Projekti / Programi
Od elastokaloričnega efekta do učinkovite hladilne naprave
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.13.05 |
Tehnika |
Procesno strojništvo |
Kriogenika |
| Koda |
Veda |
Področje |
| T200 |
Tehnološke vede |
Termično inženirstvo, uporabna termodinamika |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.03 |
Tehniške in tehnološke vede |
Mehanika |
elastokalorični efekt, hlajenje, materiali z oblikovnim spominom, superelastičnost, prenos toplote
Raziskovalci (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Ime in priimek |
Razisk. področje |
Vloga |
Obdobje |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
29624 |
dr. Jaka Tušek |
Procesno strojništvo |
Vodja |
2016 - 2018 |
152 |
Organizacije (1)
Povzetek
Namen projekta je pridobiti temeljno razumevanje elastokaloričnega efekta (ECE) za aplikacijo v hladilni napravi s končnim ciljem izdelati in testirati prvo konceptualno elastokalorično hladilno napravo na svetu.
ECE je fenomen napetostno-inducirane martenzitne transformacije v materialih z oblikovnim spominom, pri čemer pride do pozitivne in negativne temperaturne spremembe v materialu pod vplivom izmenične mehanske napetosti oziroma povračljive deformacije v materialu. V zadnjem času je ECE pritegnil precej pozornosti zaradi velikih adiabatnih sprememb temperature in potencialno velikih hladilnih moči ter učinkovitosti takšnega krožnega procesa. Kljub temu pa konceptualna hladilna naprava na osnovi ECE še ni bila testirana, kar je glavni cilj predlaganega projekta.
Projekt je sestavljen iz petih Delovnih Sklopov (DS). V prvi fazi projekta (DS 1) bomo na osnovi izmerjenih lastnosti materialov in unikatnega teoretičnega modela definirali osnovne termodinamične diagrame najzanimivejših elastokaloričnih materialov (ECM) potrebne za nadaljnje modeliranje.
Druga faza projekta (DS 2) vsebuje obsežno numerično modeliranje elastokalorične hladilne naprave, in sicer mehansko napetostno-deformacijsko modeliranje sočasno s termodinamičnim modeliranjem. Cilj je namreč definirati najprimernejši razvojni koncept elastokalorične hladilne naprave, najprimernejšo geometrijo ECM in podporno strukturo za dinamično mehansko obremenitev ter optimalne pripadajoče obratovalne pogoje tako iz mehanskega kot termodinamičnega vidika. Analizirali bomo dva razvojna koncepta. Prvi koncept temelji na principu aktivne regeneracije, česar osnova je porozni ECM preko katerega se prečrpava fluid za prenos toplote. Drugi koncept je manjša eno-stopenjska hladilna naprava, ki temelji na kontaktnem prenosu toplote ter omogoča miniaturizacijo. Glavni cilj mehanskega modeliranja je zmanjšati napetosti v strukturi iz ECM ter poiskati optimalen način obremenitve in tehnike vpetja v podporno strukturo v želji po povečanju odpornosti proti utrujanju pri dinamičnih obremenitvah. Na drugi strani je glavni cilj termodinamičnega modeliranja analizirati hladilne karakteristike posameznih ECM v različnih geometrijah in določiti optimalne pripadajoče obratovalne pogoje, kot so obratovalne frekvenca, deformacija, izveden termodinamični krožni proces, itd.
Na osnovi razvojnega koncepta, ki se bo tekom numeričnega modeliranja izkazal kot najprimernejši, bomo v DS 3 zasnovali in izdelali konceptualni prototip elastokalorične hladilne naprave. Poseben poudarek bo na izbiri učinkovitega sistema za zagotavljanje mehanskih obremenitev, ki bo omogočal tudi učinkovito uporabo energije (dela) sproščene pri razbremenitvi ECM.
Hladilne karakteristike izdelane elastokalorične hladilne naprave, kot so temperaturni razpon med toplotnim ponorom in toplotnim virom, hladilna moč in COP (učinkovitost), bodo izmerjene pri različnih obratovalnih pogojih v DS 4. S tem bomo ovrednotili tudi razviti mehanski in termodinamični model elastokalorične hladilne naprave.
Razvoj prve elastokalorične hladilne naprave na svetu bi predstavlja preboj na številnih raziskovalnih področjih in odprl vrata za nadaljnje raziskave in razvoj. Pričakujemo, da bo projekt kot prvi potrdil ugotovitve poročila US Department of Energy o alternativnih hladilnih tehnologijah iz leta 2014, ki predstavlja ECE kot alternativno hladilno tehnologijo z največjim potencialom v prihodnosti. To je lahko velika priložnost za nadaljnje sodelovanje z našimi industrijskimi partnerji in drugimi, ki delujejo na različnih področjih hlajenja, klimatizacije in toplotnih črpalk.
Pomen za razvoj znanosti
Tekom projekta smo pridobili boljše razumevanje temeljnih termodinamičnih procesov elastokaloričnega hladilnega procesa, potencial ter prednosti te tehnologije in njene omejitve. Da gre za tehnologijo z velikim potencialom potrjujejo dosedanje raziskave, kot tudi poročilo US Department of Energy o alternativnih hladilnih tehnologijah iz leta 2014. Med vsemi ne-kompresorskimi tehnologijami hlajenja je namreč omenjeno poročilo izpostavilo ECE kot tehnologijo z največjim potencialom v prihodnosti. Kot glavni rezultat projekta je potrebno izpostaviti, da nam je kot prvim na svetu uspelo tudi eksperimentalno dokazati ogromen potencial elastokalorične tehnologije hlajenja. Zasnovali, izdelali in testirali smo namreč prvo (v svetovnem merilu) regenerativno elastokalorično napravo, s katero smo dosegli izjemne hladilne (toplotne) karakteristike, ki bistveno presegajo karakteristike ostalih do sedaj izdelanih elastokaloričnih naprav, kot tudi veliko večino izdelanih naprav na osnovi drugih kaloričnih kaloričnih (predvsem magnetno hlajenje). Rezultati tega dela so bili objavljeni v prestižni reviji Nature Energy. S tem pionirskim delom smo odprli vrata nadaljnjemu razvoju elastokalorične tehnologije hlajenja in toplotnih črpalk, ki s tem postaja eno najbolj aktualnih znanstvenih področji na svetu.
Pomen za razvoj Slovenije
Projekt je omogočil neposreden prenos znanja in »knowhowa « pridobljenega v tujini v Slovenijo; sprva v akademsko okolje v nadaljevanju pa tudi v slovensko industrijo in podjetja. Vodja projekta (podoktorant) je namreč pred tem osnovna znanja na področju elastokaloričnega učinka pridobival na Danski Tehnični Univerzi, za kar je v letu 2013 pridobil prestižno H.C. Orsted podoktorsko štipendijo. Z razvojem prve regenerativne elastokalorične naprave na svetu smo v sklopu projekta odprli nove možnosti za nadaljnji razvoj slovenske znanosti na področju alternativnih tehnologij hlajenja, hkrati pa to predstavlja enkratno priložnost za številna slovenska podjetja, ki delajo na področju hlajenja, klimatizacije in toplotnih črpalk in že kažejo veliko zanimanje za razvoj te tehnologije. Ocenjuje se, da je trenutna vrednost trga na področju hlajenja, klimatizacije in toplotnih črpalk okoli 100 milijard ameriških dolarjev, pri čemer veliko večino predstavljajo parno-kompresorski hladilniki. V prihodnosti bi lahko del tega velikega trga zamenjale tudi elastokalorične hladilne naprave. Zaradi vedno hitrejšega razvoja ter vedno močnejših elektronskih komponent, globalne potrebe po hlajenju ter potrebe po novih metodah hlajenja vztrajno rastejo. Potreba po alternativnih načinih hlajenja izhaja iz mednarodnih predpisov, ki delno že omejujejo uporabo relativno nizko učinkovite in okolju škodljive parno-kompresorske tehnologije hlajenja. Nova, napredna, učinkovitejša in okolju prijazna hladilna tehnologija je tako lahko velika priložnost za številna podjetja v različnih panogah. Poleg različnih hladilnih aplikacij, klimatizacije in toplotnih črpalk so tehnologije in aplikacije, kjer bi elastokalorično hlajenje bilo posebej uporabno: transportno hlajenje, električna vozila, gospodinjski aparati ter mikrohlajenje in hlajenje elektronskih komponent.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
