Experimentella metoder för undersökning av formminne Baserat Elastocaloric kylprocesser och Model Validation

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

Shape Memory Alloys (SMA) med hjälp av elastocaloric kylprocesser har potential att bli ett miljövänligt alternativ till den konventionella ångkompression kyla processen. Nickel-titan (Ni-Ti) baserat legeringssystem, i synnerhet, visar stora elastocaloric effekter. Dessutom uppvisar stora latenta heat vilket är en nödvändig materiell egendom för att utveckla en effektiv solid-state kyla processen. En vetenskaplig testrigg har utformats för att undersöka dessa processer och elastocaloric effekter i SMA. Den realiserade testriggen möjliggör oberoende kontroll av en SMA mekaniska lastnings- och lossningscykler, liksom konduktiv värmeöverföring mellan SMA kylelement och en värmekälla / handfat. Testriggen är utrustad med ett omfattande övervakningssystem kan synkroniserade mätningar av mekaniska och termiska parametrar. Förutom att bestämma processberoende mekaniskt arbete, varvid systemet möjliggör också measurement av termiska caloric aspekter av elastocaloric kyleffekten genom användning av en högpresterande IR-kamera. Denna kombination är av särskilt intresse, eftersom det tillåter illustrationer av lokaliserings och kurseffekter – både är viktiga för effektiv värmeöverföring från det medium som skall kylas.

Arbetet presenteras beskriver en experimentell metod för att identifiera elastocaloric materialegenskaper i olika material och prov geometrier. Dessutom är testriggen som används för att undersöka olika kyla processvariationer. De införda analysmetoderna möjliggöra en differentierad bedömning av material, process och relaterade randvillkor påverkar på processeffektiviteten. Jämförelsen av de experimentella data med simuleringsresultaten (av en termo kopplade finita elementmodell) gör det möjligt för bättre förståelse av de bakomliggande fysiken av elastocaloric effekt. Dessutom experimentella resultat, samt slutsatser based på simuleringsresultaten, används för att förbättra materialegenskaper.

Introduction

Solid state kylprocesser baserade på ferroic material har potential att vara miljövänliga alternativ till den konventionella ångkompression baserad process. Ferroic material kan uppvisa magnetocaloric, electrocaloric och elastocaloric effekter ^{1, 2,} samt kombinationer av dessa effekter, som beskrivs som multicaloric material beteende ^3. De olika kalori effekter i ferroic material undersöks för närvarande som en del av den tyska Science Foundation (DFG) Priority program SPP 1599 "kalorieffekter i Ferroic Material: Nya koncept för Cooling" ^4. Shape Memory Alloys (SMA) som undersöks inom detta program visar stora elastocaloric effekter, i synnerhet Ni-Ti-baserade legeringar på grund av deras stora latenta heat ^5. Stammen-inducerad fasomvandling vid höga töjningshastigheter leder till betydande temperaturväxlingar av SMA, som visas i figur 1. Denadiabatisk, exoterm fasomvandling från austenit till martensit ökar SMA temperatur. Den endoterma omvandling från martensit till austenit leder till en betydande minskning temperatur. Dessa elastocaloric materialegenskaper kan användas för solid-state kylning processer genom att tillämpa en lämplig mekanisk lastning och lossning cykeln. Figur 2 visar en typisk elastocaloric kylcykel, efter Brayton-cykeln. Värmeöverföringen mellan värmekällan och den kalla, lossas SMA ske vid nivåer låg temperatur. I nästa fas, är SMA i ett kontaktlöst tillstånd och snabb, adiabatisk belastning leder till en betydande ökning av SMA temperatur. Den efterföljande värmeöverföring mellan den heta SMA och kylflänsen sker vid konstant stam av SMA. Efter slutförandet av värmeöverföringen, leder snabbt, adiabatisk lossning till en betydande temperaturfall av SMA under temperaturen för värmekällan, varefter nästa kylning cycle och värmeöverföringen med värmekällan kan starta. Effektiviteten i elastocaloric kylprocessen beror på den erforderliga mekaniskt arbete och den absorberade värmen.

Först utfördes experiment som övervakar temperaturfältet under drag tester av al. Shaw et ^{6, 7,} med målet att undersöka bildandet av lokala temperaturtoppar under dragprov av SMA remsor och ledningar i olika takt. Den tillämpade experimentell metod kombinerad mätning av mekaniska parametrar (spänning, töjning och töjningshastighet) med samtidig förvärv av fält temperatur genom termografiska mätningar. Under lastning och lossning av en SMA-provet med en dragtestmaskin, en infraröd (IR) kamera användes för att förvärva IR-bilder av SMA provet. Denna teknik gör det möjligt för undersökning av töjningshastigheten beroende bildandet av temperaturtoppar. Mätningen av temperaturfördelningen påprovet är mycket viktigt för undersökningen av de elastocaloric effekter och bestämningen av de kylande egenskaperna hos materialet. En mätning lokala temperaturen – genom att tillämpa en temperaturmätning kontakt – är inte tillräcklig för att karaktärisera kylning egenskaperna hos materialet. En mätning av temperaturfältet användes också av Cui et al. ⁸ för att studera elastocaloric effekter i Ni-Ti ledningar. Dessutom et al. Ossmer ^{9, 10} visade att mätningar termo temperatur är också lämplig för undersökning av elastocaloric effekter i Ni-Ti baserade tunna filmer, som krävde hög bildhastighet av IR-kamera för undersökning av adiabatiska fastransformationer vid hög påfrestning priser. Denna teknik gör det möjligt att utreda elastocaloric kvantiteter och homogeniteten av temperaturprofil, som har en betydande inverkan på solid-state baserad värmeöverföring ocheffektivitet elastocaloric processer.

Kyleffektiviteten av materialet kan bestämmas genom beräkning av det arbete som behövs baserat på spänning / töjning mätningar samt den värme (vilket kan bestämmas med hänsyn tagen till temperaturändringen och värmekapaciteten för materialet). Emellertid inte den experimentella metoden inte gör det möjligt för undersökning av elastocaloric material under processbetingelse. Detta inkluderar en värmeöverföring mellan SMA och en värmekälla, som har ett betydande inflytande på effektiviteten av kylningseffekten.

Materialet karakterisering av kylning processförhållanden och undersökning av elastocaloric kylprocesser kräver en testrigg som gör det möjligt solid-state baserad värmeöverföring, som inte kan utredas av alla befintliga kommersiella systemet. För detta ändamål har en ny testning plattform utvecklats. Provningsriggen inrättades två nivåer som visas i figur 3. Den upper nivå tillåter grundläggande elastocaloric materialkarakterisering och inledande förfaranden utbildning, liknande den tidigare beskrivna metoden (se Figur 4). Installationen är utrustad med en linjär direktdrift kan lastning och lossning av SMA vid töjningshastigheter upp till 1 sek ^-1 (se figur 5). Den linjära direktdrivning möjliggör undersökning av prover med ett tvärsnitt på upp till 1,8 mm ^2, medan den typiska provlängden är 90 mm. Fördelen med en linjär direktdrivning är den höga hastigheten och den höga acceleration – i motsats till kulskruvar heter som typiskt används för dragprov. Dessutom en lastcell, samt det integrerade systemet för den linjära körläge mätning, tillhandahåller data mekaniska mätnings. En högupplöst IR-kamera (1,280 x 1024 pixlar) används för att mäta temperaturprofilen för SMA med upp till 400 Hz (i det erforderliga temperaturområdet). Användningen av ett mikroskop lins med en resolution av 15 um / pixel möjliggör undersökning av lokala temperatureffekter. Den lägre nivån av provningsapparaturen innehåller en mekanism som gör det möjligt att alternerande konduktiv värmeöverföring mellan SMA och värmekällan / kylfläns (se figurerna 6 och 7). Den linjära direktdrivning i den lägre nivån växlar mellan värmekällan till den SMA och från SMA till kylflänsen, medan en pneumatisk cylinder höjer och sänker värmekällan / sink (se figur 8). Varje ställdon kan styras oberoende möjliggör för undersökning av olika kylning processvariationer. Det omfattande mätsystem möjliggör mätningar av mekaniska parametrar: manöverdonspositionen, ställdon hastighet, SMA belastningskraften, kontaktkraft mellan SMA och värmekälla / diskbänk under värmeöverföring samt termiska parametrar (dvs temperaturer inne värmekälla / handfat, distribution temperaturen på ytan av SMA och värmekällan / sink). En mer detaljerad beskrivning av vetenskapliga tester plattform ges i Schmidt et al. ^11.

Figur 5. Schema för den övre nivån av testrigg En linjär direktdrivning för lastning och lossning av SMA provet med integrerat system positionsmätning. en lastcell för mätning av dragkrafter, samt en högupplöst IR-kamera (1,280 x 1024 bildpunkter) för temperaturprofilförvärv.

Figur 7. Schema för den lägre nivån av testrigg En linjär direktdrift för att växla mellan kylfläns och värmekälla. en pneumatisk cylinder för att få kontakt mellan SMA provet och värmekällan / sink; temperaturgivare har integrerats i kylflänsen / souRCE för att mäta kärntemperatur av blocken. En kompressionslastcell för mätning av kontaktkraften mellan SMA och värmekällan / sink är integrerad i värmeöverföringsmekanismen och inte synlig i detta system.

Testriggen möjliggör undersökning av olika legeringskompositioner och provstorlekar samt geometrier (band, trådar). Dessutom installationen möjliggör omfattande undersökningar av elastocaloric material och kylprocesser. De tidigare beskrivna experimenten kan utföras och exekveringen kommer att beskrivas steg för steg i protokollet avsnitt i detta manuskript.

Material stabilisering:

Stabilt material beteende är viktig för användningen av elastocaloric material i kylsystem. För detta ändamål är en mekanisk stabiliseringsförfarande som har tillämpats. Under denna procedur materialet passerar mekaniska lastnings- och lossningscykler och utför en fasomvandling från austenit till martensit. Materialet stabilisering visar en stark takt beroende. Höga lastningshastigheter leder till en temperaturförändring av materialet, som orsakas av det latenta värmet av fasomvandlingen. Denna temperaturförändring har en liknande inverkan på materialet stabilisering, liksom mekaniska utbildningscykler vid olika temperaturer ^12-15. Förutom de välkända mekaniska ¹³ och kalori ¹⁶ stabilisering kan observeras en termisk material stabilisering med den designade installationen genom att tillämpa termografi ^17.

Materialkarakterisering:

Efter en inledande mekanisk träningsproceduren, visar materialet stabilt mekaniska, termiska och kalori beteende låta elastocaloric materialegenskaper ska präglas. Därför är mekanisk cykling i olika takt utförs medan, i motsats till träningsproceduren, den elastocaloric karakterisering innefattar en anläggning fas efter lastning och lossning. Under varaktigheten av hållfasen SMA-stammen hålls konstant tills en omgivningstemperatur nivån uppnås igen. Denna typ av experiment krävs för att bestämma den lägsta möjliga temperaturen efter lossning, från omgivningstemperaturnivåer, samt materialeffektivitet. Hastighet som beror bildandet av lokala temperaturtoppar kan observeras, med högre hastigheter leder till en allt mer homogen temperaturfördelning. Vidare genom att öka töjningshastighet temperaturförändringen ökar lika tills adiabatiska betingelser uppnås. Materialeffektiviteten kan bestämmas genom att beräkna den erforderliga mekaniska arbete, baserat på en kraftförskjutningsdiagram av en adiabatisk experiment, såväl som den absorberbara värme, baserat på den genomsnittliga förändringen av materialtemperaturen vid lossning och värmekapaciteten hos provet .

Elastocaloric kylprocess:

Undersökningen av kyleffekten av SMA under processbetingelser kräver värmeöverföringen mellan SMA kylmedium och en värmekälla, samt en värmesänka. För detta ändamål är den SMA i kontakt med en solid-state värmekälla (efter adiabatisk lossning) och en värmesänka (efter adiabatisk lastning). Effektiviteten i processen är starkt beroende av processtyrning och de termiska randvillkor. Den omfattande undersökning av kylningsprocessen kräver en variation av kontrollparametrar för att bestämma det mest effektiva processtyrning. Den individuella påverkan av parametrarna (kontakttid, SMA-stam, SMA töjningshastighet, kontaktfasen (kontakt under lastning / lossning fas eller följande) och kontaktkraft) på den processprestanda måste undersökas. Vidare har påverkan av den förändrade termiska randvillkoret genom att öka antalet kylningscykler för attbeaktas.

Modellvalidering:

Utvecklingen av en termo kopplat materialmodell, kan reproducera den mekaniska och termiska material beteende under kylningscykeln, är avgörande för utvecklingen av en ny kylteknik. Modellen gör det möjligt för material och processoptimering av minskad experimentell och materialutveckling ansträngning. Valideringen kräver en initial isotermisk dragprov av en stabiliserad material för att alstra ingångsdata som krävs mekanisk material (elasticitetsmodulen hos den austenit och martensitfasen, bredden på den mekaniska hysteresen samt transformations stam). Valideringen av modellen sker på grundval av dragprov i olika takt. De erforderliga caloric indata till modellen kan bestämmas genom differentiell svepkalorimetri (DSC) genom att följa de mekaniska experiment. Mätningarna DSC måste utföras after den mekaniska prov för att mäta kalorimaterialegenskaper ett stabiliserat prov.

Protocol

1. Provframställning Mät SMA bandet med skjutmått och bestämmer tvärsnittet av provet. Preparera provet för IR-mätningarna genom att belägga bandet med ett tunt skikt av hög emissions (ε = 0,96) färg. Varning: Färgen är klassificerad som irriterande. Handskar, skyddsglasögon och munskydd måste bäras under bearbetningen av färgen. 2. Material Stabilization (Utbildning) Obs: Inledande mekanisk cykling leder ti…

Representative Results

Material stabilisering (utbildning): Figur 9 visar ett spännings / stam schema för 50 träningscykler. Det undersökta provet är en Ni-Ti-band med ett tvärsnitt av A = 1,45 mm 2. Den tillämpade töjningshastighet av 1 x 10 -3 sek -1 leder till en genomsnittlig ökning av AT = 12,2 K. Temperaturökningen temperatur har ett betydande inflytande på stabilise…

Discussion

De presenterade vetenskapliga testriggen möjliggör omfattande undersökning av elastocaloric material och kylprocesser genom att utföra experiment som beskrivs i protokollet avsnitt. Exakt inriktning av provet innan kläm är avgörande för alla experimenten. Dålig anpassning kan potentiellt leda till tidig materialbrott. Vidare använt det maximala stammen har ett betydande inflytande på det material livstid, medan den erforderliga stammen för att nå en fullständig fasomvandling är beroende av legeringskompos…

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