Raziskovalni projekti so (so)financirani s strani Javne agencije za raziskovalno dejavnost
- Članica UL: UL Fakulteta za strojništvo
- Šifra projekta: Z2-7219
- Naslov: Od elastokalorčnega efekta do učinkovite hladilne naprave
- Trajanje: 01.01.2016 – 31.01.2018
- Letni obseg: 0,91 FTE
- Vodja: doc. dr. Jaka Tušek
- Veda: Tehniške vede
- Sodelujoče RO: Povezava
- Sestava projektne skupine: Povezava
- Bibliografske reference: Povezava
Vsebinski opis projekta:
Namen projekta je pridobiti temeljna razumevanja elastokaloričnega efekta (ECE) za aplikacijo v hladilni napravi s končnim ciljem izdelati in testirati prvi konceptualni in modlularni prototip elastokalorične hladilne naprave na svetu.ECE je fenomen napetostno-inducirane martenzitne transformacije v materialih z oblikovnim spominom, pri čemer pride do pozitivne in negativne temperaturne spremembe v materialu pod vplivom izmenične mehanske napetosti oziroma povračljive deformacije v materialu. V zadnjem času je ECE pritegnil precej pozornosti zaradi velikih adiabatnih sprememb temperature in potencialno velikih hladilnih moči ter učinkovitosti takšnega krožnega procesa. Kljub temu pa konceptualna hladilna naprava na osnovi ECE še ni bila testirana, kar je glavni cilj predlaganega projekta.
Projekt je sestavljen iz petih Delovnih Sklopov (DS). V prvi fazi projekta (DS 1) bomo na osnovi izmerjenih lastnosti materialov in unikatnega teoretičnega modela definirali osnovne termodinamične diagrame najzanimivejših elastokaloričnih materialov (ECM) potrebne za nadaljnje modeliranje.
Druga faza projekta (DS 2) vsebuje numerično modeliranje elastokalorične hladilne naprave, in sicer mehansko napetostno-deformacijsko modeliranje sočasno s termodinamičnim modeliranjem. Cilj je namreč definirati najprimernejši razvojni koncept elastokalorične hladilne naprave, najprimernejšo geometrijo ECM in podporno strukturo za dinamično mehansko obremenitev ter optimalne pripadajoče obratovalne pogoje tako iz mehanskega kot termodinamičnega vidika. Analizirali bomo dva razvojna koncepta. Prvi koncept temelji na principu aktivne regeneracije, česar osnova je porozni ECM preko katerega se prečrpava fluid za prenos toplote. Drugi koncept je manjša eno-stopenjska hladilna naprava, ki temelji na kontaktnem prenosu toplote ter omogoča miniaturizacijo. Glavni cilj mehanskega modeliranja je zmanjšati napetosti v strukturi iz ECM ter poiskati optimalen način obremenitve in tehnike vpetja v podporno strukturo v želji po povečanju odpornosti proti utrujanju pri dinamičnih obremenitvah. Na drugi strani je glavni cilj termodinamičnega modeliranja analizirati hladilne karakteristike posameznih ECM v različnih geometrijah in določiti optimalne pripadajoče obratovalne pogoje, kot so obratovalne frekvenca, deformacija, itd. Kot rezultat tega DS bomo definirali najprimernejše geometrije ECM, ki kažejo največji potencial za praktične aplikacije.
Na osnovi razvojnega koncepta, ki se bo tekom numeričnega modeliranja izkazal kot najprimernejši, bomo v DS 3 zasnovali in izdelali konceptualni modlualrni prototip elastokalorične hladilne naprave.
Hladilne karakteristike izdelane elastokalorične hladilne naprave, kot so temperaturni razpon med toplotnim ponorom in toplotnim virom, hladilna moč in COP (učinkovitost), bodo izmerjene pri različnih obratovalnih pogojih v DS 4. S tem bomo ovrednotili tudi razviti mehanski in termodinamični model elastokalorične hladilne naprave.
Razvoj elastokalorične hladilne naprave na svetu bi predstavlja preboj na številnih raziskovalnih področjih in odprl vrata za nadaljnje raziskave in razvoj. Pričakujemo, da bo projekt kot prvi potrdil ugotovitve poročila US Department of Energy o alternativnih hladilnih tehnologijah iz leta 2014, ki predstavlja ECE kot alternativno hladilno tehnologijo z največjim potencialom v prihodnosti. To je lahko velika priložnost za nadaljnje sodelovanje z našimi industrijskimi partnerji in drugimi, ki delujejo na različnih področjih hlajenja, klimatizacije in toplotnih črpalk.
Faze projekta in njihova realizacija:
Delovni sklop 1: Karakterizacija elastokaloričnih materialovRealizacija: Na osnovi lastnih eksperimentov, sodelovanja s tujimi partnerji ter dostopnih podatkov iz literature smo z uporabo unikatnega fenomenološkega modela za popis superelastičnosti ter osnovnih termodinamičnih relacij popisali osnovne termodinamične lastnosti najzanimivejših elastokaloričnih materialov. Osredotočili smo se na zlitine Ni-Ti, Cu-Zn-Al in Ni-Ti-Cu-Co, ki trenutno kažejo največji potencial za uporabo v hladilni napravi. Vsaki od omenjenih zlitin smo popisali osnovne elastokalorične lastnosti, kot so adiabatna sprememba temperature, izotermna sprememba entropije, totalna entropija in specifična toplota kot funkcija temperature, napetosti in deformacije. Te lastnosti so ključne za nadaljnje modeliranje elastokalorične naprave (poleg superelastičnih lastnosti). Večji del teh rezultatov je objavljen v članku: J. Tušek, K. Engelbrecht, L. Manosa, E. Vives, N. Pryds. »Understanding the Thermodynamic Properties of the Elastocaloric Effect through Experimentation and Modelling”. Shape Memory and Superelasticity, Volume 2, Issue 4, pp 317–329, 2016.
Delovni sklop 2: Numerično modeliranje elastokalorične hladilne naprave
Realizacija: Teoretično in eksperimentalno sta bila obravnavana dva razvojna koncepta elastokalorične hladilne naprave.
Prvi razvojni koncept temelji na principu aktivne regeneracije, česar osnova je porozni elastokalorični material preko katerega se prečrpava fluid za prenos toplote. Pri tem smo teoretično in eksperimentalno ovrednotili različne potencialne geometrije elastokaloričnega materiala oziroma regeneratorja, kot so žice, ploščice, cevke, blok z luknjami in podobno. Žice in ploščice so bile analizirane pri natezni obremenitvi, ki omogoča izdelavo regeneratorja z učinkovitejšo geometrijo za prenos toplote, a takšen način obremenitve povzroča hitrejše poškodbe materiala pri dinamičnem obremenjevanju. Predvsem žice se niso izkazale kot primerna geometrija, saj na mestu vpetja, kjer so sile največje (pre)hitro pride do poškodbe. Za nekoliko primernejše so se izkazale ploščice v »dog-bone« obliki. Izdelali smo prvi elastokalorični regenerator iz tankih ploščic iz Ni-Ti zlitine, ki so bile lasersko zavarjene v porozno strukturo, med katerimi se lahko prečrpava fluid (voda). V sodelovanju z Dansko tehnično univerzo, kjer je bil izdelan tudi ustrezen tokokrog za prečrpavanje vode preko regeneratorja, je bil takšen regenerator na stroju za mehanske preizkuse tudi testiran v funkciji toplotne črpalke. Prvi rezultati so bili izjemno obetajoči, saj smo že s prvimi testi izmerili temperaturni razpon 15,3 K pri specifični toplotni moči 800 W/kg ter največje hladilno število (COP) do 7 (ob neupoštevanju pogonskih izgub). S tem smo po hladilnih (toplotnih) karakteristikah presegli praktično vse alternativne hladilne tehnologije parno-kompresorskim hladilnikom. Rezultati tega dela so bili objavljeni v reviji Nature Energy (Jaka Tušek, K. Engelbrecht, D. Eriksen, S. Dall’Olio, Janez Tušek, N. Pryds. » A regenerative elastocaloric heat pump« Nature Energy 1, 16134, 2016). Pri takšnem konceptu regeneratorja (ploščice na nateg) pa se je pokazala tudi ena ključnih slabosti, namreč življenjska doba regeneratorja iz ploščic ni presegla 10.000 ciklov, kar je bistveno premalo za praktične aplikacije. Naše nadaljnje delo je torej zajemalo analizo načinov izboljšanje življenjske dobe elastokaloričnih Ni-Ti ploščic, predvsem vpliv hrapavosti površine, vpliv pred-napetja ter načina stabilizacije na življenjsko dobo (delni rezultati tega dela so bili objavljeni v K. Engelbrecht, J. Tušek, S. Sanna, D. Eriksen, O. Mishin, C.R.H Bahl, N. Pryds. »Effects of surface finish and mechanical training on Ni-Ti sheets for elastocaloric cooling” APL Materials 4, 064110, 2016) ter analizo geometrij (cevke in blok z luknjami in podobno), ki omogočajo tlačne obremenitve.
S predhodno razvitim numeričnim modelom za analizo in optimizacijo aktivnega regeneratorja ter na osnovi termodinamičnih lastnosti določenih v Delovnem Sklopu 1, smo izvedli osnovno termodinamično modeliranje aktivnega elastokaloričnega regeneratorja iz cevk in blokov z luknjami pri tlačnih obremenitvah ter (za primerjavo) regeneratorja iz ploščic pri nateznih obremenitvah. Cilj modeliranja je bila analiza geometrije posameznega regeneratorja (pri različnih obratovalnih pogojih) z namenom povečanja hladilnih karakteristik. Izkazalo se je, da lahko predvsem regenerator iz cevk z ustrezno majhnimi cevkami doseže podobne hladilne karakteristike kot regenerator iz ploščic. Sočasno s termodinamičnim modeliranjem elastokaloričnega regeneratorja je potekalo tudi mehansko napetostno-deformacijsko modeliranje. Cilj mehanskega modeliranja je bil analiza različnih geometrij, ki bodo prenesle zahtevane obremenitve in deformacije brez poškodb in koncentracij napetosti in bodo zagotavljale homogeno porazdelitev raztezka. Kot ustrezne so se izkazale ploščice v »dog-bone« obliki pri nateznih obremenitvah ter cevke, blok z luknjali in oblika satovja pri tlačnih obremenitvah. V tem Delovnem Sklopu je bil apliciran tako imenovan Auricchio superelastični model. Za potrebe mehanskega modeliranja regeneratorja iz cevk je bil razvit tudi enostaven model za analizo uklona cevk pri tlačni obremenitvi (na osnovi Eulerjevega modela uklona in superelastičnih lastnosti materiala določenih v Delovnem Sklopu 1). S tem smo določili uklonsko dolžino različnih cevk, kar je ključnega pomena za trajno delovanje regeneratorja iz cevk.
Drugi razvojni koncept je manjša enostopenjska hladilna naprava, ki temelji na kontaktnem prenosu toplote med elastokaloričnim materialom (ploščico) in virom ter ponorom toplote. Pri tem konceptu je bil v sklopu termodinamičnega modeliranja razvit nov numeričen model za analizo hladilnih lastnosti in optimizacijo geometrije takšnega sistema. Izkazalo se je, da je za doseganje dovolj visokih hladilnih moči takšen sistem preveč robusten za miniaturizacijo, predvsem zaradi robustnih prijemal in pogonskega sistema. Poleg tega lahko takšen sistem dovolj učinkovito deluje zgolj pri nateznih obremenitvah tanke ploščice, kar trenutno predstavlja problem zaradi relativno kratke življenjske dobe trenutno najbolj dostopne Ni-Ti zlitine. V sklopu mehanskega modeliranja je bila z ustreznim programskim paketom (z uporabo integriranega Auricchio modela) izvedena geometrijska optimizacija napetostno-deformacijskih stanj elastokalorične ploščice, v želji po preprečitvi napetostnih koncentraciji v njej ter optimiranju porabljenega materiala. Rezultat, torej optimalna oblika ploščice, je bila uporabljena tudi v izdelanem in testiranem elastokaloričnem regeneratorju prvega razvojnega koncepta.
Na osnovi primerjave obeh razvojnih konceptov smo se odločili za nadaljnji razvoj zgolj prvega razvojnega koncepta, torej elastokalorične naprave z aktivnim elastokaloričnim regeneratorjem, saj kaže bistveno večji potencial za praktične aplikacije.
Delovni sklop 3: Zasnova in izdelava konceptualne elastokalorične hladilne naprave
Realizacija: v teku…
Delovni sklop 4: Analiza hladilnih karakteristik hladilne naprave
Delovni sklop 5: Objava in demonstracija rezultatov
Rezultati projekta so bili objavljeni v sledečih znanstvenih publikacijah:
J. Tušek, K. Engelbrecht, L. Manosa, E. Vives, N. Pryds. »Understanding the Thermodynamic Properties of the Elastocaloric Effect through Experimentation and Modelling”. Shape Memory and Superelasticity, Volume 2, Issue 4, pp 317–329, 2016
Jaka Tušek, K. Engelbrecht, D. Eriksen, S. Dall’Olio, Janez Tušek, N. Pryds. » A regenerative elastocaloric heat pump« Nature Energy 1, 16134, 2016
K. Engelbrecht, J. Tušek, S. Sanna, D. Eriksen, O. Mishin, C.R.H Bahl, N. Pryds. »Effects of surface finish and mechanical training on Ni-Ti sheets for elastocaloric cooling” APL Materials 4, 064110, 2016
In patentni prijavi:
A. Žerovnik, J. Tušek. “Hibridna toplotna naprava: P-201600283”, 2016-11-16. Ljubljana: Urad Republike Slovenije za intelektualno lastnino, 2016