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

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

Forma Memória Alloys (SMA), utilizando processos de resfriamento elastocaloric têm o potencial para ser uma alternativa ambientalmente amigável para o processo de resfriamento com base de compressão de vapor convencional. sistemas de liga de níquel-titânio (Ni-Ti) com base, principalmente, mostram grandes efeitos elastocaloric. Além disso, apresentam grandes calores latentes que é uma propriedade do material necessário para o desenvolvimento de um processo de arrefecimento à base de estado sólido eficiente. Um equipamento de teste científico foi concebido para investigar esses processos e os efeitos elastocaloric em SMAs. O dispositivo de ensaio realizado permite o controle independente dos ciclos de carga e descarga mecânicas de um SMA, bem como transferência de calor entre elementos de refrigeração SMA e uma fonte de calor / pia. O dispositivo de ensaio é equipado com um sistema de monitoramento abrangente capaz de medições sincronizadas de parâmetros mecânicos e térmicos. Além de determinar a trabalho mecânico dependente do processo, o sistema também permite measurement de aspectos calóricas térmicas do efeito de arrefecimento elastocaloric através da utilização de uma câmara de infravermelhos de alta performance. Esta combinação é de interesse particular, pois permite ilustrações dos efeitos de localização e de taxa de – ambos importantes para a transferência de calor eficiente a partir do meio a ser arrefecido.

O trabalho apresentado descreve um método experimental para identificar as propriedades do material elastocaloric em diferentes materiais e geometrias de amostra. Além disso, o dispositivo de ensaio é usado para investigar diferentes variações do processo de arrefecimento. Os métodos de análise introduzidas permitir uma consideração diferenciada do material, processo e influências condição de fronteira relacionados com a eficiência do processo. A comparação dos dados experimentais com os resultados da simulação (de um modelo de elementos finitos termomecanica- acoplados) permite uma melhor compreensão da física subjacente do efeito elastocaloric. Além disso, os resultados experimentais, como bem como os resultados de based sobre os resultados de simulação, são usados ​​para melhorar as propriedades do material.

Introduction

processos de refrigeração de estado sólido com base em materiais ferroic tem potencial para ser alternativas ambientalmente amigáveis ​​para o processo com base de compressão de vapor convencional. Ferroic materiais podem exibir efeitos magnetocalóricos, electrocaloric elastocaloric e ^{1, 2,} assim como combinações destes efeitos, os quais são descritos como comportamento do material multicaloric ^3. Os efeitos calóricos diferentes em materiais ferroic estão actualmente a ser investigados como parte do German Science Foundation (DFG) programa Priority SPP 1599 "Efeitos calórica em Materiais Ferroic: Novos Conceitos para arrefecimento" ^4. Forma Memória Alloys (SMA), que são investigados no âmbito deste programa mostram grandes efeitos elastocaloric, em particular ligas à base de Ni-Ti, devido às suas grandes calores latentes ^5. A transformação de fase induzida por deformação em altas taxas de deformação conduz a mudanças de temperatura significativas de SMA, tal como mostrado na Figura 1. A, Transformação de fase exotérmica adiabática de austenite em martensite aumenta a temperatura SMA. A transformação endotérmico de martensite para austenite leva a uma diminuição significativa da temperatura. Estas propriedades do material elastocaloric pode ser utilizada para processos de estado sólido de arrefecimento pela aplicação de um ciclo de carga e descarga mecânica adequada. A Figura 2 mostra um ciclo de refrigeração típico elastocaloric, seguindo o ciclo de Brayton. A transferência de calor entre a fonte de calor e o frio, descarregado SMA ocorrem em baixos níveis de temperatura. Na próxima fase, a SMA está em um estado livre de contato e o jejum, o carregamento adiabática leva a um aumento significativo da temperatura da SMA. A transferência de calor subsequente entre a SMA quente e o dissipador de calor ocorrem em tensão constante da SMA. Após a conclusão da transferência de calor, rápido, descarga adiabática leva a uma queda de temperatura significativa da SMA abaixo da temperatura da fonte de calor, após o que o lado de arrefecimento cycle ea transferência de calor com a fonte de calor pode começar. A eficiência do processo de arrefecimento elastocaloric depende do trabalho mecânico necessário e o calor absorvido.

Em primeiro lugar, as experiências de monitoramento no campo de temperatura durante ensaios de tração foram realizados por Shaw et al. ^{6, 7,} com o objetivo de investigar a formação de picos de temperatura locais durante os testes de tração de tiras SMA e fios em taxas diferentes. O método experimental aplicado combinado a medição dos parâmetros mecânicos (stress, tensão e taxa de deformação), com aquisição simultânea de campos de temperatura por meio de medições termográficas. Durante a carga e descarga de um espécime SMA com uma máquina de ensaio à tracção, uma ligação por infravermelhos (IR) da câmara foi usada para adquirir imagens de infravermelhos da amostra SMA. Esta técnica permite a investigação da formação depende da taxa de deformação de picos de temperatura. A medição da distribuição de temperatura sobre oamostra é muito importante para a investigação dos efeitos elastocaloric e a determinação das propriedades de arrefecimento do material. Uma medição da temperatura local – por aplicação de uma medição da temperatura de contacto – não é suficiente, a fim de caracterizar as propriedades de arrefecimento do material. A medição do campo de temperatura também foi usada por Cui et al. ⁸ para o estudo dos efeitos elastocaloric em fios Ni-Ti. Além disso, Ossmer et al. ^{9, 10} mostraram que as medições de temperatura termográficas também são adequados para a investigação dos efeitos elastocaloric em Ni-Ti baseados filmes finos, o que exigia altas taxas de quadros da câmera IR para a investigação das transformações de fase adiabáticas a alta tensão taxas. Esta técnica permite a investigação de quantidades elastocaloric e a homogeneidade do perfil de temperatura, o que tem uma influência significativa sobre a base de estado sólido e a transferência de calora eficiência de processos elastocaloric.

A eficácia de arrefecimento do material pode ser determinada calculando o trabalho necessário com base nas medições de tensão / deformação, assim como o calor (que pode ser determinado tendo em conta a mudança de temperatura e a capacidade térmica do material). No entanto, o método experimental não permite a investigação do material elastocaloric sob condição de processo. Isto inclui uma transferência de calor entre a SMA e uma fonte de calor, o que tem uma influência significativa sobre a eficácia do efeito de arrefecimento.

A caracterização do material de refrigeração condições do processo ea investigação de processos de resfriamento elastocaloric exigem um equipamento de ensaio, permitindo a transferência de calor com base em estado sólido, que não pode ser investigado por qualquer sistema comercial existente. Para este fim, uma nova plataforma de ensaio foi desenvolvido. O equipamento de teste é estabelecido em dois níveis, como mostrado na Figura 3. A uppeR nível permite a caracterização de materiais de base e elastocaloric procedimentos de formação inicial, similar ao método anteriormente descrito (ver Figura 4). A instalação está equipada com uma transmissão directa linear capaz de carregar e descarregar o SMA a taxas de deformação até 1 ^seg-1 (veja a Figura 5). O accionamento directo linear permite a investigação de amostras com uma secção transversal de até 1,8 mm ^2, enquanto que o comprimento de amostra típico é 90 mm. A vantagem de um acionamento direto linear é a alta velocidade ea alta aceleração – em contraste com as unidades do parafuso da esfera, que são normalmente utilizados para ensaios de tração. Além disso, uma célula de carga, bem como o sistema de medição de posição integrado do accionamento linear, fornece os dados de medição mecânicos. Uma câmara de infravermelhos de alta resolução (1280 x 1024 pixels) é utilizado para medir o perfil de temperatura da SMA com até 400 Hz (na gama de temperaturas necessária). O uso de uma lente do microscópio com uma resolução de 15 mm / pixel permite a investigação dos efeitos da temperatura local. O nível mais baixo da plataforma de teste contém um mecanismo que permite a alternância de transferência de calor entre a SMA ea pia fonte de calor / calor (ver figuras 6 e 7). O acionamento direto linear no nível inferior alterna entre a fonte de calor para a SMA e da SMA para o dissipador de calor, enquanto que um elevadores cilindro pneumático e reduz a fonte de calor / pia (ver Figura 8). Cada actuador pode ser controlada independentemente, permitindo a investigação de diferentes variações do processo de arrefecimento. O sistema de medição abrangente permite medições de parâmetros mecânicos: posição do atuador, velocidade do atuador, força de carga SMA, força de contacto entre SMA e fonte de calor / pia durante a transferência de calor, bem como parâmetros térmicos (ou seja, temperaturas dentro da pia, distribuição fonte de calor / temperatura na superfície da SMA e a fonte de calor / sink). Uma descrição mais detalhada da plataforma de teste científico é dada em Schmidt et ai. ^11.

Figura 5. Esquema do nível superior do dispositivo de ensaio A movimentação direta linear para carga e descarga da amostra SMA com sistema de medição de posição integrado.; uma célula de carga para medição de forças de tracção, bem como uma câmara de infravermelhos de alta resolução (1280 x 1024 pixels) para aquisições perfil de temperatura.

Figura 7. Esquema do nível mais baixo do dispositivo de ensaio A movimentação direta linear para alternar entre dissipador de calor e fonte de calor.; um cilindro pneumático para fazer o contato entre a amostra SMA e da fonte de calor / pia; sensores de temperatura foram integrados no dissipador de calor / source para medir a temperatura central dos blocos. Uma célula de carga de compressão para medir a força de contacto entre a SMA e a fonte de calor / dissipador está integrado no mecanismo de transferência de calor e não visível neste esquema.

O dispositivo de ensaio permite a investigação de diferentes composições de liga leve e tamanhos de amostra, bem como geometrias (fitas, fios). Além disso, a configuração permite investigações abrangentes de materiais elastocaloric e processos de refrigeração. As experiências anteriormente descritas pode ser realizada e a execução será descrita passo-a-passo na secção protocolo deste manuscrito.

Estabilização de materiais:

Estável comportamento do material é importante para a utilização de materiais elastocaloric em sistemas de refrigeração. Para este fim, um processo de estabilização mecânica é aplicada. Durante este procedimento, o material passa ciclos de carga e descarga mecânicas e executa uma fasetransformação da austenite em martensite. A estabilização de material mostra uma forte dependência da taxa. taxas de carga mais elevadas conduzem a uma alteração da temperatura do material, que é causada pelo calor latente de transformação de fase. Esta alteração de temperatura tem uma influência semelhante sobre o material de estabilização, assim como os ciclos de formação mecânica ^{de 12-15} a diferentes temperaturas. Além da bem conhecida mecânica ¹³ e ¹⁶ de estabilização calórica, uma estabilização material térmico pode ser observada com a configuração concebida pela aplicação de termografia ^17.

Caracterização de materiais:

Depois de um processo de formação mecânica inicial, o material mostra um comportamento mecânico, térmico e calórica estável permitindo que as propriedades do material elastocaloric para ser caracterizado. Portanto, ciclagem mecânica em taxas diferentes é realizada enquanto que, em contraste com o processo de formação, o elastoccaracterização aloric inclui uma fase de exploração, depois de carga e descarga. Para a duração da fase de exploração da estirpe SMA é mantido constante até que um nível de temperatura ambiente é atingida outra vez. Este tipo de experiência é necessária, a fim de determinar a menor temperatura realizáveis ​​após a descarga, a partir de níveis de temperatura ambiente, bem como a eficiência do material. Taxa de formação dependente de picos de temperatura locais pode ser observado, com taxas mais elevadas conduzem a uma distribuição de temperatura cada vez mais homogénea. Além disso, através do aumento da taxa de deformação a mudança de temperatura aumenta até que igualmente são alcançados condições adiabáticas. A eficiência dos materiais pode ser determinado calculando o trabalho necessário mecânica, com base num diagrama força-deslocamento de um experimento adiabática, bem como o calor absorvível, com base na mudança de temperatura significativo do material durante a descarga e a capacidade de calor da amostra .

Elastocprocesso de resfriamento aloric:

A investigação da eficiência de arrefecimento de LMF sob condições de processo exige a transferência de calor entre o meio de arrefecimento SMA e uma fonte de calor, bem como um dissipador de calor. Para este efeito, a SMA é em contacto com uma fonte de estado sólido de calor (após a descarga adiabática) e um dissipador de calor (carga seguinte adiabática). A eficiência do processo depende fortemente do controlo do processo e as condições de fronteira térmica. A investigação detalhada do processo de arrefecimento requer uma variação dos parâmetros de controlo a fim de determinar o controlo do processo mais eficiente. A influência individual dos parâmetros (tempo de contato, tensão SMA, taxa de deformação SMA, fase de contato (contato durante o carregamento / descarregamento de fase ou seguinte) e força de contato) sobre o desempenho do processo tem de ser investigado. Além disso, a influência das condições de fronteira térmica mudando por aumento do número de ciclos de refrigeração tem deser tidos em conta.

Validação do modelo:

O desenvolvimento de um modelo de material termomecanicamente acoplado, capaz de reproduzir o comportamento do material mecânicos e térmicos durante o ciclo de arrefecimento, é crucial para o desenvolvimento de uma tecnologia de arrefecimento romance. O modelo permite que o material e otimização de processos de redução do esforço de desenvolvimento experimental e material. A validação requer um ensaio de tracção isotérmica inicial de um material estabilizado para gerar os dados de entrada de material mecânica necessária (módulo de elasticidade da austenite e a fase de martensite, a largura da histerese mecânica, bem como a tensão de transformação). A validação do modelo tem lugar na base de ensaios de tracção a taxas diferentes. Os dados de entrada de calorias necessárias para o modelo pode ser determinada por calorimetria de varrimento diferencial (DSC) de acordo com as experiências mecânicas. As medições de DSC têm de ser realizados afTer o ensaio mecânico, a fim de medir as propriedades do material calóricas de uma amostra estabilizada.

Protocol

Preparação 1. Amostra Medir a fita SMA com compassos de calibre, e determinar a secção transversal da amostra. Preparar a amostra para medições de IR por revestimento da fita com uma camada fina de alta emissividade (ε = 0,96) da pintura. Cuidado: A tinta é classificado como um irritante. Luvas, óculos de segurança e protecção da boca deve ser usado durante o processamento da pintura. 2. Estabilização do material (Formação) <p class=…

Representative Results

Estabilização de material (Formação): A Figura 9 mostra um diagrama de tensão / deformação de 50 ciclos de formação. A amostra da investigação é uma fita Ni-Ti, com uma secção transversal de A = 1,45 mm2. A taxa de deformação aplicada de 1 x 10 -3 s -1 conduz a um aumento significativo da temperatura AT = 12,2 K. O aumento da temperatura tem uma…

Discussion

O dispositivo de ensaio científico apresentado permite investigação abrangente de materiais elastocaloric e processos de refrigeração, executando as experiências descritas na seção de protocolo. O alinhamento preciso da amostra antes do pinçamento é crucial para todos os experimentos. Bad alinhamento pode potencialmente levar a falha do material inicial. Além disso, a máxima aplicada estirpe tem uma influência significativa no tempo de vida de material, ao passo que a estirpe necessária para alcançar uma …

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