom oprogramowanie kamery IR i wczytaj kalibrację dla obiektywu 50 mm w połączeniu z soczewką do zdjęć z bliska. Wybierz rozmiar obrazu 1 280 na 100 pikseli oraz zakres temperatur od -20 do 50 °C, a następnie użyj jednostki motorowego ostrzenia, aby ustawić kamerę. Otwórz program sterujący do treningu i charakterystyki materiałowej.

Następnie ustaw pozycję startową na 0 µm i wybierz pozycję docelową 4 500 µm, aby materiał przeszedł całkowitą przemianę fazową. Ustaw prędkość liniowego napędu bezpośredniego na 45 µm/s, co odpowiada szybkości odkształcenia 5 × 10⁻⁴ s⁻¹. Następnie ustaw czas podtrzymania na 0 s, liczbę cykli na 1, częstotliwość akwizycji kamery IR na 50 ms na klatkę, a następnie kliknij przycisk start, aby załadować ustawienia.

Następnie otwórz oprogramowanie kamery IR, wybierz nazwę pliku i przydziel 5 000 klatek. Zmień źródło wyzwalania z wewnętrznego na zewnętrzne i uruchom tryb akwizycji danych. Następnie otwórz program sterujący i naciśnij przycisk start eksperymentu, aby rozpocząć badanie.

Aby rozpocząć charakterystykę materiału, otwórz program sterujący do treningu i badania materiałów. Następnie ustaw pozycję startową tak, aby próbka początkowo nie była poddana obciążeniu, a pozycję docelową ustaw zgodnie z pozycją docelową treningu, która wynosiła 4 500 µm. Następnie ustaw żądaną prędkość odkształcenia i wybierz liniową prędkość napędu bezpośredniego wynoszącą 9 000 µm/s, co prowadzi do adiabatycznej przemiany fazowej w przypadku próbek o polu przekroju wynoszącym 0,75 mm na 1,4 mm lub większym.

Ustaw czas podtrzymania na 180 sekund, aby zapewnić próbce wystarczająco dużo czasu na osiągnięcie pożądanej temperatury początkowej przed rozpoczęciem eksperymentu. Następnie ustaw liczbę cykli na jeden, częstotliwość akwizycji kamery IR na 5 milisekund na klatkę i kliknij przycisk start, aby załadować ustawienia. Następnie otwórz oprogramowanie kamery IR, wybierz nazwę pliku i przydziel 80 000 klatek na eksperyment.

Zmień źródło wyzwalania z wewnętrznego na zewnętrzne i uruchom tryb akwizycji danych. W programie sterującym naciśnij przycisk start eksperymentu, aby rozpocząć badanie. W celu zbadania lokalnych szczytów temperatury, najpierw wyłącz światło.

Następnie usuń wszystkie źródła ciepła z pola widzenia kamery IR i wymień obiektyw na obiektyw mikroskopowy. Dalej zmień ustawienia kalibracji kamery, załaduj profil obiektywu mikroskopowego i skalibruj rozmiar obrazu 500 na 250 pikseli w zakresie od 20 do 50 stopni celsius. Użyj jednostki motorowego ustawiania ostrości, aby wyostrzyć obraz próbki.

Następnie przeprowadź standardową próbę rozciągania przy liniowej prędkości napędu bezpośredniego 900 µm/s, zgodnie z wcześniejszym opisem. Pozostawiając próbkę na miejscu, uruchom oprogramowanie kamery IR i wczytaj kalibrację dla obiektywu 50 mm z soczewką zbliżeniową. Wybierz rozmiar obrazu 1280 x 1024 pikseli oraz zakres temperatur od -20 do 50 °C.

Otwórz program sterujący i ustaw parametry sterowania. Ustaw pozycję startową liniowego napędu bezpośredniego dla stopów z pamięcią kształtu w taki sposób, aby próbka znajdowała się przy zerowym obciążeniu. Następnie ustaw pozycję docelową równą pozycji docelowej procesu treningu.

Ustaw prędkość liniowego napędu bezpośredniego do załadunku i rozładunku stopu z pamięcią kształtu na 9 000 µm/s. Następnie ustaw prędkość liniowego napędu bezpośredniego na dolnym poziomie układu na 100 mm/s. W dalszej kolejności ustaw czas kontaktu na sześć sekund.

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

Zmień źródło wyzwalania z wewnętrznego na zewnętrzne i uruchom tryb akwizycji danych. Na koniec otwórz program sterujący i naciśnij przycisk startu eksperymentu. Rozpocznie to cykl chłodzenia elastokalorycznego.

Na tym fragmencie filmu taśma z niklu i tytanu jest poddawana odkształceniu podczas procesu trenowania. Kontrolowane rozciąganie prowadzi do średniego wzrostu temperatury o 12,2 K. Materiał podąża za typową krzywą histerezy i ostatecznie osiąga odpowiedź taką, jak ta przedstawiona na czerwono.

Przedstawiony tutaj wykres dla taśmy z niklu, tytanu, miedzi i wanadu pokazuje, że szerokość histerezy zwiększa się wraz ze wzrostem szybkości odkształcenia. Jest to wynik zmiany temperatury podczas przemiany fazowej. Diagram wskazuje, że po osiągnięciu pewnego punktu zmiana temperatury w odpowiedzi na zwiększanie szybkości odkształcenia nie rośnie już dalej.

Niniejszy film w podczerwieni pokazuje, że wraz ze zwiększeniem liczby cykli chłodzenia różnice temperatur między radiatorem a źródłem ciepła rosną, co prowadzi do zmniejszenia minimalnej i maksymalnej zmiany temperatury materiału. Po pierwszym cyklu powstaje niejednorodny profil temperatury, ponieważ radiator i źródło ciepła nie stykają się z całą powierzchnią taśmy. Tutaj można zobaczyć porównanie eksperymentu i symulacji próby rozciągania.

Podstawowym modelem symulacji jest modyfikacja termomechanicznie sprzężonego modelu Mueller Achenbach Selleck. Wykazuje on, że model jest w stanie odtworzyć zarówno zachowanie mechaniczne, jak i termiczne materiału. Dlatego podczas przeprowadzania procedury należy pamiętać, że wymagania projektowe obejmują monitorowanie wszystkich etapów chłodzenia, a także bezpośrednią kontrolę parametrów zmiennych.

Enkapsulacja termiczna zwiększyłaby wydajność procesu, jednakże znacznie ograniczyłaby ona możliwość obserwacji. Oczywiście należałoby to wziąć pod uwagę przy późniejszym opracowywaniu rzeczywistego urządzenia. Stosując tę procedurę, można przeprowadzić inne warianty procesowe poza adiabatyczną kontrolą procesu, takie jak procesy łączone adiabatyczno-nieadiabatyczne, aby odpowiedzieć na dodatkowe pytania, np. dotyczące wpływu fazy kontaktu na wydajność procesu i moc chłodzenia.

Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo posiadać gruntowną wiedzę na temat efektu chłodzenia elastokalorycznego oraz tego, w jaki sposób optymalizacja materiałów i kontrola procesu wpływają na moc chłodniczą i wydajność całego procesu.