Projekti / Programi
Digitalna mikrofluidika v magnetokaloričnem hlajenju
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.13.00 |
Tehnika |
Procesno strojništvo |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| T200 |
Tehnološke vede |
Termično inženirstvo, uporabna termodinamika |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.03 |
Tehniške in tehnološke vede |
Mehanika |
magnetocalorično, digitalna mikrofluidika, magnetno hlajenje, toplotna stikala, elektroomočenje
Raziskovalci (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Ime in priimek |
Razisk. področje |
Vloga |
Obdobje |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
34418 |
dr. Urban Tomc |
Procesno strojništvo |
Vodja |
2018 - 2020 |
93 |
Organizacije (1)
Povzetek
Namen projekta je pridobiti osnovno razumevanje o dinamičnem toplotnem delovanju dveh različnih fizikalnih efektov/principov, združenih skupaj, za aplikacijo v kompaktni magnetokalorični napravi. Kot prvi bomo združili magnetokalorični material (MCM), posledično magnetokalorični efekt (MCE), z metodo elektroomočenja na dielektriku (EWOD). Skupno delovanje MCE-ja in EWOD-a bo omogočilo formiranje unikatnega principa magnetnega hladilnega procesa. Hitra manipulacija in premikanje majhnih volumnov kapljic, kot tekočine za prenos toplote, preko magnetokaloričnega materiala (namesto kontinuiranega toka tekočine) bi lahko vodilo do znatnega zmanjšanja mase MCM-ja, kar bi posledično pripeljalo do bolj kompaktnejše magnetne hladilne naprave. Kapljevinaste kapljice bi v tem primeru delovale kot t.i. toplotna stikala, kjer bi npr. kapljica absorbirala toploto z določene lokacije na MKM-ju in jo s hitrim in kontroliranim premikom oddala na drugi lokaciji MKM-ja ali v ponor toplote.
Na osnovi numeričnega modeliranja bomo določili najbolj učinkovit termodinamičen cikel skupnega delovanja MCE-ja ter premikanja kapljic (EWOD). Posebno pozornost bomo namenili geometrijskim in električnim vplivom, tako MKM-ja (ploščice) kot premikajočim se kapljicam, na obratovalne karakteristike. Poleg tega bomo, glede na elektrohidrodinamično ter termodinamično modeliranje sklopljenega sistema MCM in EWOD, lahko določili tudi optimalno geometrijo samih elektrod in dielektrika (debelina in površina) za učinkovito delovanje EWOD-a. Poleg tega pa bomo razvili tudi poseben krmilnik za uspešno aktuiranje kapljic glede na rezultate simulacij.
Na podlagi teh rezultatov bo razvit in narejen prvi eksperimentalni preizkus potrditve principa hlajenja, ki bo temeljil na sklopitvi magnetokaloričnega materiala z EWOD toplotnimi stikali. To predstavlja velik potencial za nadaljnje raziskave na področju magnetnega hlajenja, ki bodo v prihodnosti lahko končno vodile v realizacijo izredno kompaktnih, visoko učinkovitih in okolju neškodljivih tehnologij hlajenja.
Projekt je razdeljen na 5 delovnih sklopov (DS). V prvi fazi projekta (DS 1) bodo, na podlagi podatkov iz literature in iz lastnih raziskav, definirane vse geometrijske, tekočinske in električne lastnosti potrebne za izdelavo EWOD platforme. Pridobljeno znanje v tem DS bo bistvenega pomena za kasnejše modeliranje elektrohidrodinamike kapljic. V drugem sklopu projekta (DS 2) bo narejen numerični model sklopljenega magnetokaloričnega materiala z EWOD toplotnimi stikali. Modeliranje elektrohidrodinamike bo najprej opravljeno ločeno. Cilj je definirati optimalno geometrijo EWOD platforme, npr. določiti velikost kapljic in velikost elektrod, s čimer bomo zagotovili dovolj hitro gibanje kapljic. Elektrohidrodinamski model bo nato toplotno sklopljen z magnetokaloričnim materialom in magnetokaloričnim efektom. V ta namen bo prirejen in nato uporabljen predhodno razvit numerični model AMR-ja, z ustreznimi magnetokaloričnimi lastnostmi MCM-jev. Z vidika hladilnih lastnosti (temperaturni razpon, hladilna moč, učinkovitost) bo opravljena analiza delovanja pri različnih geometrijah in obratovalnih pogojih (obratovalna frekvenca, termodinamični cikli itd.). Na podlagi ugotovitev pri modeliranju elektrohidrodinamike in termodinamike bo v tretjem delovnem sklopu (DS 3) narejen eksperimentalni preizkus potrditve principa magnetokaloričnega materiala (s pripadajočim magnetokaloričnim efektom) z EWOD toplotnimi stikali. Temu bo sledil DS 4, kjer bo opravljena eksperimentalna analiza. Hladilne karakteristike sklopljenih transportnih pojavov bodo izmerjene pri različnih obratovalnih pogojih. S tem se bodo validirali razviti numerični modeli. Peti delovni sklop (DS 5) bo namenjen širjenju in predstavljanju rezultatov, večinoma preko znanstvenih publikacij in konferenčnih prispevkov. Uspešen konec projekta pa bo predstavljal izjemen napredek tehnologije magnetnega hlajenja, kakor tudi tehnologij hlajenja v splošnem.
Pomen za razvoj znanosti
Tekom projekta bomo pridobili pomemebn vpogled in znanje novo predlaganega principa hlajenja z uporabo magnetokaloričnega materiala (in njegovega magnetokaloričnega efekta) združenega z principom elektroomočenja (EWOD) kot toplotnega stikala. Če bo projekt zaključen uspešno, bo rezultat le-tega prva eksperimentalno potrjena učinkovita implementacija toplotnega stikala z magnetokalorično pretvorbo energije. To bo odprlo nove poti in domene ne samo v področju magnetnega hlajenja, temveč tudi v ostalih kaloričnih tehnologijah, kot so elektrokalorika, elastokalorika ter barokalorika. Poleg tega se bodo začele pospešeno razvijati tudi raziskovalne dejavnosti v področjih, kjer lahko najdemo mehanizme toplotnih stikal. Magnetokalorična tehnologija bo kočno obšla eno večjih ovir, ki je prisotna že od samega začetka raziskovalne dejavnosti na tem področju. Ta ovira je uporaba velikih količin redkih zemelj, kar pa je velika večina magnetokaloričnih materialov in pa magnetnih materialov (za sestavo permanentnih magnetov). Za izdelavo magnetnega hladilnika je tako potrebna velika količina magnetokaloričnega in magnetnega materiala, če želimo doseči relativno visoko hladilno moč naprave, saj sodobne naprave delujejo pri nizkih obratovalnih frekvencah. Učinkovita implementacija toplotnega stikala v magnetni hladilni proces pa bi vodila do visokih učinkovitosti pri visokih obratovalnih frekvencah ter posledično do visokih hladilnih moči. Posledično bi to vodilo do zmanjševanja velikosti magnetnih hladilnih naprav, ergo do miniaturizacije magnetokalorične tehnologije. To pa bi vodilo do znatnega zmanjšanja porabe naravnih virov za izdelavo te tehnologije.
Če bo projekt zaključen uspešno, bo to predstavljalo izredno priložnost za širjenje znanstvenih dognanj med znanstveno srenjo preko najprestižnejših znanstvenih revij ter s predstavitvami na mednarodnih konferencah. Poleg tega bi bila to tudi izredna priložnost za slovensko znanost, ki bi si na ta način povečevala ugled v mednarodni znanstveni sferi z možnostjo vzpostavitve novih povezav z drugimi znanstveno raziskovalnimi skupinami po svetu.
Pomen za razvoj Slovenije
During the project we will gain important insights and knowledge of the newly proposed cooling principle of magnetocaloric material (and its magnetocaloric effect) coupled with electrowetting (EWOD) principle as thermal switch. If the project is successful, this will be the first experimentally proven principle of the effective implementation of thermal switches in the magnetocaloric energy conversion. Furthermore, it will open pathways and new domains not only in the field of magnetic refrigeration, but all the other caloric technologies as well, such as electrocalorics, elastocalorics and barocalorics. Moreover, a major expansion of research activities in different fields, where thermal switch mechanisms may be found, is expected. The magnetocaloric technology will be able to finally overcome one of its major obstacles, which posed a serious issue since the dawn of its research activities, which is utilization of large quantities of rare earth materials. Most magnetocaloric materials and magnetic materials (for permanent magnets) are rare earths. To build a magnetic refrigerator, which operates with some relatively high cooling power, large masses of magnetocaloric and magnetic materials are needed, due to the low operating frequency. An efficient utilization of fast thermal switching mechanism into the magnetic cooling principle will lead to a substantial increase of the efficiency at higher operating frequencies and consequentially to higher cooling powers. This in turn will lead to the exceptional scaling down of the magnetic refrigerators, ergo to the miniaturization of the magnetocaloric technology, which will lead to the major decrease in depletion of natural resources needed for this technology.
The successful outcome of the project will give an opportunity to distribute the findings among the scientific community through high-impact-factor international scientific journals and presented them at international conferences world wide. This presents a great opportunity for Slovenian science to be represented in the international scientific community with possibilities to form new international collaborations.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Zaključno poročilo
