Métodos experimentales para procesos de enfriamiento Elastocaloric Investigación de memoria de forma basada y validación del 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

Aleaciones con memoria de forma (SMA) mediante procesos de enfriamiento elastocaloric tienen el potencial de ser una alternativa ecológica al proceso de enfriamiento por compresión de vapor convencional. sistemas de aleación de níquel-titanio (Ni-Ti), basado, sobre todo, muestran grandes efectos elastocaloric. Por otra parte, exhiben grandes calores latentes, que es una propiedad del material necesario para el desarrollo de un proceso de enfriamiento basado en estado sólido eficiente. Un banco de pruebas científicas ha sido diseñado para investigar estos procesos y los efectos elastocaloric en SMA. El banco de pruebas realizado permite el control independiente de los ciclos de carga y descarga mecánicas de una SMA, así como la transferencia de calor por conducción entre los elementos de refrigeración de SMA y una fuente de calor / sumidero. El banco de pruebas está equipado con un sistema de control integral capaz de mediciones sincronizadas de parámetros mecánicos y térmicos. Además de determinar el trabajo mecánico proceso dependiente, el sistema también permite MEDICIÓNt de aspectos calóricas térmicas del efecto de enfriamiento elastocaloric a través del uso de una cámara de infrarrojos de alto rendimiento. Esta combinación es de particular interés, ya que permite a las ilustraciones de la localización y del tipo de efectos – tanto importantes para la eficiente transferencia de calor desde el medio a enfriar.

El trabajo que se presenta describe un método experimental para identificar las propiedades del material elastocaloric en diferentes materiales y geometrías de muestra. Además, la instalación de prueba se utiliza para investigar diferentes variaciones del proceso de enfriamiento. Los métodos de análisis introducidas permiten una consideración diferenciada de material, proceso y relacionados condición de contorno influye en la eficiencia del proceso. La comparación de los datos experimentales con los resultados de la simulación (de un modelo de elementos finitos termomecánica acoplada) permite una mejor comprensión de la física subyacente del efecto elastocaloric. Además, los resultados experimentales, así como los hallazgos based en los resultados de la simulación, se utilizan para mejorar las propiedades del material.

Introduction

procesos de enfriamiento de estado sólido basados ​​en materiales ferroic tienen potencial para ser alternativas ambientalmente amigables para el proceso de compresión de vapor a base convencional. Materiales Ferroic pueden exhibir efectos magnetocalóricos, electrocalórico y elastocaloric ^{1, 2,} así como combinaciones de estos efectos, que se describen como el comportamiento del material multicaloric ^3. Los diferentes efectos calóricos en materiales ferroic están siendo investigados actualmente como parte del programa Prioridad Fundación Alemana de Ciencias (DFG) SPP 1599 "Efectos caloríficos en Materiales Ferroic: Nuevos conceptos para refrigeración" ^4. Aleaciones con memoria de forma (SMA), que son investigados dentro de este programa muestran grandes efectos elastocaloric, en particular, aleaciones a base de Ni-Ti debido a sus grandes calores latentes ^5. La transformación de fase inducida por deformación a altas velocidades de deformación conduce a cambios de temperatura significativos de la SMA, como se muestra en la Figura 1. Laadiabática, transformación de fase exotérmica de austenita a martensita aumenta la temperatura de SMA. La transformación endotérmico de martensita a austenita conduce a una disminución significativa de la temperatura. Estas propiedades de los materiales elastocaloric se pueden utilizar para de estado sólido procesos de enfriamiento mediante la aplicación de un ciclo de carga y descarga mecánico adecuado. La figura 2 muestra un ciclo típico de refrigeración elastocaloric, siguiendo el ciclo Brayton. La transferencia de calor entre la fuente de calor y el frío, sin carga SMA tienen lugar en los niveles de baja temperatura. En la siguiente fase, el SMA está en un estado sin contacto y la, carga adiabática rápida conduce a un aumento significativo de la temperatura de SMA. La transferencia de calor posterior entre la SMA caliente y el disipador de calor se efectúan en tensión constante de la SMA. Una vez completada la transferencia de calor, rápido, descarga adiabática conduce a una caída significativa de la temperatura de la SMA por debajo de la temperatura de la fuente de calor, con lo cual el siguiente enfriamiento cycle y la transferencia de calor con la fuente de calor puede comenzar. La eficiencia del proceso de enfriamiento elastocaloric depende del trabajo mecánico requerido y el calor absorbido.

En primer lugar, los experimentos de control el campo de temperatura durante los ensayos de tracción se realizaron por Shaw et al. ^{6, 7,} con el objetivo de investigar la formación de picos de temperatura locales durante ensayos de tracción de las tiras y los cables de SMA a diferentes velocidades. El método experimental aplicado combina la medición de los parámetros mecánicos (estrés, la tensión y la velocidad de deformación) con la adquisición simultánea de los campos de temperatura por medio de mediciones termográficas. Durante la carga y descarga de una muestra de SMA con una máquina de ensayo de tracción, un puerto de infrarrojos (IR) de la cámara se utiliza para adquirir imágenes de IR de la muestra de SMA. Esta técnica permite la investigación de la formación dependiente de la velocidad de deformación de los picos de temperatura. La medición de la distribución de temperatura en ella muestra es muy importante para la investigación de los efectos elastocaloric y la determinación de las propiedades de enfriamiento del material. Una medición de la temperatura local – mediante la aplicación de una medición de temperatura de contacto – no es suficiente con el fin de caracterizar las propiedades de enfriamiento del material. Una medición del campo de temperatura también fue utilizado por Cui et al. ⁸ para el estudio de los efectos elastocaloric en hilos de Ni-Ti. Por otra parte, Ossmer et al. ^{9, 10} mostró que las mediciones de temperatura termográficas también son adecuados para la investigación de los efectos elastocaloric en Ni-Ti películas delgadas basadas, que requiere altas tasas de bastidor de la cámara de infrarrojos para la investigación de las transformaciones de fase adiabáticas a alta tensión las tasas. Esta técnica permite la investigación de las cantidades elastocaloric y la homogeneidad del perfil de temperatura, que tiene una influencia significativa en la transferencia de calor a base de estado sólido y laeficiencia de los procesos elastocaloric.

La eficiencia de enfriamiento del material se puede determinar mediante el cálculo del trabajo requerido en base a las mediciones de esfuerzo / deformación, así como el calor (que se puede determinar teniendo en cuenta el cambio de temperatura y la capacidad térmica del material). Sin embargo, el método experimental no permite la investigación del material elastocaloric bajo condiciones de proceso. Esto incluye una transferencia de calor entre el SMA y una fuente de calor, que tiene una influencia significativa en la eficiencia del efecto de enfriamiento.

La caracterización de los materiales de las condiciones del proceso de enfriamiento y la investigación de los procesos de enfriamiento elastocaloric requieren un banco de pruebas que permite la transferencia de calor a base de estado sólido, que no puede ser investigado por cualquier sistema comercial existente. Con este fin, una novela plataforma de pruebas se ha desarrollado. El dispositivo de prueba está configurado en dos niveles, como se muestra en la Figura 3. El uppenivel r permite la caracterización de materiales elastocaloric básica y procedimientos de formación inicial, similar al método descrito anteriormente (véase la Figura 4). El programa de instalación está equipada con un accionamiento directo lineal capaz de cargar y descargar el SMA en velocidades de deformación hasta 1 ^seg-1 (véase la Figura 5). El accionamiento directo lineal permite la investigación de las muestras con una sección transversal de hasta 1,8 mm ^2, mientras que la longitud de la muestra típico es de 90 mm. La ventaja de un accionamiento directo lineal es la alta velocidad y la alta aceleración – en contraste con las unidades de tornillo de bolas que se utilizan típicamente para ensayos de tracción. Además, una célula de carga, así como el sistema de medición de posición integrado de la unidad lineal, proporciona datos de medición mecánicos. Una cámara IR de alta resolución (1.280 x 1.024 píxeles) se utiliza para medir el perfil de temperatura de la SMA con hasta 400 Hz (en el intervalo de temperatura requerido). El uso de una lente de microscopio con una reslución de 15 micras / píxel permite la investigación de los efectos de la temperatura local. El nivel más bajo de la instalación de prueba contiene un mecanismo que permite la alternancia de transferencia de calor por conducción entre la AMS y el disipador de fuente de calor / calor (véanse las figuras 6 y 7). El accionamiento directo lineal en el nivel inferior cambia entre la fuente de calor a la SMA y de la SMA al disipador de calor, mientras que un cilindro neumático ascensores y disminuye la fuente de calor / sumidero (ver Figura 8). Cada actuador se puede controlar independientemente lo que permite la investigación de diferentes variaciones del proceso de enfriamiento. El sistema de medición integral permite mediciones de los parámetros mecánicos: la posición del actuador, la velocidad del actuador, la fuerza de carga SMA, fuerza de contacto entre SMA y fuente de calor / sumidero durante la transferencia de calor, así como los parámetros térmicos (es decir, temperaturas en el interior del lavabo, la distribución de fuente de calor / temperatura en la superficie de la SMA y la fuente de calor / senk). Una descripción más detallada de la plataforma de pruebas científicas se da en Schmidt et al., ^11.

Figura 5. Esquema de la planta superior del dispositivo de ensayo Un accionamiento directo lineal para carga y descarga de la muestra SMA con el sistema de medición de posición integrado.; una célula de carga para la medición de fuerzas de tracción, así como una cámara IR de alta resolución (1.280 x 1.024 píxeles) para las adquisiciones del perfil de temperatura.

Figura 7. Esquema de la planta baja del banco de pruebas de un accionamiento directo lineal para la conmutación entre el disipador de calor y la fuente de calor.; un cilindro neumático para hacer contacto entre la muestra de SMA y la fuente de calor / sumidero; sensores de temperatura se han integrado en el disipador de calor / SOURCE para medir la temperatura del núcleo de los bloques. Una célula de carga de compresión para la medición de la fuerza de contacto entre el SMA y la fuente de calor / sumidero está integrado en el mecanismo de transferencia de calor y no es visible en este esquema.

El banco de pruebas permite la investigación de las diferentes composiciones de aleación y tamaño de las muestras, así como geometrías (cintas, alambres). Por otra parte, la configuración permite que una amplia investigación sobre materiales y procesos de enfriamiento elastocaloric. Los experimentos descritos anteriormente se pueden realizar y la ejecución se describen paso a paso en la sección de protocolo de este manuscrito.

Estabilización Material:

comportamiento del material estable es importante para el uso de materiales elastocaloric en los sistemas de refrigeración. Con este fin, se aplica un procedimiento de estabilización mecánica. Durante este procedimiento, el material pasa a ciclos de carga y descarga mecánicas y lleva a cabo una fase detransformación de austenita a martensita. La estabilización de material muestra una fuerte dependencia de la tasa. Las altas tasas de carga conducen a un cambio de temperatura del material, que es causada por el calor latente de la transformación de fase. Este cambio de temperatura tiene una influencia similar en la estabilización de materiales, al igual que los ciclos de formación mecánicas a diferentes temperaturas ^{de 12-15.} Además de la conocida mecánica de estabilización ¹³ y ¹⁶ de calorías, una estabilización material térmico se puede observar con la configuración diseñada mediante la aplicación de la termografía ^17.

Caracterización de materiales:

Después de un procedimiento de formación mecánica inicial, el material muestra un comportamiento mecánico, térmico y calórica estable que permita las propiedades del material elastocaloric a caracterizar. Por lo tanto, el ciclismo mecánica a diferentes velocidades se lleva a cabo mientras que, en contraste con el procedimiento de formación, la elastocCaracterización aloric incluye una fase de mantenimiento después de la carga y descarga. Durante la duración de la fase de mantenimiento de la cepa SMA se mantiene constante hasta que un nivel de temperatura ambiente que se alcanza de nuevo. Este tipo de experimento se requiere con el fin de determinar la temperatura alcanzable más bajo después de la descarga, a partir de los niveles de temperatura ambiente, así como la eficiencia de los materiales. formación dependiente tasa de picos de temperatura local se puede observar, con tasas más altas conducen a una distribución de la temperatura cada vez más homogénea. Por otra parte, mediante el aumento de la velocidad de deformación el cambio de temperatura aumenta igualmente hasta que se alcancen condiciones adiabáticas. La eficiencia de los materiales se puede determinar mediante el cálculo del trabajo requerido mecánica, basado en un diagrama de fuerza-desplazamiento de un experimento adiabático, así como el calor absorbible, basado en el cambio de la temperatura media del material durante la descarga y la capacidad calorífica de la muestra .

Elastocproceso de enfriamiento aloric:

La investigación de la eficacia de la refrigeración de SMA en condiciones de proceso requiere la transferencia de calor entre el medio SMA refrigeración y una fuente de calor, así como un disipador de calor. Para este propósito, el SMA está en contacto con una fuente de calor de estado sólido (después de la descarga adiabático) y un disipador de calor (después de la carga adiabático). La eficiencia del proceso depende en gran medida del control del proceso y las condiciones térmicas de borde. La investigación integral del proceso de enfriamiento requiere una variación de los parámetros de control con el fin de determinar el control de proceso más eficiente. La influencia individual de los parámetros (tiempo de contacto, la tensión SMA, la velocidad de deformación de SMA, la fase de contacto (contacto durante la carga / descarga de la fase o la siguiente) y la fuerza de contacto) en el rendimiento del proceso tiene que ser investigado. Por otra parte, la influencia de la condición límite térmica cambiando por aumento del número de ciclos de enfriamiento ha dedeben tenerse en cuenta.

Modelo de validación:

El desarrollo de un modelo de material termomecánica acoplada, capaz de reproducir el comportamiento del material mecánica y térmica durante el ciclo de enfriamiento, es crucial para el desarrollo de una nueva tecnología de refrigeración. El modelo permite la optimización de los procesos materiales y por la reducción del esfuerzo de desarrollo experimental y material. La validación requiere un ensayo de tracción isotérmica inicial de un material estabilizado para generar los datos de entrada de material mecánicas requeridas (módulo elástico de la austenita y la fase de martensita, el ancho de la histéresis mecánica, así como la cepa de transformación). La validación del modelo se lleva a cabo sobre la base de ensayos de tracción a diferentes velocidades. Los datos de entrada de calorías necesarias para el modelo se pueden determinar por calorimetría diferencial de barrido (DSC) después de los experimentos mecánicos. Las mediciones de DSC se tienen que realizar after la prueba mecánica con el fin de medir las propiedades del material calóricas de una muestra estabilizada.

Protocol

1. Preparación de muestras Medir la cinta SMA con pinzas y determinar la sección transversal de la muestra. Preparar la muestra para las mediciones de IR mediante el recubrimiento de la cinta con una capa fina de alta emisividad (ε = 0,96) de pintura. Precaución: La pintura se clasifica como irritante. Guantes, gafas de seguridad y protección de la boca deben ser usados ​​durante el procesamiento de la pintura. 2. Estabilización de Materiales …

Representative Results

La estabilización de materiales (Formación): La figura 9 muestra un diagrama de tensión / deformación de 50 ciclos de formación. La muestra investigada es una cinta de Ni-Ti con una sección transversal de A = 1,45 mm 2. La velocidad de deformación aplicada de 1 x 10 -3 sec -1 conduce a un aumento de la temperatura media de Delta T = 12,2 K. El aumento de…

Discussion

El banco de pruebas científicas presentadas permite la investigación exhaustiva de los materiales y procesos de enfriamiento elastocaloric mediante la realización de los experimentos descritos en la sección de protocolo. La alineación precisa de la muestra antes de sujeción es crucial para todos los experimentos. Mala alineación puede potencialmente llevar a la falla del material inicial. Además, la máxima aplicada cepa tiene influencia significativa en el tiempo de vida material, mientras que la cepa requerida…

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