طرق تجريبية لElastocaloric عمليات التبريد التحقيق في ذاكرة الشكل وبناء ونموذج التحقق من صحة
Summary
Experimental methods for investigation of solid state cooling processes and characterization of elastocaloric material properties of Shape Memory Alloys (SMA) are presented. A custom-built test rig has been designed for controlling and comprehensive monitoring of elastocaloric cooling processes. Furthermore, it provides a validation platform for thermomechanically coupled modeling approaches.
Abstract
شكل الذاكرة سبائك (SMA) باستخدام عمليات التبريد elastocaloric لديها القدرة على أن يكون بديلا الصديقة للبيئة في عملية التبريد على أساس التقليدية ضغط بخار. أنظمة سبائك النيكل والتيتانيوم (ني تي) على أساس، وخاصة، تظهر آثار elastocaloric كبيرة. وعلاوة على ذلك، تظهر حرارة كامنة كبيرة وهو خاصية المواد اللازمة لتطوير عملية التبريد على أساس الكفاءة الحالة الصلبة. وقد تم تصميم منصة الاختبار العلمي للتحقيق في هذه العمليات والآثار elastocaloric في SMAS. جهاز الاختبار أدركت يتيح مراقبة مستقلة التحميل والتفريغ دورات الميكانيكية وSMA، وكذلك موصل نقل الحرارة بين عناصر التبريد SMA ومصدر الحرارة / المصارف. وقد تم تجهيز منصة الاختبار مع نظام مراقبة شامل قادر على قياسات متزامنة من المعلمات الميكانيكية والحرارية. بالإضافة إلى تحديد آلية عملها التي تعتمد على عملية، يتيح النظام أيضا measuremenطن من جوانب السعرات الحرارية الحرارية للتأثير التبريد elastocaloric من خلال استخدام كاميرا الأشعة تحت الحمراء عالية الأداء. هذه المجموعة غير ذات أهمية خاصة، لأنها تسمح الرسوم التوضيحية للتوطين ومعدل الآثار – على حد سواء مهمة لكفاءة نقل الحرارة من متوسطة إلى أن تبرد.
ويصف العمل المقدم طريقة تجريبية لتحديد خصائص المواد elastocaloric في مختلف المواد وهندستها عينة. وعلاوة على ذلك، يتم استخدام جهاز الاختبار للتحقيق في مختلف الاختلافات عملية التبريد. تمكن أساليب التحليل قدم نظر متباينة من المواد، وعملية وذات الصلة التأثيرات حالة الحدود على كفاءة عملية. المقارنة بين البيانات التجريبية مع نتائج المحاكاة (نموذج العنصر المحدود إلى جانب thermomechanically) تسمح لفهم أفضل للفيزياء الكامنة وراء التأثير elastocaloric. وبالإضافة إلى ذلك، فإن النتائج التجريبية، فضلا عن النتائج باالحوار الاقتصادي الاستراتيجي على نتائج المحاكاة، وتستخدم لتحسين خواص المواد.
Introduction
عمليات التبريد الحالة الصلبة القائمة على المواد ferroic لديها القدرة على أن تكون بدائل صديقة للبيئة لعملية ضغط على أساس بخار التقليدية. المواد Ferroic قد يحمل على magnetocaloric، electrocaloric وelastocaloric آثار 1، 2، فضلا عن مجموعات من هذه الآثار، والتي توصف بأنها سلوك المواد multicaloric 3. ويجري حاليا التحقيق في الآثار من السعرات الحرارية المختلفة في المواد ferroic كجزء من برنامج الأولوية المؤسسة الألمانية للعلوم (DFG) SPP 1599 "آثار السعرات الحرارية في المواد Ferroic: مفاهيم جديدة لالتبريد" (4). شكل الذاكرة سبائك (SMA) التي يتم التحقيق في هذا البرنامج تظهر آثار elastocaloric كبيرة، ولا سيما السبائك على أساس ني تي بسبب حرارة كامنة كبيرة على 5. مرحلة التحول الناجم عن الضغط على معدلات سلالة عالية يؤدي لتغيرات درجة الحرارة كبيرة من SMA، كما هو مبين في الشكل 1. لثابت الحرارة، طارد للحرارة مرحلة التحول من الأوستينيت إلى مارتنسيت يزيد من درجة حرارة SMA. التحول ماص للحرارة من مارتنسيت إلى الأوستينيت يؤدي إلى انخفاض كبير في درجات الحرارة. هذه الخصائص المادية elastocaloric يمكن أن تستخدم في الحالة الصلبة عمليات التبريد عن طريق تطبيق التحميل والتفريغ الميكانيكية دورة مناسبة. ويبين الشكل 2 دورة التبريد elastocaloric نموذجية، في أعقاب دورة برايتون. نقل الحرارة بين مصدر الحرارة والبرد، تفريغ SMA تتم في درجات الحرارة المنخفضة. في المرحلة المقبلة، المتوسط المتحرك في دولة خالية من الاتصال وسريع، تحميل ثابت الحرارة يؤدي إلى زيادة درجة حرارة كبيرة من SMA. نقل الحرارة لاحق بين المتوسط المتحرك الساخن والحرارة بالوعة تجري في سلالة المستمر للSMA. عند الانتهاء من نقل الحرارة وسريعة والتفريغ ثابت الحرارة يؤدي إلى انخفاض درجة الحرارة كبير من المتوسط المتحرك تحت درجة حرارة من مصدر الحرارة، وعندها التبريد المقبلة جycle ونقل الحرارة مع مصدر الحرارة يمكن أن تبدأ. كفاءة عملية التبريد elastocaloric تعتمد على الأعمال الميكانيكية المطلوبة والحرارة الممتصة.
أولا، تم إجراء تجارب مراقبة مجال درجات الحرارة خلال اختبارات الشد التي كتبها شو وآخرون. 6، 7، بهدف تحقيق في تشكيل قمم درجة الحرارة المحلية خلال اختبارات الشد شرائط SMA وأسلاك بمعدلات مختلفة. المنهج التجريبي تطبيقها مجتمعة قياس المعلمات الميكانيكية (الإجهاد، والتوتر ومعدل الضغط) مع اكتساب وقت واحد من المجالات درجة الحرارة عن طريق القياسات الحراري. أثناء التحميل والتفريغ من عينة SMA مع آلة اختبار الشد، الأشعة تحت الحمراء وتستخدم (الأشعة تحت الحمراء) وكاميرا للحصول على الصور الأشعة تحت الحمراء من العينة SMA. هذه التقنية تمكن من تحقيق معدل سلالة تشكيل يعتمد من قمم درجة الحرارة. قياس توزيع الحرارة علىعينة مهمة جدا للتحقيق في الآثار elastocaloric وتحديد خصائص التبريد للمادة. وقياس درجة الحرارة المحلية – من خلال تطبيق الاتصال قياس درجة الحرارة – لا يكفي لوصف خصائص التبريد للمادة. تم استخدام قياس الحقل درجة الحرارة أيضا تسوى وآخرون. 8 لدراسة آثار elastocaloric في الأسلاك ني تي. وعلاوة على ذلك، Ossmer وآخرون. 9، 10 أظهرت أن قياسات درجات الحرارة الحراري هي أيضا مناسبة للتحقيق في الآثار elastocaloric في ني تي أساس الأغشية الرقيقة، الأمر الذي يتطلب معدلات الإطار عالية للكاميرا الأشعة تحت الحمراء للتحقيق في التحولات المرحلة ثابت الحرارة في سلالة عالية معدلات. هذا الأسلوب يسمح للتحقيق في كميات elastocaloric وتجانس البيانات الشخصية درجة الحرارة، والتي لها تأثير كبير على أساس الحالة الصلبة نقل الحرارة وكفاءة العمليات elastocaloric.
كفاءة التبريد من المواد التي يمكن أن تحدد عن طريق حساب العمل المطلوب استنادا إلى قياسات الضغط / التوتر، فضلا عن الحرارة (والذي يمكن تحديده مع مراعاة التغير في درجة الحرارة والسعة الحرارية للمادة). ومع ذلك، فإن المنهج التجريبي لا يمكن التحقيق من المواد elastocaloric تحت ظروف العملية. ويشمل ذلك نقل الحرارة بين المتوسط الحسابي ومصدر الحرارة، والتي لها تأثير كبير على كفاءة عملية التبريد.
توصيف مادة التبريد الظروف العملية والتحقيق في عمليات التبريد elastocaloric يتطلب جهاز اختبار للتمكن من نقل الحرارة على أساس الحالة الصلبة، والتي لا يمكن التحقيق فيها من قبل أي نظام تجاري القائمة. ولهذه الغاية، تم وضع منصة اختبار جديدة. تم تعيين جهاز الاختبار حتى في مستويين كما هو موضح في الشكل (3). وuppeيسمح مستوى ص لتوصيف المواد elastocaloric الأساسي وإجراءات التدريب الأولية، على غرار الطريقة الموصوفة سابقا (انظر الشكل 4). وقد تم تجهيز الإعداد مع محرك المباشر الخطي قادرة على تحميل وتفريغ SMA بأسعار سلالة تصل إلى 1 ثانية -1 (انظر الشكل 5). محرك المباشر الخطي تمكن التحقيق من العينات مع المقطع العرضي لمدة تصل إلى 1.8 ملم 2، في حين أن طول عينة نموذجية هو 90 ملم. والاستفادة من محرك المباشر الخطية هي سرعة عالية وعالية تسارع – على النقيض من محركات الكرة اللولبية التي تستخدم عادة للاختبارات الشد. وعلاوة على ذلك، خلية الحمل، فضلا عن نظام قياس موقف متكامل من محرك الخطي، وتقدم بيانات القياس الميكانيكية. ويستخدم كاميرا الأشعة تحت الحمراء عالية الدقة (1280 X 1024 بكسل) لقياس الشخصية درجة حرارة SMA مع ما يصل إلى 400 هرتز (في نطاق درجات الحرارة المطلوبة). استخدام عدسة المجهر مع الدقةolution من 15 ميكرون / بكسل يمكن التحقيق من آثار درجة الحرارة المحلية. انخفاض مستوى جهاز الاختبار يحتوي على آلية تسمح بالتناوب نقل الحرارة بالتوصيل بين المتوسط الحسابي والحرارة بالوعة المصدر / الحرارة (انظر شكل رقم 6 و 7). محرك المباشر الخطي في مستوى أدنى التبديل بين مصدر الحرارة إلى المتوسط الحسابي ومن المتوسط المتحرك لامتصاص الحرارة، في حين أن المصاعد اسطوانة هواء مضغوط ويقلل من مصدر الحرارة / بالوعة (انظر الشكل 8). كل المحرك يمكن التحكم بشكل مستقل والسماح للتحقيق في مختلف الاختلافات عملية التبريد. نظام قياس شامل يتيح قياس المعلمات الميكانيكية: موقف المحرك، سرعة المحرك، SMA تحميل قوة، قوة الاتصال بين المتوسط المتحرك ومصدر الحرارة / المصارف خلال نقل الحرارة وكذلك المعلمات الحرارية (أي درجات الحرارة داخل مصدر الحرارة / بالوعة، وتوزيع درجات الحرارة على سطح SMA ومصدر الحرارة / الخطيئةك). ويرد وصف أكثر تفصيلا لمنصة الاختبار العلمي في شميت وآخرون. 11.
الرقم 5. مخطط الطابق العلوي من منصة اختبار محرك المباشر خطي لتحميل وتفريغ العينة SMA مع نظام قياس موقف متكامل؛ خلية الحمل لقياس قوى الشد، وكذلك كاميرا الأشعة تحت الحمراء عالية الدقة (1280 X 1024 بكسل) لعمليات استحواذ الشخصي درجات الحرارة.
الرقم 7. مخطط الطابق السفلي من جهاز الاختبار محرك المباشر الخطي للتبديل بين المشتت الحراري ومصدر الحرارة؛ اسطوانة الهوائية لاجراء اتصالات بين العينة SMA ومصدر الحرارة / المصارف. وقد تم دمج أجهزة استشعار درجة الحرارة في بالوعة الحرارة / سوRCE لقياس درجة الحرارة الأساسية للبنات. خلية الحمل ضغط لقياس قوة الاتصال بين المتوسط الحسابي ومصدر الحرارة / تم دمج المصارف في آلية نقل الحرارة وغير مرئية في هذا المخطط.
جهاز الاختبار يسمح للتحقيق في تركيبات مختلفة سبائك والأحجام عينه فضلا هندستها (أشرطة، والأسلاك). وعلاوة على ذلك، فإن الإعداد تمكن تحقيقات شاملة من المواد elastocaloric وعمليات التبريد. التجارب التي سبق وصفها لا يمكن أن يؤديها وسيتم وصف التنفيذ خطوة بخطوة في قسم البروتوكول من هذه المخطوطة.
مواد الاستقرار:
سلوك المواد مستقر مهم لاستخدام المواد elastocaloric في أنظمة التبريد. تحقيقا لهذه الغاية، يتم تطبيق إجراء تحقيق الاستقرار الميكانيكي. خلال هذا الإجراء المواد يمر الميكانيكية التحميل والتفريغ دورات وينفذ المرحلةالتحول من الأوستينيت إلى مارتنسيت. يظهر الاستقرار المادي تبعية معدل قوية. معدلات التحميل العالية تؤدي إلى التغير في درجة الحرارة من المواد، والذي كان سببه الحرارة الكامنة من مرحلة التحول. هذا التغير في درجة الحرارة له تأثير مماثل على الاستقرار المادي، كما تفعل الدورات التدريبية الميكانيكية في درجات حرارة مختلفة 12-15. بالإضافة إلى الميكانيكي 13 والسعرات الحرارية 16 استقرار معروفة، استقرار المواد الحرارية ويمكن ملاحظة مع الإعداد صممه تطبيق الحراري 17.
توصيف المواد:
بعد إجراء التدريب الميكانيكي الأولي، والمواد معارض السلوك الميكانيكي، الحراري والسعرات الحرارية مستقر يسمح خصائص المواد elastocaloric إلى أن توصف. لذلك، يتم تنفيذ الدراجات الميكانيكية بمعدلات مختلفة في حين، على النقيض من إجراء التدريب، وelastocويشمل توصيف aloric مرحلة عقد بعد التحميل والتفريغ. لمدة مرحلة عقد يتم الاحتفاظ سلالة SMA مستمر حتى يتم التوصل إلى مستوى درجة الحرارة المحيطة مرة أخرى. مطلوب هذا النوع من التجارب من أجل تحديد أدنى درجة حرارة يمكن تحقيقها بعد التفريغ، بدءا من مستويات درجة الحرارة المحيطة، فضلا عن الكفاءة المادية. معدل تشكيل يعتمد من قمم درجة الحرارة المحلية ويمكن ملاحظة، مع معدلات أعلى مما يؤدي إلى توزيع درجة الحرارة متجانسة بشكل متزايد. وعلاوة على ذلك، من خلال زيادة معدل الضغط يزيد من التغير في درجة الحرارة بالتساوي حتى تتحقق الظروف ثابت الحرارة. كفاءة المادية يمكن تحديده من خلال حساب العمل المطلوب الميكانيكية، بناء على الرسم البياني قوة الإزاحة من تجربة ثابت الحرارة، فضلا عن الحرارة للامتصاص، بناء على التغير في درجة الحرارة يعني من المواد خلال التفريغ والسعة الحرارية للعينة .
Elastocعملية التبريد aloric:
التحقيق في كفاءة التبريد من SMAS في ظل ظروف العملية تتطلب نقل الحرارة بين المتوسطة SMA التبريد ومصدر الحرارة، فضلا عن امتصاص الحرارة. لهذا الغرض، والمتوسط المتحرك على اتصال مع مصدر الحالة الصلبة الحرارة (بعد التفريغ ثابت الحرارة)، وبالوعة الحرارة (بعد تحميل ثابت الحرارة). كفاءة عملية تعتمد بقوة على التحكم في العملية وشروط الحدود الحرارية. التحقيق الشامل لعملية التبريد يتطلب تنوع من المعلمات السيطرة من أجل تحديد التحكم في العمليات الأكثر فعالية. تأثير الفرد من المعلمات (وقت الاتصال، SMA سلالة، SMA معدل الضغط، مرحلة الاتصال (الاتصال أثناء تحميل / تفريغ مرحلة أو التالية) وقوة الاتصال) على أداء العملية لابد من التحقيق فيها. وعلاوة على ذلك، فإن تأثير الشرط الحدود الحرارية المتغيرة من خلال زيادة عدد دورات التبريد لديها لأن تؤخذ بعين الاعتبار.
التحقق من صحة نموذج:
تطوير نموذج المواد إلى جانب thermomechanically، قادرة على إعادة إنتاج سلوك المواد الميكانيكية والحرارية خلال تبريد دورة، أمر بالغ الأهمية لتطوير تقنية تبريد جديدة. نموذج يسمح للمواد وتحسين العمليات التي خفضت جهود التنمية التجريبية والمادية. المصادقة يتطلب اختبار الشد متساوي الأولي من مادة استقرت لتوليد البيانات المدخلة المواد الميكانيكية المطلوبة (معامل المرونة من الأوستينيت والمرحلة مارتنسيت، وعرض من التباطؤ الميكانيكية وكذلك سلالة التحول). المصادقة على نموذج يتم على أساس اختبارات الشد بمعدلات مختلفة. إدخال البيانات من السعرات الحرارية المطلوبة للنموذج يمكن تحديد الكالوري المسح التفاضلي (DSC) بعد التجارب الميكانيكية. القياسات DSC يجب أن تؤديها بالعربيةثالثا الاختبار الميكانيكي من أجل قياس خصائص المواد السعرات الحرارية لعينة استقرت.
Protocol
Representative Results
Discussion
اختبار تلاعب العلمي قدمت يتيح تحقيق شامل من المواد elastocaloric وعمليات التبريد عن طريق إجراء التجارب الموضحة في قسم البروتوكول. محاذاة دقيقة من العينة قبل لقط أمر بالغ الأهمية لجميع التجارب. محاذاة السيئة يمكن أن تؤدي إلى فشل المواد في وقت مبكر. وعلاوة على ذلك، تطبيق الح?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
فإن الكتاب أن نعترف بدعم من برنامج الأولوية DFG 1599 "الآثار السعرات الحراريه في المواد ferroic: مفاهيم جديدة لتبريد" (مشاريع: EG101 / 23-1، SCHU2217 / 2-1، SE704 / 2-1، EG101 / 29 -2، SCH2217 / 3-2، SE704 / 2-2).
Materials
| 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 | 1280×1024 pixels; Maximum frame rate 3200 Hz |
| Real-Time Controller | National Instruments | NI CompactRIO-9074 | Data acquisiton and control system |
| Camera varnish | Tetenal | 105202 |
References
- 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).
- Moya, X., Defay, E., Heine, V., Mathur, N. D. Too cool to work. Nat. Phys. 11 (3), 202-205 (2015).
- 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).
- Moya, X., Kar-Narayan, S., Mathur, N. D. Caloric materials near ferroic phase transitions. Nat. Mater. 13 (5), 439-450 (2014).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Schmidt, M., Ullrich, J., et al. Thermal Stabilization of NiTiCuV Shape Memory Alloys: Observations During Elastocaloric Training. Shape Mem. Superelasticity. , (2015).
- Höhne, G., Hemminger, W., Flammersheim, H. -. J. . Differential Scanning Calorimetry. , (2003).
- 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).
- 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).
- Shaw, J., Kyriakides, S. Thermomechanical aspects of NiTi. J. Mech. Phys. Solids. 43 (8), 1243-1281 (1995).
- Schmidt, M., Schütze, A., Seelecke, S. Cooling Efficiencies of a NiTi-Based Cooling Process. , (2013).
- Achenbach, M., Müller, I. A MODEL FOR SHAPE MEMORY. . Le J. Phys. Colloq. 43 (C4), 163-167 (1982).
- Müller, I., Seelecke, S. Thermodynamic aspects of shape memory alloys. Math. Comput. Model. 34 (12-13), 1307-1355 (2001).
- Ullrich, J., Schmidt, M., et al. Experimental Investigation and Numerical Simulation of the Mechanical and Thermal Behavior of a Superelastic Shape Memory Alloy Beam During Bending. , (2014).
- 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).
