Hlajenje v trdnem stanju s hidrostatičnim tlakom: razvoj barokalorične hladilne naprave (COOL PRESS)

Cilj 1: Raziskava principov za ustvarjanje hidrostatičnega tlaka in načinov regeneracije tlačnega dela za barokalorično (BC) tehnologijo

Izvedene aktivnosti:

V okviru Delovnega sklopa 1 (DS1) smo izvedli pregled in analizo sistemov za generiranje tlaka ter mehanizmov za rekuperacijo tlačnega dela. Identificirali smo dva najobetavnejša pristopa: (i) oscilirajoči ojačevalec tlaka in (ii) mehanski batni generator. Oscilirajoči ojačevalec, ki temelji na tlačni črpalki, smo teoretično analizirali in ugotovili, da je njegova učinkovitost omejena zaradi izgub v primarni črpalki ter omejenega pomika medija pri visokih tlakih (~2000 bar). Kot primernejša rešitev se je izkazal mehanski batni generator. Razvili in izdelali smo več prototipov mehanskega batnega generatorja, ki omogočajo doseganje tlakov do ~4000 bar in so združljivi z uporabo v trgalnem stroju, za potrebe direktne eksperimentalne karakterizacije BC materialov (DS2). Na osnovi analitičnega modela (Mathematica) smo razvili tudi inovativen pogonski sistem na osnovi odmične gredi in elektromotorja, ki omogoča sinhrono obremenjevanje fazno zamaknjenih batnih generatorjev ter BC regeneratorjev. Ključna inovacija je optimizirana oblika odmične gredi glede na mehanski odziv materialov, kar omogoča učinkovito rekuperacijo tlačnega dela in približno konstanten navor med delovanjem, kar je ključno za učinkovito delovanje barokalorične naprave.

Rezultati:

Razvit in eksperimentalno validiran je bil mehanski sistem za generiranje visokega tlaka in učinkovito rekuperacijo tlačnega dela. Prototip batnega generatorja in pogonskega sistema je bil testiran z uporabo vzmeti, ki simulirajo mehanski odziv barokaloričnih materialov. Rezultati kažejo, da sistem omogoča delovanje s približno konstantnim navorom ter visoko učinkovitostjo rekuperacije vloženega dela (nad 70 %), kar predstavlja pomemben napredek za aplikacije večjih moči. Razvita rešitev predstavlja prvi znani pogonski sistem mehanokaloričnih naprav, ki omogoča učinkovito obremenjevanje pri zelo visokih silah ob hkratni visoki energijski učinkovitosti. Na podlagi teh rezultatov je bila vložena patentna prijava (PCT) [1], znanstveni članek pa je v postopku recenzije v reviji Nature Communications [2].

[1] A. Žerovnik, J. Tušek; DRIVING SYSTEM FOR MECHANOCALORIC HEATING OR COOLING APPARATUS, PCT Application No. PCT/EP2026/051802

[2]A. Žerovnik, S. Dall’Olio, S. Krašna, Ž. Ahčin, J. Tušek; Efficient Mechanocaloric Drive System Enabled by Constant-Torque and Work-Recovery Design; Under review in Nature Comunications, 2026

Cilj 2: Zasnova eksperimentalne proge za neposredno merjenje BC učinka in karakterizacijo najbolj obetavnih BC materialov  

Izvedene aktivnosti:

V okviru cilja smo v DS2 izvedli pregled obstoječih BC materialov ter identificirali najperspektivnejše kandidate na podlagi velikosti BC učinka, delovnega tlačnega območja, histereze in stabilnosti. Razvili smo več eksperimentalnih sistemov za neposredno merjenje BC učinka (deloma tudi v DS1), vključno s sistemi na osnovi bata in mehanskega generatorja tlaka. Na osnovi več iteracij smo zasnovali in izdelali končno eksperimentalno napravo, ki omogoča neposredno karakterizacijo BC učinka z merjenjem tlaka (v tlačnem mediju), deformacije (LVDT) in adiabatnih temperaturnih sprememb (termopari). Izvedena je bila kalibracija in validacija merilnega sistema. Razvili smo tudi mehanski model naprave (Matlab), ki omogoča korekcijo meritev z upoštevanjem deformacij eksperimentalne postavitve. Zaradi cikličnega obratovanja pri visokih tlakih (>2 kbar) smo naleteli na številne izzive s tesnjenjem (bat, termočleni), kar je sedaj v večji meri uspešno rešeno, a zato neposredne meritve na vseh izbranih materialih še niso bile izvedene. Zato smo v sodelovanju s Politehnično univerzo v Barceloni v zaključni fazi projekta izvedli indirektne meritve BC učinka in meritve specifične toplote za izbrane materiale (silikonska guma, tris-hydroxymethylethane, 1,3-dimethyladamantane). Članek, ki kot prvi primerja direkten in indirekten način karakterizacije BC materialov je trenutno v pripravi. Poleg tega smo prepoznali tudi potencial BC materialov za trdninsko shranjevanje toplote ter izvedli dodatno študijo, predstavljeno v publikaciji v Cell Reports Physical Science [3], kjer smo analizirali njihovo uporabo v sistemih za shranjevanje energije.

Rezultati:

Vzpostavljena je bila napredna eksperimentalna platforma za neposredno karakterizacijo BC učinka, ki omogoča sočasno merjenje tlaka, deformacije in adiabatne temperaturne spremembe. Z napravo smo dosegli tlake do 4 kbar. Pri silikonski gumi (lastne izdelave) smo izmerili povračljive adiabatne temperaturne spremembe ~15 K pri 1,5 kbar in do ~23 K pri 4 kbar, kar sodi med najvišje poročane vrednosti temperatrnih sprememb za BC materiale. Na podlagi kombinacije direktnih in indirektnih meritev smo določili ključne termodinamske lastnosti izbranih materialov (tudi z uporabo fenomenološkega modela v DS3) ter s tem definirali celovit nabor parametrov, ki so bili uporabljeni kot vhodni podatki za numerično modeliranje BC regeneratorja (DS4). Dodatno smo identificirali potencial BC materialov za trdninsko shranjevanje toplote, kar razširja njihovo uporabnost in odpira nove možnosti za napredne energetske sisteme [3].

[3] Ž. Ahčin, A. Kitanovski, J. Tušek; Latent thermal energy storage using solid-state phase transformation in caloric materials; Cell Reports Physical Science, 2024; 5

Cilj 3: Analiza mehanskega odziva BC materialov pod vplivom hidrostatičnega tlaka 

Izvedene aktivnosti:

Za dosego cilja smo v okviru DS3 izvedli pregled visko-hiperelastičnih modelov za opis volumskih sprememb BC materialov pod vplivom tlaka, s poudarkom na silikonski gumi. Kot najustreznejši se je izkazal splošni 3D visko-hiperelastični model, ki temelji na multiplikativni dekompoziciji deformacijskega gradienta ter združuje teorijo velikih deformacij, viskoelastičnost standardne linearne trdnine in prispevek faznih transformacij. Za določitev vhodnih parametrov smo v povezavi z DS2 eksperimentalno karakterizirali silikonsko gumo (lezenje, relaksacija napetosti, strižni modul). Na tej osnovi smo razvili numerični model v okviru nelinearne mehanike kontinuuma, ki omogoča opis velikih deformacij in materialnih nelinearnosti ter je prilagojen realnim geometrijam BC elementov. Z namenom popisa barokaloričnih lastnosti silikonske gume smo uporabili tudi viskoelastični reološki (fenomenološki) model na osnovi Kelvin–Voigtovega modela. Model temelji na empirično pridobljenih eksperimentalnih podatkih (DS2) ter omogoča popis histereze in disipacije energije v barokaloričnem materialu kot funkcije tlaka in temperature. Takšen fenomenološki pristop v kombinaciji z Maxwellovimi relacijami omogoča izračun celovitega nabora barokaloričnih lastnosti, ki so potrebne kot vhodni podatki za modeliranje BC regeneratorja v okviru DS4.

Rezultati:

Razvit je bil napreden numerični model za simulacijo mehanskega odziva BC materialov pri velikih deformacijah in visokih tlakih, ki vključuje viskoelastične učinke in fazne transformacije. Na podlagi eksperimentalno določenih parametrov model omogoča simulacijo odziva materiala pri različnih tlakih in temperaturah. Simulacije omogočajo analizo porazdelitve napetosti in identifikacijo pogojev za bolj homogeno obremenitev, kar je ključno za učinkovit BC odziv. Razvit fenomenološki model dodatno omogoča hitrejšo inženirsko oceno mehanskega obnašanja materiala. Rezultati predstavljajo pomembno osnovo za optimizacijo geometrije BC elementov (zlasti poroznih struktur) ter so neposredno uporabljeni kot vhod v numerično modeliranje barokaloričnega regeneratorja v okviru DS4.

Cilj 4: Izvedba numerične analize različnih aktivnih BC regeneratorjev

Izvedene aktivnosti:

V okviru DS4 smo razvili numerični model aktivnega BC regeneratorja za dve konfiguraciji: z neposrednim in posrednim prenosom toplote. Model temelji na zakonu o ohranitvi energije ter vključuje diferencialne enačbe za BC material, prenosni medij in (pri posrednem prenosu) tudi ohišje regeneratorja. Tako omogoča opis toplotnega stanja in interakcije med posameznimi domenami. Model uporablja vhodne podatke iz DS2 (adiabatma sprememba temperature, entropija, histerezne izgube, specifična toplota) ter omogoča analizo vpliva materiala, medija, geometrije in obratovalnih pogojev. Zaradi zamika pri eksperimentalni karakterizaciji materialov (DS2) je optimizacija regeneratorja še v teku. Ker je bil za nadaljni razvoj izbran koncept z posrednim prenosom toplote, smo v Ansys Multiphysics razvili mehansko zasnovo ohišja regeneratorja, dimenzioniranega za tlake do 2 kbar, iz aluminijeve zlitine z dobro toplotno prevodnostjo in zadostno togostjo.

Rezultati:

Razvit je bil numerični model aktivnega BC regeneratorja, ki omogoča simulacijo cikličnega delovanja ter oceno ključnih zmogljivosti (moč, temperaturni razpon, COP). Zaradi zamud v DS2 je celovita optimizacija še v teku. Razvit in validiran je bil tudi konstrukcijski model ohišja, ki zagotavlja mehansko integriteto pri visokih tlakih ter ustrezne toplotne lastnosti.

Cilj 5: Načrtovanje, izdelava in preizkus aktivne BC regenerativne naprave

Izvedene aktivnosti:

V okviru DS5 smo zasnovali aktivno BC regenerativno napravo na podlagi rezultatov DS1–DS4. Prilagodili smo obstoječo eksperimentalno progo (za elastokalorične sisteme) z novim aktuatorjem, ki omogoča večje pomike. Razvili in izdelali smo prve prototipe ohišja regeneratorja, s poudarkom na mehanski trdnosti in toplotni prevodnosti. Zaradi zahtevnega tesnjenja pri visokih tlakih smo uporabili postopni pristop: rešitve smo najprej razvili in validirali na enostavnejši napravi v DS2. Zaradi zamud pri razvoju zanesljivega tesnjenja je izdelava celotnega regeneratorja še v teku; testiranje je predvideno v naslednjih mesecih.

Rezultati:

Razvita je bila celovita zasnova BC regenerativne naprave s posrednim prenosom toplote (preko ohišja), ki integrira rezultate DS1–DS4. Prilagojena eksperimentalna infrastruktura omogoča testiranje v relevantnih pogojih. Celovit regenerator še ni testiran zaradi tehničnih izzivov s tesnjenjem, vendar je sistem v zaključni fazi izdelave.

Zaključek in vpliv projekta

Večina zastavljenih ciljev projekta je bila uspešno doseženih, pri čemer rezultati presegajo začetna pričakovanja, zlasti na področju eksperimentalne validacije in razvoja inovativnih pogonskih rešitev. Cilja 4 in 5 sta še v fazi izvedbe z določenim časovnim zamikom, vendar so ključni znanstveni in inženirski temelji že vzpostavljeni, kar omogoča njuno uspešno dokončanje v naslednji fazi. Projekt COOLPRESS je bil od začetka zastavljen kot temeljni korak k razvoju nove generacije hladilnih tehnologij na osnovi BC efekta. Glede na kompleksnost in interdisciplinarnost področja je bil eden izmed strateških ciljev projekta tudi pozicioniranje raziskovalne skupine v mednarodnem prostoru ter priprava podlage za večje, dolgoročne raziskovalne projekte. Ta cilj je bil v celoti dosežen. Na podlagi prepričljivih rezultatov projekta COOL PRESS, ki smo jih aktivno diseminirali na vodilnih mednarodnih konferencah s področja kaloričnih tehnologij, smo bili povabljeni v mednarodni konzorcij, ki je pridobil financiranje v okviru programa EIC Pathfinder Challenge (Frostbit – Project of the First Regenerative sOlid-STate Barocaloric refrIgeraTor) v skupni vrednosti 4 milijone € (okoli 500.000 € za našo skupino). V tem projektu prevzemamo vodilno vlogo pri razvoju barokaloričnega regeneratorja na osnovi naprednih materiali s spinovim prehodom.

To jasno potrjuje, da so rezultati projekta COOLPRESS prepoznani kot vrhunski in strateško pomembni tudi v širšem evropskem raziskovalnem prostoru. Projekt tako ne predstavlja le uspešne realizacije zastavljenih ciljev, temveč tudi ključno izhodišče za nadaljnji razvoj tehnologije proti višjim stopnjam tehnološke zrelosti (TRL) ter potencialni industrijski implementaciji.