جلسه دفاع از رساله دکترای خانم سپیده خسروی

موضوع:

بررسی دینامیکی و ترمومکانیکی موتورهای حرارتی آلیاژ حافظه‌دار

ارائه دهنده:

سپیده خسروی

اساتید راهنما:

دکتر محمود کدخدایی، دکتر محمد سیلانی

اساتید داور:

دکتر محمدرضا فروزان، دکتر مهدی جوانبخت و دکتر جمال ارغوانی

چکیده:

مقدار قابل توجهی از انرژی در طبیعت و صنعت، مانند گرمای هدررفته تجهیزات، انرژی زمین‌گرمایی، گرادیان‌های حرارتی اقیانوس و تابش خورشید، بلااستفاده باقی می‌ماند. با وجود تلاش‌ها برای بهره‌برداری از منابع انرژی با دمای پایین و تبدیل آن به انرژی مکانیکی یا الکتریکی، آمارهای موجود نشان می‌دهد حدود 60 درصد انرژی تولیدی هدر می‌رود که 90 درصد آن در دماهای کمتر از 200 درجه سانتی‌گراد قرار دارد و در دسته انرژی‌های درجه پایین محسوب می‌شود. بسیاری از فن‌آوری‌ها مانند ترموالکتریک به عنوان رهیافتی برای برداشت انرژی حرارتی از دست رفته ارائه شده‌اند. در میان آن‌ها، به نظر می‌رسد که موتورهای حرارتی آلیاژ حافظه‌دار یک انتخاب قوی برای تبدیل این خروجی حرارتی درجه پایین به کار مکانیکی با بهره‌گیری از خاصیت حافظه‌داری است. به عنوان مثال، با استفاده از این خاصیت می‌توان آلیاژی را که در دمای بالا منقبض شده است، در هنگام سرمایش منبسط نمود و این امر در واقع اساس ایجاد کار مکانیکی در موتورهای حرارتی آلیاژ حافظه‌دار به‌شمار می‌رود. متاسفانه، اگرچه در ابتدای دهه 60 میلادی موتورهای حرارتی آلیاژ حافظه‌دار معرفی شده و در دهه70 توسعه چشم‌گیری پیدا کردند، اما موانع قابل توجهی باعث توقف تبدیل این فناوری از یک کنجکاوی علمی به یک محصول عملی با قابلیت تجاری‌سازی شده‌اند. ایراد عمده در بهره‌برداری موتور‌هایی که تا به امروز توسط محققان ارائه شده است، بازده پایین و همچنین نبود دانش کافی درخصوص تمام جزئيات رفتارهای اين موتورها است، به‌طوری که مدل‌های ترمودینامیکی ارائه شده بسیار ساده بوده و همچنین، در دیدگاه‌هایی که تاکنون نسبت به این نوع موتورهای حرارتی بیان شده‌است، هیچگاه سرعت زاویه‌ای به‌عنوان یک عامل اساسی و تاثیرگذار در نحوه‌ی عملکرد موتور حرارتی آلیاژ حافظه‌دار ارزیابی نشده‌است. 

پژوهش ارائه شده در این رساله با هدف ارزیابی دینامیک و ترمومکانیک کاملاً کوپله موتور حرارتی قرقره‌ای به عنوان ساده‌ترین مدل موتورهای حرارتی با استفاده از آلياژهای حافظه­دار طراحی شده‌است. در این مدل موتور حرارتی، سیم آلیاژ حافظه‌دار با ورود به منبع گرم به‌طور همزمان دچار خمش شده و هر دو عامل تنش و تغییرات دما در ایجاد کرنش داخل سیم آلیاژ حافظه‌دار نقش دارند. بنابراین، تحلیل دقیق نقاط مختلف سیم در زمان‌های متفاوت یکی از اقدامات مؤثر در پیشبرد اهداف پژوهش بوده­است. پس از استخراج مشخصه‌های سیم آلیاژ حافظه‌دار، نمونه اولیه­ای از موتور حرارتی قرقره‌ای ساخته شده‌است و تاثیر عواملی مانند، نسبت قطر قرقره‌ها، دمای منبع‌های سرد و گرم، فاصله قرقره‌ها، زاویه سیستم نسبت به افق و مقدار ورود سیم به داخل آب به عنوان منبع گرم بر روی سرعت زاویه­ای بررسی شد. در نهایت، سرعت زاویه‌ای 684 دور بر دقیقه برای حالت بهینه موتور بررسی شده به صورت تجربی بدست آمد. در ادامه، با استخراج توان راه‌اندازی موتور حرارتی مقدار بازده موتور حرارتی 73/4 درصد بدست آمد. همچنین با تصویربرداری حرارتی از موتور حرارتی ساخته شده امکان استخراج تخمینی از سرعت زاویه‌ای با استفاده از روابط انتقال حرارت فراهم شد و با نتایج حاصل از موتور حرارتی ساخته شده مقایسه گردید. در ادامه، با بهره‌گیری از رابطه ساختاری آلیاژهای حافظه‌دار به همراه روابط تعادل و همچنین حل معادله انرژی به‌طور همزمان، امکان بررسی اثر متقابل تنش و دما در بارگذاری و باربرداری خمشی و همچنین اثر نرخ کرنش بر رفتار ترمومکانیکی آلیاژ حافظه‌دار فراهم شد. پس از استخراج معادله حاکم و شبیه‌سازی یک مدل سه-بعدی از المانی از موتور حرارتی در نرم‌افزار آباکوس، مقدار سرعت زاویه‌ای بیشینه حاصل از نمونه آزمایشگاهی موتور حرارتی ساخته شده با استفاده از حل یک مسئله اجزا محدود معکوس با درنظر گرفتن مقدار نرخ کرنش و دماهای استخراج شده از تصاویر حرارتی برابر با 617 دور بر دقیقه با میزان خطا 10 درصد نسبت به نتایج آزمایشگاهی بدست آمد. 

کلمات کلیدی: موتور حرارتی، آلیاژ حافظه‌دار، ترمومکانیک کاملاً کوپله، سرعت زاویه‌ای، برداشت انرژی