تحليل تجربي و عددي موتور حرارتي آلياژ حافظه دار قرقره اي

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي مكانيك

دكتري

بخش قابل توجه‌اي از انرژي حرارتي در منابعي نظير گرماي اتلافي تجهيزات صنعتي، انرژي زمين‌گرمايي و انرژي خورشيدي در سطوح دمايي پايين در دسترس است كه بهره‌برداري مؤثر از آن همچنان يكي از چالش‌هاي مهم حوزه برداشت انرژي محسوب مي‌شود. موتورهاي حرارتي مبتني بر آلياژهاي حافظه‌دار به دليل قابليت تبديل مستقيم انرژي حرارتي كم‌درجه به كار مكانيكي، از گزينه‌هاي مناسب در اين زمينه به شمار مي‌آيند. با وجود تحقيقات گسترده انجام‌شده، شناخت ناكافي از رفتار ترمومكانيكي اين موتورها و نبود معيارهاي مناسب براي ارزيابي عملكرد آن‌ها، توسعه و تجاري‌سازي اين فناوري را محدود كرده است. اين پژوهش با هدف ارزيابي تجربي و عددي موتور حرارتي قرقره‌اي به عنوان ساده‌ترين مدل موتورهاي حرارتي با استفاده از آلياژهاي حافظه¬دار بيان شده‌است. در اين مدل موتور حرارتي، سيم آلياژ حافظه‌دار با ورود به منبع گرم به‌طور همزمان دچار خمش شده و هر دو عامل تنش و تغييرات دما در ايجاد كرنش داخل سيم آلياژ حافظه‌دار نقش دارند. بنابراين، تحليل دقيق نقاط مختلف سيم در زمان‌هاي متفاوت يكي از اقدامات مؤثر در پيشبرد اهداف پژوهش بوده¬است. پس از استخراج مشخصه‌هاي سيم آلياژ حافظه‌دار، نمونه آزمايشگاهي از موتور حرارتي قرقره‌اي در ابعاد كوچك ساخته شده‌است و تاثير عواملي مانند، نسبت قطر قرقره‌ها، دماي منبع‌هاي سرد و گرم، فاصله قرقره‌ها، زاويه سيستم نسبت به افق و مقدار ورود سيم به داخل آب به عنوان منبع گرم بر روي سرعت زاويه¬اي بررسي شد. شرايط بهينه عملكرد براي دستيابي به بيشترين سرعت زاويه‌اي در دماي منبع حرارتي حدود 15 درجه سانتي‌گراد بالاتر از دماي پايان آستنيت سيم آلياژ حافظه‌دار به دست آمد كه با نتايج آزمون‌هاي خستگي انجام شده در اين پژوهش نيز همخواني داشت. همچنين، دماي بهينه محيط براي كارايي موتور، حدود 10 درجه سانتي‌گراد كمتر از دماي پايان مارتنزيت است. از ديگر شرايط مطلوب آزمايش‌شده مي‌توان به قرار گرفتن زاويه‌ي محور قرقره‌ها در بازه 60 تا 80 درجه و حداقل ميزان غوطه‌وري سيم برابر يا كمتر از 2 ميلي‌متر اشاره كرد. در نهايت، سرعت زاويه‌اي 684 دور بر دقيقه براي حالت بهينه موتور بررسي شده به صورت تجربي بدست آمد. در ادامه، با استخراج روابطي براي توان راه‌اندازي موتور حرارتي با درنظر گرفتن نتايج تجربي سرعت زاويه‌اي، مقدار چگالي توان و بازده موتور حرارتي به ترتيب برابر 4/55 وات بر كيلوگرم آلياژ حافظه‌دار و 73/4 درصد بدست آمد. سپس، با درنظر گرفتن نتايج حاصل از بخش تجربي، چارچوب اوليه‌اي براي طراحي و انتخاب موتور حرارتي آلياژ حافظه‌دار قرقره‌اي ارائه شد. همچنين با تصويربرداري حرارتي از موتور حرارتي ساخته شده امكان استخراج تخميني از سرعت زاويه‌اي با استفاده از روابط انتقال حرارت براي 4 دماي مختلف منبع گرم فراهم شد و با نتايج حاصل از نمونه آزمايشگاهي موتور حرارتي ساخته شده مقايسه گرديد. بيشترين مقدار سرعت زاويه‌اي حاصل از روابط تحليلي انتقال حرارت همانند آنچه در آزمون‌هاي تجربي بدست آمد در دماي منبع گرم 65 درجه سانتي‌گراد حاصل شد و مقدار آن برابر 739 دور بر دقيقه است. در ادامه، با بهره‌گيري از رابطه ساختاري آلياژهاي حافظه‌دار به همراه روابط تعادل و همچنين حل معادله انرژي به‌طور همزمان، امكان بررسي اثر متقابل تنش و دما در بارگذاري و باربرداري خمشي و همچنين اثر نرخ كرنش بالا بر رفتار ترمومكانيكي آلياژ حافظه‌دار فراهم شد. پس از استخراج معادله حاكم و بررسي صحت معادلات براي بارگذاري تك محوره و سه محوره، شبيه‌سازي براي مدل سه-بعدي از الماني از موتور حرارتي در نرم‌افزار آباكوس، مقدار سرعت زاويه‌اي بيشينه حاصل از نمونه آزمايشگاهي موتور حرارتي ساخته شده با استفاده از حل يك مسئله اجزا محدود معكوس با درنظر گرفتن مقدار نرخ كرنش و دماهاي استخراج شده از تصاوير حرارتي برابر با 617 دور بر دقيقه بدست آمد. شبيه‌سازي علاوه بر پيش‌بيني سرعت زاويه‌اي موتور، امكان بررسي روند تغيير فاز مارتنزيت به آستنيت و تحليل ارتباط ميان انتقال حرارت، تغيير فاز و عملكرد مكانيكي موتور را فراهم كرد و نتايج آن با داده‌هاي آزمايشگاهي مقايسه شد و ميزان 10 درصد خطا در نتايج گزارش شد. كلمات كليدي: موتور حرارتي، آلياژ حافظه‌دار، ترمومكانيك كاملاً جفت‌شده حرارتي_مكانيكي، سرعت زاويه‌اي، برداشت انرژي

237762

طراحي كاربردي

مهندسي مكانيك

دانشگاه صنعتي اصفهان