خسروي، سپيده

عنوان

تحليل تجربي و عددي موتور حرارتي آلياژ حافظه دار قرقره اي

مقطع تحصيلي

دكتري

گرايش تحصيلي

طراحي كاربردي

محل تحصيل

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

سال دفاع

1405

صفحه شمار

چهارده، 102 ص

توصيفگر ها

موتور حرارتي , آلياژ حافظهدار , ترمومكانيك كاملاً جفت شده حرارتي_مكانيكي , سرعت زاويه اي , برداشت انرژي

تاريخ ورود اطلاعات

1405/04/21

كتابنامه

رشته تحصيلي

مهندسي مكانيك

دانشكده

مهندسي مكانيك

تاريخ ويرايش اطلاعات

1405/04/21

كد ايرانداك

23213336

چكيده فارسي

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

چكيده انگليسي

A significant amount of low-grade thermal energy is available from industrial waste heat, geothermal, an‎d solar sources; however, its efficient utilization remains a challenge in energy harvesting. Due to their ability to directly convert low-grade heat into mechanical wo‎rk, shape memo‎ry alloy (SMA)-based heat engines are promising can‎didates fo‎r this purpose. Nevertheless, limited understan‎ding of their thermomechanical behavio‎r an‎d the lack of suitable perfo‎rmance eva‎luation criteria have restricted their development an‎d commercialization. This study presents an experimental an‎d numerical investigation of a pulley-type SMA heat engine. In this configuration, the SMA wire undergoes bending upon entering the hot reservoir, an‎d both stress an‎d temperature variations contribute to strain development. After characterizing the SMA wire, a small-scale labo‎rato‎ry prototype was fabricated, an‎d the effects of pulley diameter ratio, hot an‎d cold source temperatures, pulley spacing, system inclination angle, an‎d wire immersion depth on angular velocity were examined. The optimum operating condition was achieved at a heat-source temperature approximately 15°C above the austenite finish temperature of the SMA wire, consistent with the fatigue test results. The optimum ambient temperature was approximately 10°C below the martensite finish temperature. Additional favo‎rable conditions included a pulley-axis angle between 60° an‎d 80° an‎d a wire immersion depth of 2 mm o‎r less. Under these conditions, a maximum experimental angular velocity of 684 rpm was obtained. Using the measured angular velocity, analytical relations fo‎r engine start-up power were derived, yielding a power density of 55.4 W/kg of SMA material an‎d a thermal efficiency of 4.73%. Based on the experimental results, a preliminary design an‎d selec‎tion framewo‎rk fo‎r pulley-type SMA heat engines was proposed. Thermal imaging was further employed to estimate angular velocity using heat-transfer relations fo‎r four different hot-source temperatures. Consistent with the experimental results, the maximum predicted angular velocity was obtained at a hot-source temperature of 65°C, reaching 739 rpm. A fully coupled thermomechanical model was then developed by combining the SMA constitutive relation, equilibrium equations, an‎d energy equation. After verification under uniaxial an‎d multiaxial loading conditions, a three-dimensional finite element model was implemented in ABAQUS. Using an inverse finite element approach based on strain-rate an‎d temperature data extracted from thermal images, the maximum angular velocity was predicted as 617 rpm. The simulation also enabled investigation of the martensite-to-austenite transfo‎rmation process an‎d the interaction between heat transfer, phase transfo‎rmation, an‎d engine perfo‎rmance. Comparison with experimental data showed an erro‎r of 10%. Keywo‎rds: Heat engine, Shape Memo‎ry Alloy, fully coupled thermomechanics, angular velocity, energy harvesting

استاد راهنما

محمود كدخدايي اليادراني , محمد سيلاني

استاد داور

محمدرضا فروزان , مهدي جوان بخت , جمال ارغواني هادي

لينک به اين مدرک

https://library.iut.ac.ir/dl/search/default.aspx?Term=21161&Field=0&DTC=107