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

Kot je podrobneje opisano spodaj, delo na COOL PRESS projektu sledi v predlogu projekta zastavljenim ciljem, in sicer (na dan 2.4.2024):

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

Za dosego Cilja 1 smo v Delovnem sklopu (DS) 1 izvedli obsežen pregled in analizo različnih sistemov za ustvarjanje tlaka in mehanizmov obnavljanja tlačnega dela. Na osnovi tega smo določili dva najobetavnejša principa, ki smo ju podrobneje analizirali, in sicer oscilirajoči ojačevalec tlaka ter mehanski batni generator. Prvi temelji na tlačni črpalki in samodejno ojača sistemski tlak, kar omogoča višje izhodne tlaka in kompenzira primanjkljaj olja na visokotlačni strani. Teoretične analize takšnega sistema so pokazale, da imajo takšni sistemi v prvi vrsti relativno nizko učinkovitost (predvsem zaradi primarne tlačne črpalke) ter omejen pomik olja (pri želenem tlaku 2000 bar), kar na koncu omejuje učinkovitost ter absolutno moč BC naprave. Kot ustreznejši sistem za ustvarjanje tlaka in sočasno regeneracijo tlačnega dela se je izkazal sistem na osnovi mehanskega batnega generatorja. Razvili in testirali smo enostaven mehanski batni generator tlaka primeren za uporabo v trgalnem stroju, ki omogoča tlake do 4000 bar, in bo uporabljen v eksperimentalni postavitvi za neposredne meritve BCE (v DS2). Nadalje smo na osnovi analitičnega modela (v programskem okolju Mathematica) zasnovali inovativni pogonski sistem na osnovi odmične gredi ter ustreznega elektromotorja, ki omogoča učinkovito obremenjevanje več po obodu zloženih, fazno-zamaknjenih batni generatorjev, ki so nadalje vezani na BC elemente. Takšen sistem omogoča direktno regeneracijo tlačnega dela, saj se energija sproščena med manjšanjem tlaka enega BC elementa preko batnega sistema ter odmične gredi direktno prenese na sosednji BC element (ki je v tem trenutno v fazi večanja tlaka), kar zmanjša skupno vloženo delo celotnega sistema. Še več, izkazalo se je, da pravilno oblikovana odmična gred omogoča delovanje sistema s konstantnim navorom ter posledično konstantno močjo, kar je ključno za učinkovito delovanje elektromotorja. Takšen pogonski sistem je bil tudi izdelan ter mehansko testiran in bo nadalje uporabljen tudi v končnem prototipu BC naprave (v DS5). Patentna zaščita te rešitve je trenutno v pripravi. 

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

Z namenom dosege Cilja 2 smo v DS 2 zasnovali tri različne sisteme za namenjene neposrednemu merjenju BCE (tj. adiabatne spremembe temperature) ter mehanskega odziva (tlak – sprememba volumna) BC materiala. Prvi je temeljil na mehanskem batnem generatorju (razvit v DS1), kjer smo pomik ter nadalje spremembo volumna določili na osnovi pomika bata, tlak pa na osnovi izmerjene sile (ter poznane površine). Izkazalo se je, da zaradi izrazitega trenja v sistemu sistemski tlak določen na ta način podvržen preveliki merilni napaki. Drugi sistem je temeljil na tlačni črpalki kot generatorju tlaka, pri čemer je bila glavna omejitev dovolj točno merjenje volumske spremembe BC materiala. Na osnovi tega smo razvili in izdelali še tretji sistem, kot nadgradnjo prvega, ki ima integrirano tlačno komoro z medijem za prenos tlaka ter tlačnim merilnikom in tako (kor prvi na svetu) omogoča kompletno in natančno karakterizacijo BC materialov. Poseben poudarek pri zasnovah teh sistemov je bil namenjen izbiri in zasnovi tesnilnih elementov z želji po doseganju čim višjih tlakov. Začetni rezultati so izjemno obetavni, saj smo s takšnim sistemom uspeli generirati tlake do 6 kbar. Najprej smo v sklopu DS2 testirali BC material na osnovi silikonske gume (ki smo ga tudi sami izdelali). Pri tlačni spremembi 1,5 kbar, material izkazuje povračljive adiabatne spremembe temperature okoli 15 K, in kar 23 K pri spremembi tlaka 4 kbar, kar je med najvišjimi do danes izmerjenimi adiabatnimi spremembami temperature v BC materialih.   

Poleg tega smo v sklopu DS2 opravili podroben pregled obstoječih BC materialov. Na osnovi tega smo izbrali in pridobili tri po naši oceni trenutno najbolj zanimive BC materiale, ki bodo v naslednjih tednih tudi eksperimentalno ovrednoteni (poleg silikonske gume). To so hexadecane (n-alkan) in hydroxymethyl ethane ter bromoadamantane (plastični kristal). Članek, ki opisuje eksperimentalno progo in kompletno karakterizacijo BCE različnih materialov je trenutno že v pripravi.

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

Za dosego Cilja 3 so bili v DS 3 pregledani različni visko-hiperelastičen modeli namenjeni simuliranju volumskih sprememb BC materialov pod vplivom tlačnih sprememb. Zaenkrat se je kot najustreznejši izkazal splošni 3D visko-hiperelastični model, ki s pomočjo multiplikativne dekompozicije povezuje teorijo velikih deformacij modela viskoelastičnosti standardne linearne trdnine in deformacije gradiva zaradi trdninske fazne transformacije. Ker takšen model zahteva nekatere eksperimentalno določene vhodne podatke, smo v prvem delu DS 3 opravili eksperimentalno analizo materialnih lastnosti silikonske gume (izdelane v DS2) v geometriji epruvete, kjer smo pomerili lezenje in relaksacije napetosti ter strižni modul. Trenutno potekajo simulacije volumskih sprememb silikonske gume pri različnih temperaturah ter različnih tlakih. V zadnjem delu DS 3 bomo z razvitim modelom simulirali tudi mehanske odzive ostalih izbranih BC materialov (hexadecane, hydroxymethyl ethane ter bromoadamantane), a je pri tem potrebno te materiale v eksperimentalnem sistemu razvitem v DS2 najprej eksperimentalno ovrednotiti (tj., pridobiti vhodne podatke za visko-hiperelastični model), saj so tej materiali v obliki prahu, zato je njihova karakterizacija kompleksnejša. Tu je prišlo do rahle zamude, predvsem zaradi zamude pri izdelavi eksperimentalnega sistema za kompletno karakterizacijo BCE z zahtevano funkcionalnostjo (tretja izvedba kot je opisano pri opisu prvega cilja).

Cilj 4: Izvedba eksperimentalne in numerične analize različnih aktivnih BC regeneratorjev 

Cilj 4 je obravnavan v DS 4, kjer smo razvili nov model aktivnega barokaloričnega regeneratorja. Ker analiziramo dva različna tipa BC regeneratorja, in sicer regenerator s posrednim in neposrednim prenosom toplote je razvit model prilagojen obema rešitvama. V obeh primerih model temelji na zakonu o ohranitvi energije, a v primeru neposrednega prenos toplote zajema le diferencialni enačbi barokaloričnega materiala ter fluida za prenos toplote, v primeru posrednega prenosa toplote pa še diferencialno enačbo ohišja regeneratorja. Model opisuje toplotno stanje ter toplotno interakcijo med posameznimi domenami. Ker pa model temelji na vhodnih BC podatkih pridobljenih v DS2 in 3, analiz in optimizacij delovanja BC regeneratorja pri različnih pogojih še ne moremo izvajati (planirano za drugo polovico leta 2024). 

V sklopu DS 4 smo v programskem okolju Anysis Multiphisics razvili ohišje BC regeneratorja, ki lahko prenese 2 kbar tlaka ter je izdelan iz aluminijeve zlitine, ki ima veliko toplotno prevodnost in hkrati relativno veliko togost. Ohišje regeneratorja je trenutno v izdelavi in bo v drugem delu DS 4 tudi eksperimentalno testirano, tako iz vidika mehanskega odziva, kot iz vidika termo-hidravličnih lastnosti (eksperimentalna proga je že prilagojena testiranju BC regeneratorjev). Tekom projekta se je izkazala potreba po (časovni) zamenjavi naloge 4.1 in naloge 4.4, zato je bila najprej opravljena mehanska analiza in razvoj ohišja BC regeneratorja, karakterizacija njihovih termo-hidravličnih lastnosti pa bo opravljena v drugi polovici leta 2024.     

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

Cilj 5 bo obravnavan v sklopu DS 5, katerega predviden začetek je v drugi polovici leta 2024.