Métodos experimentais para processos de resfriamento Elastocaloric Investigação de Memória de Forma baseada e Validação de Modelo

O objetivo geral deste experimento é investigar materiais elastocalóricos e processos de resfriamento elastocalórico. Para isso, foi desenvolvido um banco de testes científicos para realizar caracterizações básicas de materiais e controles avançados de processos elastocalóricos. Nosso método descreve a influência das propriedades do material e do controle do processo na potência de resfriamento e na eficiência do processo de resfriamento.

Os resultados permitem o desenvolvimento de processos de resfriamento elastocalórico otimizados, que são a base para o projeto de dispositivos de resfriamento eficientes. Durante o carregamento adiabático rápido, os calores latentes da liga com memória de forma levam a um aumento de temperatura durante o carregamento e a uma diminuição de temperatura durante o descarregamento subsequente. A investigação do processo de resfriamento elastocalórico é uma colaboração entre o grupo de ciência dos materiais da Ruhr University em Bochum e dois grupos de engenharia mecatrônica da Saarland University, Saarbrücken, Alemanha.

Envolve a otimização dos materiais, bem como dos processos, e também o desenvolvimento de uma ferramenta de simulação. O equipamento de teste científico desenvolvido permite o estudo do efeito elastocalórico para transferência de calor em estado sólido entre a liga com memória de forma e uma fonte de calor e a liga com memória de forma e um dissipador de calor. A principal vantagem desta técnica é a investigação independente da influência de cada parâmetro de controle nos valores do processo, como trabalho e calor.

Além disso, este sistema está equipado com um sistema abrangente para medir quantidades mecânicas e terminais em cada etapa do processo. Para começar, use paquímetros para medir a fita de liga com memória de forma e determinar a seção transversal da amostra. Em seguida, cubra a amostra com uma fina camada de uma placa de alta emissividade.

Em seguida, defina a posição alvo no programa do controlador do motor para zero micrômetros e clique no botão de operação habilitada. Nesta posição, a distância entre os grampos é de 90 milímetros. Coloque a amostra entre os grampos da configuração experimental e use uma ferramenta de alinhamento especialmente projetada para alinhar a amostra.

Em seguida, use um auxiliar de montagem para apertar os grampos e uma chave de torque para apertar os parafusos com uma força de 20 newton-metros. A programação do semper é muito crítica. A polia na semper falhará após apenas alguns ciclos.

Inicie o software da câmera IR e carregue a calibração para uma lente de 50 milímetros combinada com uma lente de close-up. Escolha um tamanho de imagem de 1.280 por 100 pixels e uma faixa de temperatura de menos 20 a 50 graus Celsius e, em seguida, use a unidade de foco do motor para posicionar a câmera. Abra o programa de controle para treinamento e caracterização do material.

Em seguida, defina a posição inicial para zero micrômetros e escolha uma posição alvo de 4.500 micrômetros, para que o material sofra uma transformação de fase completa. Defina a velocidade de acionamento direto linear para 45 mícrons por segundo, o que equivale a uma taxa de deformação de cinco vezes 10 elevado a quatro por segundo negativos. Em seguida, defina o tempo de espera para zero segundos, o número de ciclos para um, a taxa de aquisição da câmera IR para 50 milissegundos por quadro e clique no botão Iniciar para carregar as configurações.

Agora, abra o software da câmera IR, escolha um nome de arquivo e aloque 5.000 quadros. Alterne de uma fonte de disparo interna para externa e inicie o modo de aquisição de dados. Em seguida, abra o programa de controle e pressione o botão iniciar experimento para executar o experimento.

Para começar a caracterizar o material, abra o programa de controle para treinamento e material. Em seguida, defina a posição inicial para que a amostra esteja sob carga zero para começar e defina a posição alvo equivalente à posição alvo do treinamento, que era de 4.500 micrômetros. Em seguida, defina a taxa de deformação conforme desejado e escolha uma velocidade de acionamento direto linear de 9.000 micrômetros por segundo, o que leva a uma transformação de fase adiabática para amostras com uma área de seção transversal de 0,75 milímetros por 1,4 milímetros ou maior.

Defina o tempo de espera para 180 segundos para permitir tempo suficiente para que a amostra atinja a temperatura inicial desejada antes do experimento. Em seguida, defina o número de ciclos para um, a taxa de aquisição da câmera IR para 5 milissegundos por quadro e clique no botão Iniciar para carregar as configurações. Em seguida, abra o software da câmera IR, escolha um nome de arquivo e aloque 80.000 quadros para o experimento.

Alterne de uma fonte de disparo interna para externa e inicie o modo de aquisição de dados. No programa de controle, pressione o botão iniciar experimento para iniciar o experimento. Para investigar os picos de temperatura locais, primeiro desligue a luz.

Em seguida, remova todas as fontes de calor do campo de visão da câmera IR e troque a lente por uma lente de microscópio. Em seguida, altere as configurações de calibração da câmera, carregue uma lente de microscópio e calibre um tamanho de imagem de 500 por 250 pixels dentro da faixa de 20 a 50 graus Celsius. Use a unidade de foco do motor para focar a amostra.

Em seguida, execute um teste de tração padrão a uma velocidade de acionamento direto linear de 900 mícrons por segundo, conforme descrito anteriormente. Com a amostra ainda no lugar, inicie o software da câmera IR e carregue a calibração para a lente de 50 milímetros com lente close-up. Escolha um tamanho de imagem de 1.280 por 1.024 pixels e uma faixa de temperatura de 20 a 50 graus Celsius negativos.

Abra o programa de controle e defina os parâmetros de controle. Defina a posição inicial do acionamento direto linear para as ligas com memória de forma para que a amostra fique sob carga zero. Além disso, defina a posição alvo equivalente à posição alvo do treinamento.

Defina a velocidade do acionamento direto linear para carga e descarga da liga com memória de forma para 9.000 micrômetros por segundo. Em seguida, defina a velocidade do acionamento direto linear no nível inferior da configuração para 100 milímetros por segundo. Em seguida, defina o tempo de contato para seis segundos.

Escolha o contato após o modo de carga e descarga e defina o número de ciclos para 40. Escolha uma taxa de aquisição de câmera IR de 20 milissegundos por quadro e clique no botão Iniciar para carregar as configurações. No software da câmera IR, escolha um nome de arquivo e aloque 50.000 quadros para o experimento.

Mude de uma fonte de disparo interna para externa e inicie o modo de aquisição de dados. Por fim, abra o programa de controle e pressione o botão iniciar experimento. Isso iniciará o ciclo de resfriamento elastocalórico.

Neste clipe de filme, uma fita de níquel titânio está sendo esticada durante o treinamento. O alongamento controlado leva a um aumento médio de temperatura de 12,2 graus Kelvin. O material segue uma curva de histerese típica e, eventualmente, se instala em uma resposta como a mostrada em vermelho.

Mostrado aqui com uma fita de níquel-titânio cobre-vanádio, a largura da histerese aumenta com o aumento das taxas de deformação. Isso é resultado da mudança de temperatura durante a transformação de fase. O diagrama mostra que, após um certo ponto, não há mais aumento da mudança de temperatura em resposta ao aumento da taxa de deformação.

Este vídeo infravermelho mostra que, ao aumentar o número de ciclos de resfriamento, as diferenças de temperatura entre o dissipador de calor e a fonte de calor aumentam e resultam em uma mudança mínima e máxima de temperatura decrescente do material. Após o primeiro ciclo, surge um perfil de temperatura não homogêneo porque o dissipador de calor e a fonte de calor não entram em contato com toda a fita. Aqui você pode ver a comparação entre experimento e simulação de um teste de tração.

O modelo subjacente da simulação é uma modificação do Modelo Mueller Achenbach Selleck termomecanicamente acoplado. Isso mostra que o modelo é capaz de reproduzir o comportamento mecânico e térmico do material. Portanto, ao tentar o procedimento, é importante lembrar que os requisitos de projeto estão monitorando todas as etapas de resfriamento e também um controle direto dos parâmetros de variação.

O encapsulamento térmico aumentará a eficiência do processo, no entanto, a observabilidade seria bastante reduzida. Para o desenvolvimento de um dispositivo real depois, é claro que você o levaria em consideração. Seguindo este procedimento, outras variações de processo além do controle do processo adiabático, como processos combinados adiabáticos não adiabáticos, podem ser realizadas para responder a perguntas adicionais, como a influência da fase de contato e na eficiência do processo e no poder de resfriamento.

Depois de assistir a este vídeo, você deve ter uma boa compreensão do efeito de resfriamento elastocalórico e como a otimização de materiais e o controle do processo influenciam o poder de resfriamento e a eficiência do processo.