جلسه دفاع رساله دکتری (آقای یدالله محمدهاشمی)

موضوع: طراحی، ساخت و بررسی عملکرد یک خنک­ کننده حالت جامد بر اساس خمش آلیاژهای حافظه­ دار

ارائه دهنده: یدالله محمدهاشمی

استاد راهنما: دکتر محمود کدخدایی

استاد مشاور: دکتر محمدرضا توکلی

اساتید داور: دکتر محمد سیلانی، دکتر مهدی جوانبخت و دکتر  محمدرضا ذاکرزاده

چکیده:

امروزه وسایل خنک‌‌کننده به گونه‌‌ای به نیازهای مبرم بشر تبدیل شده که تقریبا 17 درصد از مصرف الکتریسیته کره‌‌زمین را به خود اختصاص داده‌‌اند. گروهی از خنک‌‌کننده‌‌ها به خنک‌‌کننده‌‌های حالت جامد معروف هستند و قادرند با اعمال جریان الکتریکی، میدان مغناطیسی و یا نیروی مکانیکی بر مواد جامد، سرمایش ایجاد کنند. در سال‌‌های اخیر، وسایل خنک‌‌کننده حالت جامد بر پایه آلیاژهای حافظه‌‌دار، به واسطه ویژگی‌‌های امیدبخش خود چون ضریب عملکرد بالا، هزینه کم، سازگاری با محیط ‌‌زیست، گرمای نهان و تغییر دمای بی‌‌درروی قابل ملاحظه، علاقه بسیاری از محققان را به خود جلب کرده‌‌اند و به‌‌تدریج به عنوان جایگزینی برای وسایل خنک‌‌کننده تراکم-پایه مطرح می‌‌شوند. البته، هنوز چالش‌‌های حل نشده‌‌ای برای تجاری‌‌سازی این تکنولوژی همچون عمر خستگی و اختلاف دمای محدود وجود دارد. علاوه بر این، چنین دستگاه‌‌هایی بیشتر بر اساس بارگذاری محوری آلیاژهای حافظه‌‌دار طراحی و ساخته شده‌‌اند و همین باعث می‌‌شود عملگرهای هیدرولیکی یا مکانیکی پرتوان، نیاز اساسی این‌‌گونه از وسایل باشد. در این رساله، به منظور حل چالش اخیر، وسیله‌‌ خنک‌‌کننده‌‌ای بر اساس بارگذاری خمشی آلیاژهای حافظه‌‌دار طراحی و ساخته‌‌ شده است. در اولین مرحله، ورق‌‌های نیکل-تیتانیومی با انجام عملیات حرارتی و تربیت، آماده شده و از آن‌‌ها در آزمون‌‌های کشش ساده و خمش چهار نقطه‌‌ای تحت شرایط شبه‌‌استاتیک و بی‌‌دررو استفاده شده است. پس از آن، از تجهیز خمش چهار نقطه‌‌ای برای ساخت خنک‌‌کننده حالت‌جامد استفاده شده و با ساخت دو حمایت‌‌کننده برای منبع گرم و سرد و نصب اجزا بر روی تجهیز خمش چهار نقطه‌‌ای، نشان داده شده است که می‌‌توان گرمای تولید و جذب ‌شده توسط خمش آلیاژ حافظه‌‌دار را برای ایجاد اختلاف دما بین دو منبع سرد و گرم استفاده کرد. علاوه بر ارزیابی پاسخ دمایی خنک‌‌کننده، تأثیر پارامترهای مختلف دخیل در آن همچون میزان تأخیر بین بارگذاری و باربرداری، سرعت اعمال/حذف بار و دمای محیط نیز بررسی و مقدار بهینه آن برای دستگاهِ ساخته شده، گزارش شده است. در نتایج تجربی مشاهده می‌‌شود که افزایش دمای محیط اگرچه تاثیر مثبتی بر روی پاسخ الاستوکالریک نمونه دارد، به دلیل افزایش ضریب انتقال حرارت جابجایی، اثر معکوسی بر روی پاسخ خنک‌‌کننده درپی دارد. نتایج تجربی همچنین حاکی از آن است که خنک‌‌کننده‌‌ی ساخته‌‌شده قادر به ایجاد اختلاف دمای 8/4 درجه سانتی‌‌گرادی بین دو منبع گرم و سرد و ایجاد افت دمای منبع سرد به مقدار 3/1 درجه سانتی‌‌گراد در چرخه پایدار شده ی‌‌ خود است؛ قابل ذکر است میزان کاهش دما در منبع سرد برای چرخه‌‌های ابتدایی به مقدار 4/8 سانتی‌‌گراد نیز قابل دستیابی است که این مقدار، نشان از افزایش 160 درصدی نسبت به پژوهش مشابه خود در زمینه خمش دارد. همچنین، با قیاس خمش چهار نقطه‌‌ای با کشش ساده می‌‌توان به کاهش 83 درصدی نیرو در خمش چهار نقطه‌‌ای پی پرد که این مهم، قدمی پیش‌‌برنده در راستای حذف نیاز این نوع از خنک‌‌کننده‌‌ها به عملگرهای هیدرولیکی است. علاوه بر این، می‌‌توان از اجرای ایده‌‌ی استفاده از تاخیر زمانی در چرخه‌‌ی اول خنک‌‌کننده با هدف افزایش مقدار افت دما، به عنوان یکی دیگر از یافته‌‌های رساله ی حاضر نام برد. با ارائه ی یک رویکرد غیر مستقیم برای استخراج ثوابت فشاری ماده با استفاده از نتایج آزمایشگاهی آزمون خمش، از یک مدل سه‌بعدی نامتقارن برای پاسخ کشش-فشار آلیاژهای حافظه‌‌دار استفاده شده و پارامترهای مادی کشش و فشار نمونه‌‌، استخراج و به‌واسطه‌ی پاسخ نیرو-جابجایی، با خطایی برابر با 2/5 درصد صحت‌‌سنجی شده‌‌اند. پاسخ ترمومکانیکی نمونه‌‌ها تحت کشش ساده، خمش چهار نقطه‌‌ای و همچنین پاسخ ترمومکانیکی خنک‌‌کننده در 10 چرخه شبیه‌‌سازی شده و با خروجی‌‌های حاصل از آزمون تجربی مقایسه شده است و نشان از تطابق بسیار خوب نتایج با واقعیت دارد. مدل سه بعدی ترمومکانیکی استفاده شده به همراه شبیه‌‌سازی‌‌های المان محدود ارائه شده را می‌‌توان برای مطالعه، طراحی و بهینه‌‌‌‌سازی انواع مختلف خنک‌‌کننده‌‌ها/پمپ‌‌های حرارتی حالت جامد استفاده کرد. محاسبات ارزیابی عملکرد الاستوکالریک نمونه نشان می‌‌دهد نمونه ی آماده سازی شده تحت بارگذاری کشش ساده و خمش، به ترتیب ضریب عملکرد 22/4 و 11/1 دارد، که این مقادیر، در این زمینه برای چنین بارگذاری‌‌هایی بدون حضور منبع گرم و سرد، مقادیر بزرگی محسوب می‌‌شوند. پس از بررسی عملکرد خنک‌‌کننده ی ساخته شده، نشان داده شده است که ضریب عملکرد دستگاه به عنوان پمپ حرارتی و خنک کننده، به ترتیب برابر 2/9 و 1 است و با ایجاد تغییراتی می توان آن را تا 4/2 افزایش داد.