معرفي، شبيه سازي و بررسي تجربي عملكرد يك خنك كننده حالت جامد بر اساس خمش آلياژهاي حافظه دار

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي مكانيك

دكتري

در سال‌‌هاي اخير، وسايل خنك‌‌كننده حالت جامد بر پايه آلياژهاي حافظه‌‌دار، به واسطه ي ويژگي‌‌هاي اميدبخش خود چون ضريب عملكرد بالا، هزينه كم، سازگاري با محيط ‌‌زيست، گرماي نهان و تغيير دماي بي‌‌درروي قابل ملاحظه، علاقه بسياري از محققان را به خود جلب كرده‌‌اند. بر همين اساس، اين دسته از خنك كننده ها به‌‌تدريج به عنوان جايگزيني براي وسايل خنك‌‌كننده تراكم-پايه مطرح شده اند. البته، هنوز چالش‌‌هاي حل نشده‌‌اي براي تجاري‌‌سازي اين تكنولوژي همچون عمر خستگي و اختلاف دماي محدود وجود دارد. علاوه بر اين، چنين دستگاه‌‌هايي بيشتر بر اساس بارگذاري محوري آلياژهاي حافظه‌‌دار طراحي و ساخته شده‌‌اند و همين باعث مي‌‌شود عملگرهاي هيدروليكي يا مكانيكي پرتوان، نياز اساسي اين‌‌گونه از وسايل باشد. در اين رساله، به منظور حل چالش اخير، وسيله‌‌ خنك‌‌كننده‌‌اي بر اساس بارگذاري خمشي آلياژهاي حافظه‌‌دار معرفي و ساخته‌‌ شده است. در اولين مرحله، ورق‌‌هاي نيكل-تيتانيومي با انجام عمليات حرارتي و مكانيكي، آماده شده و از آن‌‌ها در آزمون‌‌هاي كشش ساده و خمش چهار نقطه‌‌اي تحت شرايط شبه‌‌استاتيك و بي‌‌دررو استفاده شده است. پس از آن، از تجهيز خمش چهار نقطه‌‌اي براي ساخت خنك‌‌كننده حالت‌جامد استفاده شده و با ساخت دو حمايت‌‌كننده براي منبع گرم و سرد و نصب اجزا بر روي تجهيز خمش چهار نقطه‌‌اي، نشان داده شده است كه مي‌‌توان گرماي توليد و جذب ‌شده توسط خمش آلياژ حافظه‌‌دار را براي ايجاد اختلاف دما بين دو منبع سرد و گرم استفاده كرد. علاوه بر ارزيابي پاسخ دمايي خنك‌‌كننده، تأثير پارامترهاي مختلف دخيل در آن همچون ميزان تأخير بين بارگذاري و باربرداري، سرعت اعمال/حذف بار و دماي محيط نيز بررسي و مقادير مناسب هر يك از اين كميت ها براي دستيابي به عملكرد بهتر در دستگاهِ ساخته شده، گزارش شده است. در نتايج تجربي مشاهده مي‌‌شود كه افزايش دماي محيط اگرچه تاثير مثبتي بر روي پاسخ الاستوكالريك نمونه دارد، به دليل افزايش ضريب انتقال حرارت جابجايي، اثر معكوسي بر روي پاسخ خنك‌‌كننده درپي دارد. نتايج تجربي همچنين حاكي از آن است كه خنك‌‌كننده‌‌ي ساخته‌‌شده قادر به ايجاد اختلاف دماي 4/8 درجه سانتي‌‌گرادي بين دو منبع گرم و سرد و ايجاد افت دماي منبع سرد به مقدار 1/3 درجه سانتي‌‌گراد در چرخه پايدار شده ي‌‌ خود است؛ قابل ذكر است ميزان كاهش دما در منبع سرد براي چرخه‌‌هاي ابتدايي به مقدار 8/4 سانتي‌‌گراد نيز قابل دستيابي است كه اين مقدار، نشان از افزايش 160 درصدي نسبت به پژوهش مشابه خود در زمينه خمش دارد. همچنين، با قياس خمش چهار نقطه‌‌اي با كشش ساده مي‌‌توان به كاهش 83 درصدي نيرو در خمش چهار نقطه‌‌اي پي برد كه اين مهم، قدمي پيش‌‌برنده در راستاي حذف نياز اين نوع از خنك‌‌كننده‌‌ها به عملگرهاي هيدروليكي است. علاوه بر اين، مي‌‌توان از ايده‌‌ي استفاده از تاخير زماني در چرخه‌‌ي اول خنك‌‌كننده با هدف افزايش مقدار افت دما، به عنوان يكي ديگر از يافته‌‌هاي رساله ي حاضر نام برد. با ارائه ي يك رويكرد غير مستقيم براي استخراج ثوابت فشاري ماده با استفاده از نتايج آزمايشگاهي آزمون خمش، از يك مدل سه‌بعدي نامتقارن براي پاسخ كشش-فشار آلياژهاي حافظه‌‌دار استفاده شده و پارامترهاي مادي كشش و فشار نمونه‌‌، استخراج و به‌واسطه‌ي پاسخ نيرو-جابجايي صحت‌‌سنجي شده‌‌اند. پاسخ ترمومكانيكي نمونه‌‌ها تحت كشش ساده، خمش چهار نقطه‌‌اي و همچنين پاسخ ترمومكانيكي خنك‌‌كننده در 10 چرخه شبيه‌‌سازي شده و با خروجي‌‌هاي حاصل از آزمون تجربي مقايسه شده است و نشان از تطابق بسيار خوب نتايج با واقعيت دارد. مدل سه بعدي ترمومكانيكي استفاده شده به همراه شبيه‌‌سازي‌‌هاي المان محدود ارائه شده را مي‌‌توان براي مطالعه، طراحي و بهبود عملكرد انواع مختلف خنك‌‌كننده‌‌ها/پمپ‌‌هاي حرارتي حالت جامد استفاده كرد. محاسبات ارزيابي عملكرد الاستوكالريك نمونه نشان مي‌‌دهد نمونه ي آماده سازي شده تحت بارگذاري كشش ساده و خمش، به ترتيب ضريب عملكرد 4/22 و 1/11 دارد، كه اين مقادير، در اين زمينه براي چنين بارگذاري‌‌هايي بدون حضور منبع گرم و سرد، مقادير بزرگي محسوب مي‌‌شوند. پس از بررسي عملكرد خنك‌‌كننده ي ساخته شده، نشان داده شده است كه ضريب عملكرد دستگاه به عنوان پمپ حرارتي و خنك كننده، به ترتيب برابر 9/2 و 1 است و با ايجاد تغييراتي مي توان ضريب عملكرد پمپ حرارتي را تا 2/4 افزايش داد.

224441

طراحي كاربردي

مهندسي مكانيك

دانشگاه صنعتي اصفهان