Raziskovalni projekti so (so)financirani s strani Javne agencije za raziskovalno dejavnost
- Članica UL: Fakulteta za strojništvo
- Šifra projekta: Z2-9247
- Naslov: Digitalna mikrofluidika v magnetokaloričnem hlajenju
- Trajanje: 01.07.2018 – 30.06.2020
- Letni obseg: 1 FTE
- Vodja: dr. Urban Tomc
- Veda: Tehniške vede
- Sodelujoče RO: Povezava
- Sestava projektne skupine: Povezava
- Bibliografske reference: Povezava
Vsebinski opis projekta
Procesi hlajenja in hladilni sistemi so dandanes močno vpeti v vsakdanje življenje vsakega posameznika. Zato ni presenetljivo, da se že skoraj 20% električne energije v razvitih državah rabi za potrebe hlajenja [1]. Danes praktično vsi hladilni sistemi (in toplotne črpalke) temeljijo na parno-kompresijski tehnologiji hlajenja. Ta ima kljub nenehnemu razvoju in raziskavam še vedno relativno slabo učinkovitost in uporablja okolju škodljiva hladiva, z visokim indeksom globalnega segrevanja (GWP). V zadnjih letih je magnetno hlajenje pokazalo potencialna alternative parno-kompresijskemu hlajenju. Potrebno je izpostaviti, da sta poročili Evropske komisije leta 2016 [2] in US Deparment of Energy leta 2014 [3] magnetno hlajenje uvrstili med najbolj obetavne alternativne načine hlajenja prihodnosti. Zaradi velikega potenciala te tehnologije, se že pripravljajo novi DIN standardi [4], ki bodo vključevali magnetokalorično hlajenje in črpanje toplote.
Magnetno hlajenje v bližini sobne temperature je relativno nova in še razvijajoča tehnologija. Osnovana je na t.i. magnetokaloričnem efektu (MCE), ki se opazi kot sprememba temperature v magnetokaloričnih materialih (MCM), kadar pride do spremembe magnetnega polja, kot je prikazano na Sliki 1. Ko se MCM izpostavi magnetnemu polju se segreje, ko se magnetno polje umakne pa se MCM ohladi. V splošnem je magnetokaloričnost lastnost vseh feromagnetnih materialov in je najbolj izrazita pri prehodu iz feromagnetnega v paramagnetno stanje, ki se zgodi pri določeni temperaturi.
Slika 1: Numerično izračunan magnetokalorični efekt gadolinija (levo) in La-Fe-Co-Si (desno) pri različnih spremembah magnetnega polja.
Magnetno hlajenje pri sobni temperaturi dandanes temelji na uporabi aktivnega magnetnega regeneratorja (AMR), ki sta ga patentirala Barclay in Stevert [5] leta 1982. Ena od pomembnih težav obstoječih MKM-jev je majhen magnetokalorični efekt (samo nekaj Kelvinov pri gostoti magnetnega polja 1 T). S tem ni možno zagotoviti dovolj velike temperaturne razlike v magnetnem hladilniku. Uporaba AMR-ja do neke mere odpravi ta problem, saj lahko magnetokalorični material poleg magnetokaloričnega efekta izkoristi tudi proces toplotne regeneracije. To vodi v določeno povečanje obratovalne temperaturne razlike.
Temperaturna razlika vzdolž AMR-ja v magnetnem hladilniku se vzpostavi tekom štirih ponavljajočih faz delovanja. Te so predstavljene na Sliki 2. Te štiri faz predstavljajo en termodinamični cikel naprave in si sledijo v sledečem zaporedju:
- Proces magnetizacije; v prisotnosti magnetnega polja se MKM segreje zaradi MKE;
- Hladna tekočina za prenos toplote teče skozi segret AMR s hladnega prenosnika toplote (levo) na topli prenosnik toplote (desno); tekočina prenese toploto, ki jo absorbira iz AMR-ja, na okolico; V tem času je AMR še vedno magnetiziran;
- Proces demagnetizacije; magnetno polje se umakne od AMR-ja, ta pa se zaradi MKE ohladi
- Topla tekočina za prenos toplote teče skozi ohlajen AMR s toplega prenosnika toplote (desno) v hladni prenosnik toplote (levo), kjer tekočina, ohlajena zaradi toka mimo hladnega AMR-ja, absorbira toploto iz hlajenega prostora; V tem času je AMR še vedno demagnetiziran.
Figure 2: 4 faze delovanja AMR-ja.
V zadnjih štirih desetletjih je bilo na svetu narejenih več kot 60 različnih magnetokaloričnih prototipov [6]. Kljub temu je še vedno potrebno razrešiti nekaj večjih ovir, preden bo tehnologija magnetokaloričnega hlajenja postala komercialno dostopna. Med te sodijo problemi pri prenosu toplote v AMR-jih in delovnih tekočinah, konstrukcijske težave magnetnih sestavov in problemi s pomožnimi sistemi, kot so ventili in črpalke. Večjo oviro predstavlja tudi visoka cena magnetokaloričnih materialov iz redkih zemelj, in permanentnih magnetov.
Glavna težava obstoječih prototipov AMR-jev je nezmožnost učinkovitega delovanja pri obratovalnih frekvencah (termodinamičnih ciklih na enoto časa) višjih od 5 Hz (za smiselno hladilno moč in temperaturni razpon) [7], zaradi neučinkovitega prenosa toplote. Kljub temu, da je bilo po svetu narejeno relativno veliko število prototipov, so ti omejeni (iz vidika učinkovitosti) na obratovalne frekvence do 5 Hz, pri temperaturnem razponu 15 do 20 K, in specifične hladilne moči do 200 W/kg (hladilna moč na enoto mase MKM) [8-11]. Obratovalne lastnosti, predvsem hladilna moč in temperaturni razpon, se počasi izboljšujejo. Ostaja pa dejstvo, da so za doseganje teh lastnosti potrebne velike mase MKM-jev in predvsem permanentnih magnetov (za ustvarjanje magnetnega polja), če želimo obratovati pri tako nizkih frekvencah. S tem pa se drastično zviša cena magnetnih hladilnikov. Ekonomski vidik magnetnega hlajenja pri sobni temperaturi je bil raziskan v večjem številu ekonomskih analiz [12 13, 14]. Raziskovalci so v raziskavi [7] pokazali, da trenutni koncepti AMR-jev ne bodo bili zmožni delovati pri frekvencah višjih od 5 do 10 Hz. Zaradi teh razlogov se na področju magnetnega hlajenja pri sobnih temperaturah razvija nova smer raziskovanja, ki sta je bila predlagana v raziskavi [15] o alternativnih pristopov k magnetokaloričnemu hlajenju. Vsebuje popolnoma nov koncept AMR-ja, ki bi temeljil na t.i. toplotnih stikalih. Aplikacija toplotnih stikal bi lahko vodila v drastične izboljšave na področju prenosa toplote iz/v MKM in posledično v višje obratovalne frekvence. Z mehanizmom toplotnega stikala je možno manipulirati smer in intenziteto toplotnega toka. Nedavno je bil na tem področju objavljen celovit pregled literature, ki navaja ogromno število možnih fizikalnih mehanizmov, ki bi bili lahko aplicirani kot toplotna stikala [16]. Nekatere fizikalne vede, kjer lahko najdemo toplotna stikala so termoelektrika [17], spin-kaloritronika [18, 19, 20], termalna rektifikacija [21, 22, 23] in mikrofluidne domene kot so elektrohidrodinamika [24, 25, 26, 27, 28] in fero/magnetohidrodinamika [29, 30, 31, 32]. V zadnjih letih je bilo objavljenih več študij, ki opisujejo nove koncepte AMR-jev, ki temeljijo na uporabi toplotnih stikal [33, 32, 33, 34]. Med te sodita tudi lastna članka [37, 38], ki sta bila ena prvih na tem področju. V vseh primerih gre za teoretične študije z numeričnimi simulacijami. Skupen zaključek teh študij je, da bi z uporabo toplotnih stikal resnično lahko bistveno izboljšali obratovalne karakteristike magnetnega hladilnika. Predvsem bi se izboljšala obratovalna frekvenca (tudi nad 100 Hz) in posledično specifična hladilna moč (celo nad 10 kWkg-1). Potrebno se je zavedati da so to le teoretične študije, še vedno pa je potreben eksperimentalen dokaz principa.
Zanimivo področje, kjer bi lahko iskali toplotna stikala, je mikrofluidika. Ta je omogočila razvoj integriranih “laboratorijev na čipu” za uporabo v klinični diagnostiki, farmaciji, in okoljskem monitoringu [39]. Večina mikrofluidnih naprav temelji na kontinuiranem toku tekočine po mikrokanalih. V zadnjem času pa se vse več pojavlja interes za naprave, ki temeljijo na manipulaciji diskretnih kapljic preko efektov površinske napetosti. Ena od metod, ki omogoča tako delovanje, je t.i. elektroomočenje na dielektriku (EWOD). Temelji na omočenosti kapljevin na dielektrični trdni površini, pri čemer se spreminja električni potencial. Ta metoda ponuja določene prednosti pred konvencionalnim kontinuiranem toku v mikrofluidnih čipih, saj bistveno zmanjša količino delovne tekočine in omogoča spreminjanje arhitekture čipa. Sistemi EWOD imajo določeno podobnost digitalnim mikro elektronskim sistemom in se je zato za njih uveljavil termin »digitalna mikrofluidika« [40]. Obstaja vrsta EWOD aplikacij, ki so opisane v literaturi [41], vendar pa je za naše potrebe najbolj zanimiva nova metoda točkovnega hlajenja vezja, ki predstavlja izredno učinkovito toplotno upravljanje elektronike [42, 43]. Pri tej metodi uporabljamo krmiljene oziroma programirane vrste diskretnih kapljic za aktivno hlajenje površin, kjer prihaja do lokalnega povišanja toplotnega toka. V numerični in eksperimentalni študiji, ki jo je izvedel Nahar [44], je bilo pokazano kako se lahko kapljica (premera 2 mm) z EWOD metodo premakne preko ogretega točkovnega mesta v manj kot 100 ms in nato hitro ohladi to mesto za približno 15 K. V tem oziru lahko rečemo, da EWOD manipulacija kapljice predstavlja izredno hiter mehanizem toplotnega stikala, ki bi lahko bil učinkovito apliciran v magnetokaloričnem hladilnem procesu. Poleg tega pa je metoda EWOD relativno dobro predstavljena in popisana v literaturi, torej je tehnološko precej dostopna, da bi jo lahko relativno hitro aplicirali za različne potrebe, kot npr. v magnetokaloriki. Vendar pa je potrebno opozoriti, da v znanstveni sferi še vedno ni bila uspešno izdelana in testirana konceptualna magnetokalorična naprava s toplotnimi stikali. Zatorej bi raziskava in izdelava takšne naprave še vedno predstavljala precejšnji izziv.
Cilj predlaganega raziskovalnega projekta
V splošnem bo projekt odgovoril na dve glavni vprašanji. Kako manipulirati princip EWOD za namene toplotnega stikanja v magnetokaloriki? Kako aplicirati in sklopiti pojava EWOD in MKE, za postavitev učinkovitega hladilnega sistema.
Končni cilj projekta je zasnova ter izdelava prve konceptualne eksperimentalne magnetokalorične naprave z implementiranimi EWOD toplotnimi stikali. Koncept temelji na aktivni magnetni regeneraciji, kot je prikazano na Sliki 2. Vendar pa, namesto, da je AMR v celoti potopljen v tekočino za prenos toplote, bodo v tem primeru majhne kapljice razporejene (in med seboj ločene) po njegovi dolžini. Tako se bistveno zmanjša masa kapljevine, ki jo je potrebno premikati recipročno. Poleg tega premikamo posamezno kapljico, katere masa je napram celotni tekočini v AMR, izredno majhna. Tako so kapljice znotraj AMR-ja bolj nagnjene k hitri manipulaciji ter spremembam smeri premikanja. Vsaka kapljica znotraj AMR-ja prepotuje recipročno zgolj določeno razdaljo. Tako je v samem AMR-ju še vedno izpolnjen pogoj za proces toplotne regeneracije, ki bi povečala temperaturni razpon AMR-ja preko temperaturne spremembe samega MKE. Poleg tega pa se lahko kapljice premikajo izredno hitro, kar bi vodilo do povišanja obratovalne frekvence in posledično do povišanja hladilne moči ter učinkovitosti naprave. Poleg tega so diskretne kapljice med seboj ločene, kar zniža neželen longitudinalni prevod toplote med ponorom in izvorom toplote. Tak koncept omogoča miniaturizacijo magnetokaloričnih hladilnih naprav, ki je v prihodnosti nujen korak proti komercializaciji te tehnologije.
Slika 3: Shematski prikaz MC naprave z EWOD toplotnimi stikali (levo) in delovanje (desno).
Končni cilj projekta bo dosežen z elektrohidrodinamsko in termomagnetno numerično analizo predlaganega koncepta sklopljenega sistema MCM-ja in EWOD toplotnih stikal. Najprej bo modelirana elektrohidrodinamika EWOD manipulacije. Ker so kapljice gnane z električnim potencialom in njihovo spremembo v površinski napetosti bo ta del modeliran najprej ločeno, preden se bo toplotno sklopil z magnetokaloričnim materialom in magnetokaloričnim efektom. Model bo razvit v komercialno dostopnih CFD orodjih, kot je Ansys Fluent. Predpogoj za konsistentno modeliranje so poznane in dobro definirane reološke in električne lastnosti kapljic in elektrod, ki se uporabljajo v EWOD-u. Pridobljene bodo na podlagi razpoložljivih podatkov v literaturi in lastnih eksperimentalnih izkušenj. Na podlagi tega bo narejena funkcionalna EWOD platforma. Cilj hidrodinamskega modeliranja je definirati optimalno velikost kapljic in velikost posameznih elektrod z namenom zagotavljanja hitrega gibanja kapljic. Vsaka kapljica bo morala spremeniti smer gibanja s frekvenco vsaj 10 Hz. Rezultati tega delovnega paketa bodo temelj za nadaljnjo termomagnetno modeliranje celotne naprave, saj bodo postavili omejitve glede hitrosti in časa aktuacije EWOD kapljic.
Elektrohidrodinamski model EWOD-a bo nato toplotno sklopljen z magnetokaloričnim materialom (v obliki tankih ploščic) in njegovega magnetokaloričnega efekta. V ta namen bo uporabljen predhodno razvit model AMR-ja z magnetokaloričnimi lastnostmi MCM-jev (v Matlab kodi) [45, 46]. Cilj termomagnetnega modeliranja je definirati optimalno geometrijo MCM materiala (debelina, dolžina ploščice) in konfiguracijo kapljic (število diskretnih prostorov na MCM-ju, število kapljic) za doseganje učinkovitega in hitrega prenosa toplote med MCM-jem in kapljicami. Opravljena bo celovita analiza delovanja MC materiala z implementiranim gibanjem EWOD kapljic z vidika hladilnih karakteristik (obratovalna frekvenca, temperaturni razpon, hladilna moč, učinkovitost).
Rezultati take analize bodo dali ključne podatke, ki bodo omogočili dosego glavnega cilja prve eksperimentalne potrditve principa delovanja take naprave.
Faze projekta in njihova realizacija
Predlagani projekt je sestavljen iz sledečih Delovnih Sklopov:
- Karakterizacija EWOD (7 mesecev)
- Numerično modeliranje povezanih transportnih pojavov MCM z EWOD toplotnimi stikali (14 mesecev)
- Elektrohidrodinamično modeliranje Termomagnetno modeliranje
- Zasnova in izdelava eksperimenta za potrditev principa MCM z EWOD toplotnimi stikali (7 mesecev)
- Analiza hladilnih karakteristik principa MCM z EWOD toplotnimi stikali (3 meseci)
- Objava in demonstracija rezultatov (tekom celotnega projekta)
1. Karakterizacija EWOD
V prvi stopnji projekta se bomo osredotočili na izbiri in karakterizacijo najbolj obetavnih načinov izdelave EWOD-ov. Cilj je z najbolj obetavno in hitro tehnologijo izdelave narediti predhodno eksperimentalno postavitev za testiranje EWOD-ov. V splošnem je EWOD sestavljen iz treh elementov: tekočih kapljic, trdnih elektrod in trdnega dielektrika (s hidrofobno površino) med kapljicami in elektrodami. Predpogoj za učinkovito aktuacijo kapljic med dvema elektrodama je optimizirana geometrija vseh treh elementov.
Proces izdelave digitalnih mikrofluidnih (EWOD) aplikacij je sestavljen iz treh korakov: strukturiranje elektrod, prevleka dielektrika in hidrofobna obdelava. Elektrode se na trdne površine (v našem primeru MKM) nanašajo s procesom fotolitografije/rezbarjenja ali parnega nanašanja električno prevodnih materialov. Optimalna debelina elektrod je med 50 in 100 nm [47]. Zaradi tega je parno nanašanje bolj primerno. Materiali, ki se običajno uporabljajo za elektrode, so lahko dragi (zlato, baker, krom ali dopiran silicijev ekstrakt) ali ceneni (baker) [48]. Optimalna razdalja med elektrodama je med 5 in 100 μm [49, 50, 51, 52]. Velikost elektrod ne sme biti manjša kot 1 mm [48]. Nad elektrodo se nanese tudi tanka plast dielektrične prevleke. Debelina te prevleke je bistvenega pomena, saj vpliva na napetost, ki je potrebna da se spremeni površinska napetost kapljice. Tanjša kot je dielektrična plast, manjša je potrebna napetost. Zaradi tega si želimo uporabiti dielektrični material z visoko dielektrično konstanto. Obstaja več postopkov (za različne materiale) kako nanesti dielektrično prevleko, npr. parni nanos parilena, termalna rast silicijevega oksida [50, 51], t.i. “spin coating” dimetilsiloksana (PDMS) [52] in zelo cenena metoda toplotne obdelave tankih plastik [48]. Dielektrična prevleka mora biti hidrofobno obdelana, da se zagotovi majhna hrapavost površine. Pogost način obdelave je t.i. “spin coating” teflona ali katerega drugega fluoropolimera [53, 54, 55]. Obstaja več kapljevin ki se lahko uporabijo za formacijo kapljic, kot je npr. voda z dodatki NaCl, KCl ali HCl ali tekoče kovine, kot sta galinstan in živo srebro. Nestrupeni galinstan ima velik potencial za uporabo v EWOD, saj je njegova toplotna prevodnost dva reda velikosti višja od vode. Zaradi praktičnih razlogov (velikost elektrode ~ 1 mm) volumen kapljic ne sme biti manjši od 50 μl [48].
Kot je razvidno iz literature, so postopki izdelave EWOD v znanstveni skupnosti dobro obvladani in definirani. Kljub vsemu, pa je naš predlagan princip (sklopljen MKM z EWOD) popolnoma nov pristop k uporabi EWOD. Zaradi tega bo na prvem mestu narejena ločena raziskava EWOD principov. V ta namen bo postavljen preliminarni testni eksperimentalni sistem za raziskovanje EWOD. Glede na to da bo naš končni cilj toplotno sklopiti EWOD z MKM-jem, se bomo osredotočili na načine kako EWOD izdelati v taki meri, da bo imel kar se da tanek nanos elektrod, dielektrika in hidrofobnega materiala. Posebna pozornost se bo namenila izbiri materialov in tekočin z najvišjimi toplotnimi prevodnostmi. Te podatke bomo pridobili iz literature in iz lastnih eksperimentov. Glavni cilj te stopnje projekta je postaviti trdne temelje in pridobiti pomembne informacije, ki se bodo uporabile pri elektrohidrodinamičnem modeliranju EWOD-a v naslednjem delovnem sklopu. Poleg tega bo eksperimentalni sistem služil kot sistem za validacijo numeričnih modelov EWOD.
2. Numerično modeliranje povezanih transportnih pojavov MCM z EWOD toplotnimi stikali
Na podlagi karakterizacije EWOD-a v prejšnjem Delovnem Sklopu (DS1) se v tem DS izvede intenzivno numerično modeliranje povezanih transportnih pojavov magnetokaloričnega materiala (z magnetokaloričnim učinkom) in EWOD. Delovni paket je razdeljen na dva pod-paketa, in sicer elektrohidrodinamično (EWOD) in termomagnetno (MCM + EWOD) modeliranje. Končni povezani numerični model nam bo omogočil podrobno raziskavo dinamičnega toplotnega obnašanja novega načina hlajenja toplotnih stikal MCM + EWOD. To bo prvi, a izredno pomemben korak pri pregledu in globljemu razumevanju predlaganega načina hlajenja.
Na osnovi ugotovitev, ki izhajajo iz numeričnih analiz, bomo lahko določili geometrijske parametre in pogoje delovanja za učinkovito delovanje hladilnega termodinamičnega procesa toplotnih stikal MCM in EWOD. S takšnim znanjem, pridobljenim znotraj DS, bomo zasnovali in preizkušali eksperimentalno postavitev v naslednjih delovnih sklopih (DS 3 in 4).
Predlagano načelo povezanih MCM in EWOD je shematsko prikazano na sliki 3. Delovanje tovrstnega sklopa pa je razloženo v poglavju Cilj predlaganega raziskovalnega projekta.
2.1. Elektrohidrodinamično modeliranje
Cilj elektrohidrodinamičnega modeliranja EWOD je poiskati optimalno velikost kapljic in velikost posamične elektrode v želji po doseganju hitrega aktiviranja kapljic med prostori elektrod na način, ki je primeren za kasnejšo izvedbo z magnetokaloriko. Kot je prikazano na sliki 3, predlagano novo načelo hlajenja temelji na aktivni magnetni regeneraciji. Vendar, namesto popolnoma potopljenega MCM v kapljevino, bodo le majhne kapljice ločeno nameščene na diskretnih mestih vzdolž MCM (ploščice). Te majhne kapljice se morajo na določeni dolžini (ne po celotni dolžini plošče) premikati zelo hitro naprej in nazaj po MCM plošči (z ustreznim magnetokaloričnim učinkom), s čimer se zagotovi regeneracija toplote, kar povzroči proces aktivne magnetne regeneracije. To gibanje kapljic mora biti čim hitrejše, hkrati pa mora ta proces še učinkovito absorbirati ali sproščati toploto iz / na MCM. Za uspešno modeliranje teh vezanih transportnih pojavov (v naslednjem pod-paketu) pa bomo najprej ločeno modelirali EWOD operacijo. Poleg tega bomo modelirali takšno EWOD operacijo (gibanje kapljic), ki bo ponazorila zahtevano gibanje v procesu AMR.
Elektrohidrodinamično modeliranje EWOD bo izvedeno v komercialno dostopnem CFD simulacijskem orodju, kot je Ansys Fluent. Za dosego tega cilja bo proces modeliranja razdeljen na dve nalogi. V prvi nalogi bomo elektrostatično modelirali EWOD, kjer se bomo osredotočili na modeliranje posamezne kapljice, nameščene na eno in dve elektrodi. Cilj je modeliranje spremembe v površinski napetosti (kontaktni kot s površino) kapljice, ko se električni potencial vklopi ali izklopi. Ta pojav lahko matematično izrazimo s tako imenovano enačbo Young-Lippmann [44]. Nadalje, ko se kapljica postavi delno na aktivirano in delno na deaktivirano elektrodo, postane polmer ukrivljenosti kapljičnega meniskusa asimetričen zaradi različnih kontaktnih kotov na vsaki strani kapljice. Poleg tega pojava se na obeh straneh kapljice ustvari razlika tlakov, kar lahko povzroči premik kapljice. Razliko tlakov je mogoče matematično popisati z Young-Laplace enačbo [44].
Učinek elektro-omočenja v dinamiki toka tekočine se nato neposredno uvede z enačbami iz elektrostatike in v povezavi z Navier-Stokesovo enačbo. Namen tega prehoda na tekočinsko elektrodinamiko bo druga naloga elektrohidrodinamičnega modeliranja. Glavni cilj je modeliranje plošče (ali serije plošč) s številnimi elektrodami v obliki vzorcev na njih in s številnimi kapljicami na elektrodah. Različne geometrije in električne lastnosti elektrod ter kapljic bodo numerično analizirane, s čimer bo možno najti optimalno geometrijo obeh, kar bo omogočilo hitro aktivacijo kapljic.
V celotnem procesu modeliranja bomo lahko vnesli znanje, pridobljeno iz prejšnjega delovnega sklopa (DS 1). Kot smo že zapisali, bomo izdelali preliminarno eksperimentalno postavitev EWOD, ki bo služila kot merilo za numerično modeliranje EWOD.
2.2. Termomagnetno modeliranje
S ciljem analize hladilnih karakteristik predlaganega sklopljenega transportnega fenomena MKE in EWOD, ki tvorita univerzalen AMR princip, bomo izvedli termomagnetno modeliranje. Za ta namen bomo uporabili svoj lasten matematični model, ki je bil prvotno razvit za simuliranje delovanja aktivnega magnetnega regeneratorja (v Matlab kodi) [Jaka, moj Dr]. Numerični model, ki temelji na regeneratorju, z metodo končnih diferenc hkrati rešuje 1D, sklopljene, časovno odvisne energijske enačbe za prenos toplote na in s tekočine in matrico regeneratorjev (iz MKM). Vpliv geometrije je zaradi enodimenzionalne obravnave upošteva primerne termo-hidravlične korelacije. Model predvideva temperaturni razpon, hladilno moč in eksergijsko učinkovitost (razmerje med COP in Carnotovim COP) za številne različne obratovalne pogoje, termodinamične cikle, spremembe magnetnega polja, različne geometrije in magnetokalorične materiale (MKM). Vstopno delo vključuje magnetno delo MKM v hladilnem ciklu in delo, ki je potrebno za črpanje tekočine za prenos toplote.
Povezali bomo skupaj numerični model AMR in elektrohidrodinamični model EWOD, predstavljena v prejšnjem podpoglavju 2.1, kar bo omogočalo simuliranje predlaganega novega hladilnega principa z magnetokaloričnim materialom in elektroomočenjem. Prilagodili bomo predhodno razvit AMR model, da bomo lahko sklopili njegove energijske enačbe magnetokaloričnega materiala in tekočine z elektrohidrodinamičnimi Navier-Stokes enačbami za EWOD.
Z ozirom na hladilne karakteristike bomo izvedli celovite analize delovanja predlaganega hladilnega principa. Osredotočili se bomo tudi na obratovalno frekvenco in kako bo vplivala na hladilne karakteristike, kot so temperaturni razpon, hladilna moč in eksergijska učinkovitost.
Z magnetokaloričnega vidika bomo obravnavali različne magnetokalorične materiale, kot so magnetokalorični materiali na osnovi gadolinija (npr. Gd, Gd-Y), kot tudi magnetokalorični materiali na osnovi lantana (npr. La-Fe-Co-Si, La-Fe-Si-H). Ob preteklih raziskavah različnih MKM, uporabljenih v AMR smo skozi numerično modeliranje, naše lastne eksperimentalne meritve in meritve naših kolegov znanstvenikov pridobili magnetokalorične podatke (magnetna sprememba entropije, adiabatna sprememba temperature, specifična toplota v odvisnosti od magnetnega polja) za vrsto različnih MKM. Potrebno je poudariti, da so za izvedbo kvalitetnih simulacij aktivnega magnetnega regeneratorja ključnega pomena podatki o magnetokaloričnih karakteristikah. Nadaljnje, geometrija MKM je en izmed pomembnih parametrov, ki igra vlogo pri učinkovitem in hitrem prenosu toplote iz in v MKM. Preučili bomo različne debeline in dolžine plošč, da bomo našli najbolj učinkovito geometrijo za interakcijo s kapljicami v EWOD aktuaciji.
Po drugi strani, če gledamo iz EWOD perspektive, bodo pomembni parametri termalne lastnosti in geometrija elektrod, dielektrik in tekoče kapljice. Elektrode in dielektrične debeline so ključni parametri, saj predstavljajo določeno toplotno upornost prenosa toplote med MKM in kapljicami. Nadaljnje, izbira tekočine kapljic je tudi pomemben dejavnik. Preučili bomo tekočine, ki bazirajo na vodi, kot tudi tekočih kovinah, kot je galinstan. Kot rečeno, tekočina z galinstanom veliko obeta, saj ima toplotno prevodnost za dva reda višjo od vode.
Skozi numerične analize tega Delovnega Paketa bomo odgovorili na enega najbolj pomembnih vprašanj – kakšna je najučinkovitejša arhitektura MCM in EWOD za izvedbo učinkovitega hladilnega cikla ob najvišji možni obratovalni frekvenci. Koliko kapljic (in kakšne prostornine) potrebujemo na enoto površine MKM? Kakšno je efektivno razmerje med tekočino (kapljicami) in MKM? Kako hitro lahko aktiviramo v povratni način za izvedbo najbolj učinkovite toplotne regeneracije v AMR? To so samo nekatera vprašanja, ki potrebujejo odgovore. Razvoj predlaganega sklopljenega elektrohidrodinamičnega in termomagnetnega numeričnega modela magnetokalorike z EWOD toplotnimi stikali bo podal odlično priložnost za podajanje teh odgovorov, kakor tudi prostor novim idejam in še več vprašanjem.
3. Zasnova in izdelava eksperimenta za potrditev principa MCM z EWOD toplotnimi stikali
Glede na izsledke pridobljene z elektrohidrodinamičnim in termomagnetnim modeliranjem iz DS 2, bomo zasnovali in izdelali eksperimentalno MCM napravo z implementiranimi EWOD toplotnimi stikali. MCM bomo izbrali glede na rezultate modeliranja, pridobili pa ga bomo na trgu ali od raziskovalnih inštitucij, ki se ukvarjajo s tem področjem, saj le malo podjetij proizvaja različne vrste magnetokaloričnih materialov, različnih oblik. Za izdelavo EWOD bo potrebno najeti zunanje podjetje/raziskovalno inštitucijo, ker so postopki (npr. parno nanašanje) za premazovanje elektrod in dielektrika precej specifični in potrebujejo posebno opremo. Na tem področju pa imamo tesne odnose z oddelkom za Elektronsko keramiko – K5 Inštituta Josef Stefan na področju elektrokalorike. Na inštitutu razvijajo različne elektrokalorične materiale, s podobnim učinkom kot MCE.
Pri uporabi elektrokaloričnega materiala in izkoriščanju njihovega elektrokaloričnega učinka je potrebno nanesti tanek sloj zlatih ali platinskih elektrod na elektrokalorični material. Vsa potrebna oprema, ki bi jo potrebovali za tako površinsko obdelavo je na voljo pri omenjeni raziskovalni skupini na Institutu Josef Stefan in bi lahko bila na voljo za namene tega projekta. Poseben poudarek bomo namenili zasnovi in razvoju krmilnika za krmiljenje EWOD aktuacije, krmiljenju vira magnetnega polja in moči. Razvili bomo tudi programski algoritem, ki bo krmilil krožni proces AMR-ja. S tem algoritmom bomo nadzorovati zapleteno gibanje kapljic, pri izmeničnem spreminjanju magnetnega polja (magnetizacija/demagnetizacija), s čemer se inducira magnetokalorični učinek v MCM. Kakor je pomembno, da se kapljice premikajo čim hitreje, tako je pomembno, da se procesa magnetizacije in demagnetizacije pripetita skoraj hipno.
V preteklosti smo v našem laboratoriju za takšne potrebe že razvili in izdelali vire magnetnega polja, ki so zmožni magnetizirati/demagnetizirati v času približno 10 ms. Takšen koncept vira magnetnega polja je tudi del izuma, za katerega smo oddali patentno vlogo leta 2016 [56]. Na tem mestu moramo tudi poudariti, da je patentna prijava trenutno v postopku prodaje industrijskemu partnerju, ki bo nato poskrbel za dokončno patentiranje prijave.
Druga dva pomembna elementa predlaganega preizkusa potrditve principa sta vir in ponor toplote, ki sta ključnega pomena za učinkovito delovanje MCM + EWOD v AMR konceptu.
Za dovod ali odvod toplote v vir/ponor toplote, morajo biti kapljice prenešene s pomočjo elektroomočenja v ponor/vir toplote iz AMR-ja in nazaj. Tako bo potrebno oblikovati posebne prenosnike toplote, ki bodo imeli v kanalih nameščene elektrode, zaradi uporabe EWOD.
Prenosniki toplote so običajno izdelani iz materialov z visoko toplotno prevodnostjo, kot sta baker ali aluminij. Vendar, pa so takšni materiali tudi dobri električni prevodniki, kar je problem z vidika EWOD, saj EWOD operacija za delovanje potrebuje ločeno postavitev prevodnih elektrod druga poleg druge. Vendar, pa so nekateri novi polimerni materiali pokazali relativno dobre toplotne lastnosti, ki bi jih lahko učinkovito uporabili kot material toplotnega ponora, namesto uporabe kovin.
Celotni merilni sistem za zajemanje merjenih veličin bo narejen v programskem okolju LabView, zajemanje podatkov pa bo preko National Instruments merilnih kartic.
4. Analiza hladilnih karakteristik principa MCM z EWOD toplotnimi stikali
V tem delovnem sklopu bomo izvedli obširno eksperimentalno analizo preizkusa potrditve hladilnega principa MCM z EWOD toplotnimi stikali. Predlagan princip hlajenja bo podvržen testiranju pri različnih obratovalnih pogojih in kako le-te vplivajo na karakteristike hlajenja, kot so temperaturni razpon, hladilna moč ter učinkovitost.
Preizkus hladilnega principa bomo testirali pri različnih obratovalnih frekvencah, različnih razmerjih med volumnom kapljic in volumnom MCM-ja, različnih temperaturah ponora toplote in temperaturnih razponih. Pri različnih temperaturnih razponih bomo izmerili hladilno moč ter pripadajočo učinkovitost procesa, kar nam bo podalo pomemben vpogled v delovanje predlaganega principa hlajenja.
Poleg tega bomo na podlagi eksperimentalnih rezultatov lahko verificirali in po potrebi modificirali razviti elektrohidrodinamični in termomagnenti numerični model MCM-ja z EWOD toplotnimi stikali.
Glavni cilj je raziskati, ali lahko predlagani hladilni princip učinkovito transportira toploto med virom in ponorom toplote pri visokih obratovalnih frekvencah (nad 10 Hz). Če bodo eksperimentalni rezultati pokazali takšen potencial, potem bo raziskovalno delo predlaganega projekta predstavljalo izjemen znanstveni preboj na podorčju magnetokalorične pretvorbe energije (in ostalih kaloričnih tehnologij), kakor tudi v širši domeni hladilnih tehnologij.
5. Objava in demonstracija rezultatov
Tekom celotnega projekta bomo poskrbeli za objavo rezultatov v prestižnih znanstvenih publikacijah in v predstavitvah na mednarodnih konferencah. Pridobljeno znanje in ugotovitve bomo pridoma posredovali diplomskim in magistrskim študentom na Univerzi v Ljubljani. Zadnji mesec projekta bo namenjen demonstraciji delovanja novega principa hlajenja z MCM in EWOD toplotnimi stikali splošni javnosti, kakor tudi potencialnim znanstvenim in industrijskim partnerjem. V kolikor se bo izkazalo smiselno bo oddana tudi patentna prijava novega principa hlajenja (pred znanstvenimi objavami).
- Elektrostatično modeliranje EWOD z enojno/dvojno kapljico/elektrodo
- Task 2.2: Sklopitev elektrostatičnega EWOD modela z modelom dinamike tekočin v skupni elektrohidrodinamični numerični model EWOD
- Task 2.3: Numerična analiza in izbira geometrije in električnih lastnosti elektrod (ter dielektrika) in kapljic ter verifikacija EWOD elektrohidrodinamičnega numeričnega modela na podlagi eksperikmentalnih rezultatov iz DS 1
DS 2.2: Termomagnetno modeliranje – trajanje: M8-M16
- Task 2.4: Sklopitev elektrohidrodinamičnega numeričnega modela EWOD z AMR numeričnim modelom
- Task 2.5: Numerična analiza in izbira MC materialov in geometrije, tekočine za EWOD glede na toplotne lastnosti, debeline dielektrika, števila elektrod in pripadajočih kapljic za učinkovito delovanje novega koncepta MCM z EWOD
- Task 2.6: Numerična analiza in izbira učinkovitih obratovalnih pogojev predlaganega hladilnega cikla
DS 3: Zasnova in izdelava eksperimenta za potrditev principa MCM z EWOD toplotnimi stikali – trajanje: M15-M21
- Task 3.1: Izdelava krmilnega sistema za EWOD ter vir magnetnega polja za hitro obratovanje hladilnega procesa
- Task 3.2: Zasnova in izdelava posebnega izvora ter ponora toplote, ki bi bila kompatibilna z delovanjem EWOD
- Task 3.3: Zasnova in izdelava preizkusa za potrditev principa MCM z EWOD toplotnimi stikali
DS 4: Analiza hladilnih karakteristik principa MCM z EWOD toplotnimi stikali – trajanje: M21-M23
- Task 4.3: Obširna eksperimentalna analiza obratovalnih karakteristik, kot so temperaturni razpon, hladilna moč ter učinkovitost novega principa hlajenja pri različnih pogojih delovanja
- Task 4.2: Verifikacija razvitega sklopljenega elektrohidrodinamičnega in termomagnetnega numeričnega modela novega principa hlajenja z MCM in EWOD toplotnimi stikali
DS 5: Objava in demonstracija rezultatov – trajanje: M3-M24
- Task 5.1: Izdaja znanstvenih člankov z visokim impact fakotrjem skozi celotno trajanje projekta
- Task 5.2: Demonstracija delovanja novega principa hlajenja MCM + EWOD splošni javnosti, znanstveni sferi ter potencialnim industrijskim partnerjem, kakor tudi diplomskim in magistrskim študentom (na koncu projekta)