Raziskovalni projekti so (so)financirani s strani Javne agencije za raziskovalno dejavnost
- Članica UL: UL Fakulteta za strojništvo
- Šifra projekta: L7-7580
- Naslov: Napredna elektrokalorična pretvorba energij
- Trajanje: 01.03.2016 – 28.02.2019
- Letni obseg: 1,63 FTE
- Vodja: prof. dr. Andrej Kitanovski
- Veda: Interdisciplinarne raziskave
- Sodelujoče RO: Povezava
- Sestava projektne skupine: Povezava
- Bibliografske reference: Povezava
Vsebinski opis projekta
Globalne potrebe po hlajenju in klimatizaciji se iz leta v leto povečujejo. Približno 20 % energije porabimo za delovanje različnih hladilnih ter klimatizacijskih naprav. Večina tehnologij hlajenja še vedno temelji na parno-kompresijski tehnologiji, kjer uporabljamo plinasta hladiva. Ta tehnologija izkazuje nizke eksergijske izkoristke (20 % za majhne ter do 60 % za velike sisteme) ter uporablja naravi škodljiva hladiva, ki se, zaradi direktiv Kjotskega protokola, izločajo iz uporabe. Zato se pojavljajo težnje po iskanju alternativnih hladilnih tehnologij. Ena izmed alternativ je elektrokalorično hlajenje. Elektrokalorično hlajenje temelji na elektrokaloričnih materialih, katerih lastnost je, da se segrevajo oz. ohlajajo pod vplivom spremembe električnega polja. Elektrokalorične hladilne naprave imajo potencial za doseganje višjih eksergijskih izkoristkov kot konvencionalne hladilne naprave in za svoje delovanje ne potrebujejo okolju škodljivih delovnih hladiv. Poleg tega je elektrokalrične hladilne naprave možno miniaturizirati, njihovo delovanje pa povzroča nizko stopnjo hrupa in vibracij.
Glavni cilj projekta je zasnovati ter numerično in eksperimentalno vericficirati ter optimizirati prvo elektrokalorično hladilno napravo na svetu, s hladilno močjo 50 W. Naprava bo predstavljala aplikacijo za majhne hladilnike s prednostjo pred ekvivalentnimi kompresorskimi in sorpcijskimi hladilniki. To bo predvsem višja energijska učinkovitost in okolju prijazno in tiho delovanje brez vibracij. Odločitev za zasnovo majhnega hladilnika izhaja iz dejstva, da klasični majhni hotelski hladilniki delujejo z izredno nizkimi izkoristki. Takšni hladilniki temeljijo predvsem na sorpcijski tehnologiji, ki za potrebe delovanja izkorišča toploto, ki je v primeru hotelov zagotovljena z električno energijo. Kljub dejstvu, da za takšne potrebe obstajajo tudi kompresorski hladilniki, je potrebno poudariti njihove nizke energijske izkoristke, hrupno delovanje in uporabo plinastih hladiv, ki prispevajo k globalnemu segrevanju.
Faze projekta in njihova realizacija
Projekt je bil zasnovan okoli štirih vertikalnih in dveh horizontalnih delovnih sklopov (DS) ter pripadajočih ciljev oziroma nalog, ki so podrobneje opisane v nadaljevanju.
DS1: Karakterizacija in osnovni konstrukcijski koncepti elektrokaloričnega regeneratorja
C1.1.: Karakterizacija in izbira najbolj primernega elektrokaloričnega materiala za prototipno napravo
Narejena je bila obsežna eksperimentalna in teoretična analiza različnih elektrokaloričnih materialov. Poudarek je bil na debelo slojnih keramičnih materialih ter tanko slojnih večplastnih keramičnih materialih, ki trenutno kažejo največji potencial za uporabo v elektrokalorični hladilni napravi večjih moči. Glavni cilj karakterizacije elektrokaloričnih materialov je bila evalvacija njihovih elektrokaloričnih lastnosti, kar je ključno za nadaljnje modeliranje elektrokalorične hladilne naprave. Del teh raziskav je bil objavljen v [1].
C1.2: Razviti numerični program za vrednotenje in optimizacijo karakteristik elektrokaloričnih regeneratorjev
C1.3: Izbrati najprimernejši delovni fluid in termodinamični cikel
C1.4: Izbrati optimalno konfiguracijo elektrokaloričnega regeneratorja
C1.5: Definirati optimalne obratovalne parametre
Razvit je bil nov, dvo-dimenzionalen in časovno odvisen numerični program za simulacijo in optimizacijo delovanja elektrokaloričnega regeneratorja (kot osnove elektrokalorične hladilne naprave). Z uporabo razvitega modela je bila opravljena obsežna numerična optimizacija geometrije regeneratorja, različnih elektrokaloričnih materialov, različnih obratovalnih pogojev, različnih delovnih fluidov in različnih termodinamičnih ciklov ter vpliv regeneracije energije sproščene pri depolarizaciji [2]. Tu določeni optimalni obratovalni parametri so bili temelj za zasnovo eksperimentalne naprave v DS2. Nadalje je bil razvit numerični program v Fluentu, ki omogoča primerjavo različnih geometrij elektrokaloričnih regeneratorjev iz vidika njihovih termo-hidravličnih lastnosti. Na osnovi tega smo določili optimalno obliko elektrokaloričnega regeneratorja (izmenično postavljene preforirane ploščice), ki bo uporabljena v tretji generaciji regenerativne elektrokalorične hladilne naprave.
V zadnjem delu projekta je bil poudarek tudi na eno-stopenjski hladilni napravi na osnovi elektrokaloričnega učinka z namenom njihove analize za uporabo za hlajenje elektronskih komponent, ki v zadnjem letu kaže izjemen potencial za praktično uporaba elektrokaloričnega učinka. Razvit je bil nov, eno-dimenzionalen in časovno odvisen model za popis delovanja in optimizacijo miniaturne eno-stopenske hladilne naprave. S tem smo definirali specifične hladilne moči takšnega sistema ter njihov potencial in omejitve. Izkazalo se je, da lahko miniaturni elektrokalorični hladilnik uspešno odvaja specifične hladilne moči do 0.1 W/cm2 s COP-jem nad 5 [3]. To pomeni, da lahko elektrokalorični miniaturni hladilni sistem deluje bistveno bolj učinkovito od obstoječih miniaturnih hladilnih sistemov (Peltierov element), a le za manjše hladilne moči.
C1.6: Izbira najprimernejše metode procesiranja in koncepta elektrokaloričnih regeneratorjev
Tekom projekta so bili analizirani različni koncepti elektrokaloričnega regeneratorja z različnimi elektrokaloričnimi materiali, od debeloslojne volumske keramike, večplastne tankoslojne keramike ter vse do polimernih materialov. Ker trenutno največji potencial kaže večplastni keramični material je bil glavni poudarek na procesiranju in izdelavi takšnih materialov. Razvili smo metodo za izdelavo večplastnih tankoslojnih elektrokaloričnih elementov na osnovi Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 (PMN) prahu, ki je bil pripravljen z mehansko-kemično sintezo iz sestavnih oksidov (PbO 99,9%, MgO 99,95%, TiO2 99,8%, in Nb205 99,9%) z mletjem v planetarnem mlinu pri 300 rpm (90 ur). Prah je bil nato skupaj z organskimi dodatki, ki imajo funkcijo veziva zmešan in ulit v tanke trakove. Na trakove so bile nato natisnjene elektrode iz platine, ki so bile nadalje zložene in laminirane v večplastne elemente. Le-ti so bili nato sintrani v dvostopenjskem ogrevalnem postopku, ki je vključeval izgorevanje organske faze pri 450 ° C (5 ur) in sintranje pri 1000 ° C (2 uri). Nadalje je bila razvita metoda za izdelavo preforiranih (luknjanih) večplastnih tankoslojnih elementov [1].
DS2: Izdelava elektrokaloričnega hladilnika
C2.1: Procesiran elektrokalorični regenerator s pripadajočo tehnično dokumentacijo
Na osnovi obseže eksperimentalne in numerične analize v DS1 je bil v prvi fazi kot elektrokalorični material izbrana debeloslojna volumska keramika ([Pb(Mg1/3Nb2/3)O3]0.9[PbTiO3]0.1 (PMN-10PT)) zložena v ploščni elektrokalorični regenerator. Sicer je bilo v DS1 prikazano, da boljši elektrokalorični odziv ter boljše termo-hidravlične lastnosti dobimo z večplastno tankoslojno keramiko zloženo v preforiran elektrokalorični regenerator (kar je popolna novost na področju elektrokaloričnega hlajenja), a takšen material v fazi zasnove prototipa še ni bil dostopen.
C2.2.: Izdelan generator električnega polja z elektronsko opremo za regeneracijo s pripadajočo tehnično dokumentacijo
Zasnovana in izdelana je bila nova elektronska oprema za polarizacijo elektrokaloričnih materialov, ki je uporabna tako za pogona elektrokalorične hladilne naprave, ter v nadaljevanju projekta tudi za analizo elektrokaloričnega učinka in življenjske dobe posameznega elektrokaloričnega materiala. Sistem temelji na uporabi visokonapetostnega ojačevalnika, ki je krmiljen preko merilnih kartic in osebnega računalnika. Takšen sistem omogoča spreminjanje napetosti v območju med 0 in 2000 V. Merjenje toka preko vzorca se izvaja z metodo shunt upora, ki omogoča pretvorbo med tokom in napetostjo, kar je ključno za merjenje tako nizkih električnih tokov. Celoten sistem omogoča tudi nadgradnjo s sistemom z regeneracijo električne energije, ki se sprošča pri depolarizaciji, kar je bilo analizirano numerično in delno razvito, a to v tej fazi še ni bilo implementirano na področje elektrokalorike. Ker je regeneracija energije pri depolarizaciji analogna regeneraciji energije pri demagnetizaciji pri magnetnem hladilniku smo zaradi boljšega razumevanja regeneracijo energije najprej testirali na magnetnem hladilniku z uporabo elektromagneta. Dokazali smo, da je možno regenerirati do 95% energije [4], kar je zelo obetajoče za nadaljnji razvoj elektrokaloričnega hlajenja. Koncept regeneracije energije pri demagnetizaciji bo v prihodnosti implementiran tudi v razvit elektrokalorični hladilnik (oziroma v sistem, ki zagotavlja polarizacijo in depolarizacijo elektrokaloričnega materiala)
C2.3: Izdelan črpalni sistem za elektrokalorični hladilnik s pripadajočo dokumentacijo
Opravljena je bila analiza črpalnega sistema s silikonskim oljem kot tekočino za prenos toplote (kot rezultat numerične analize). V prvi izvedbi prototipa je bila tako uporabljena peristaltična črpalka. Nadaljnje eksperimentalne analize so sicer pokazale, da bi se kot ustreznejša izkazala batna črpalka, saj zagotavlja bolj homogen tok tekočine.
C2.4.: Izdelani prenosniki toplote s pripadajočo tehnično dokumentacijo
V prvi fazi je bil prototip elektrokalorične hladilne naprave namenjen testiranju. V ta namen smo namesto hladnega zunanjega prenosnika toplote uporabili električni grelnik, s katerim lahko z visoko natančnostjo določimo generirano hladilno moč naprave, medtem ko smo kot topli zunanji prenosnik toplote uporabili termostatizirano kopel, ki vzdržuje konstantno temperaturo tople strani naprave.
C2.5.: Izdelano ohišje elektrokalorične naprave s pripadajočo tehnično dokumentacijo
C2.6.: Izdelan elektrokalorični hladilnik s pripadajočo tehnično dokumentacijo
Vse komponente prototipne naprave so bile združene v delujoč regenerativni elektrokalorični hladilnik [2].
DS3: Eksperimentalna verifikacija in optimizacija
C3.1.: Postaviti eksperimentalno progo in testirati elektrokalorični hladilnik
Razvit je bil ustrezen program v LabView-ju za krmiljenje in meritve na izdelanem prototipu. Na osnovi numerične analize v DS1 smo definirali obratovalne pogoje pri katerih bomo prototip testirali.
C3.2.: Verificirati delovne karakteristike elektrokaloričnega hladilnika
C3.3.: Optimizirati delovne karakteristike elektrokaloričnega hladilnika
C3.4.: Razviti krmilni algoritem za optimalno delovanje elektrokaloričnega hladilnika
Prototip elektrokalorične hladilne naprave je bil testiran pri različnih obratovalnih pogojih (masni pretok delovne tekočine, hladilna moč, električno polje). Največji temperaturni razpon med toplo in hladno stranjo sistema je bil 3.5 K, največja hladilna moč pa 16 W na kg elektrokaloričnega materiala, in sicer pri 57 kV/cm spremembe električnega polja [2]. Višja električna polja žal niso bila možna, saj so zaradi togega vpetja elektrokalorične ploščice začele pokati (problem elektrostrikcije), in sicer že pri električnih poljih bistveno nižjih, kot so zdržale posamezne ploščice, kar je bistveno poslabšalo hladilne karakteristike naprave. V nadaljevanju smo se torej osredotočili na obsežno eksperimentalno analizo življenjske dobe elektrokaloričnih materialov, ko so le-ti podvrženi različnemu vpetju v elektrokaloričnem regeneratorju, kar je ključno za izboljšanje hladilnih karakteristik elektrokalorične naprave in dosego zastavljenih ciljev znotraj projekta.
Na osnovi eksperimentalnih rezultatov je bila opravljena validacija numeričnega programa. Kot je bilo pričakovati numerični rezultati nekoliko pre-napovejo delovanje prototipa, vendar so trendi odvisnosti poponoma enaki. Naknadno je bil v numerični model vključen tudi vpliv toplotnih izgub na okolico, kar numerične rezultate precej približa eksperimentalnim [2].
DS4: Demonstracija pri realnih in virtualnih pogojih
C4: Demonstracija prototipa elektrokaloričnega hladilnika za hotelski “mini-bar”
Zaradi nepričakovanih poškodb elektrokaloričnih materialov uporabljenih v prototipni napravi, smo se namesto demonstracije delovanja hladilne naprave osredotočili na analizo življenjske dobe elektrokaloričnih materialov. V zadnjem delu projekta smo tako izvedli obsežno analizo funkcionalnega in strukturnega utrujanja elektrokalorične debeloslojne ter večplastne tanskoslojne PMN keramike v posebej za ta namen razviti merilni celici [1], [5]. Ocenjuje se, da bo moral biti elektrokalorični material, uporabljen v hladilni napravi, podvržen več milijonom obremenitvam (z električnim poljem) brez poškodb ali bistvenega poslabšanja delovanja. Izkazalo se je, da tako debeloslojni kot tankoslojni material dosega izjemno stabilnost. Življenjsko dobo (strukturno utrujanje) smo testirali na 10 enakih prosto vpetih debeloslojnih vzorcih pri obratovalni frekvenci 10 Hz in pri električnem polju 90 kV/cm. Štirje med njimi so se po škodovali že pri prvi obremenitvi z električnim poljem, kar nakazuje na napako v materialu, medtem ko so ostali primerno pripravljeni vzorci zdržali preko milijon ciklov obremenitve brez vidnih poškodb [5].
DS5: Diseminacija rezultatov
C5.1: Povečati ozaveščenost javnosti glede nove tehnologije elektrokaloričnega hlajenja
C5.2: Razširjati rezultate projekta široki znanstveni sferi
C5.3: Prenos znanja in tehnologije
Rezultati projekta so bili (oziroma bodo) objavljeni 5 znanstvenih člankih v priznanih mednarodnih revijah ter številnih prispevkov na mednarodnih znanstvenih konferencah.
Poleg tega so bili rezultati projekta posredovani študentom Fakultete za strojništvo (nekateri so na projektu tudi aktivno sodelovali).
[1] L Furlanovič et al. Journal of the European Ceramic Society, 37 (2017) 599–603. COBISS.SI-ID 30569511
[2] U. Plaznik et. al. Int. J. Refrig. 98 (2019) 139-149.COBISS.SI-ID 31863079
[3] J. Tušek et al: Caloric micro-cooling; In preperation (2019)
[4] K. Klinar et al. Applied Energy 236 (2019) 1062–1077. COBISS.SI-ID 16410139
[5] M.G. Del Duca et al.: Electrocaloric fatigue behaviour and durability limits in bulk [Pb(Mg1/3Nb2/3)O3]0.9[PbTiO3]0.1 relaxor ceramics. Submitted to Acta Materialia (2019)