چکیده
بخش قابل توجه ای از انرژی حرارتی در منابعی نظیر گرمای اتلافی تجهیزات صنعتی، انرژی زمین گرمایی و انرژی خورشیدی در سطوح دمایی پایین در دسترس است که بهره برداری مؤثر از آن همچنان یکی از چالش های مهم حوزه برداشت انرژی محسوب می شود. موتورهای حرارتی مبتنی بر آلیاژهای حافظه دار به دلیل قابلیت تبدیل مستقیم انرژی حرارتی کم درجه به کار مکانیکی، از گزینه های مناسب در این زمینه به شمار می آیند. با وجود تحقیقات گسترده انجام شده، شناخت ناکافی از رفتار ترمومکانیکی این موتورها و نبود معیارهای مناسب برای ارزیابی عملکرد آن ها، توسعه و تجاری سازی این فناوری را محدود کرده است. این پژوهش با هدف ارزیابی تجربی و عددی موتور حرارتی قرقره ای به عنوان ساده ترین مدل موتورهای حرارتی با استفاده از آلیاژهای حافظهدار بیان شده است. در این مدل موتور حرارتی، سیم آلیاژ حافظه دار با ورود به منبع گرم به طور همزمان دچار خمش شده و هر دو عامل تنش و تغییرات دما در ایجاد کرنش داخل سیم آلیاژ حافظه دار نقش دارند. بنابراین، تحلیل دقیق نقاط مختلف سیم در زمان های متفاوت یکی از اقدامات مؤثر در پیشبرد اهداف پژوهش بودهاست. پس از استخراج مشخصه های سیم آلیاژ حافظه دار، نمونه آزمایشگاهی از موتور حرارتی قرقره ای در ابعاد کوچک ساخته شده است و تاثیر عواملی مانند، نسبت قطر قرقره ها، دمای منبع های سرد و گرم، فاصله قرقره ها، زاویه سیستم نسبت به افق و مقدار ورود سیم به داخل آب به عنوان منبع گرم بر روی سرعت زاویهای بررسی شد. شرایط بهینه عملکرد برای دستیابی به بیشترین سرعت زاویه ای در دمای منبع حرارتی حدود 15 درجه سانتی گراد بالاتر از دمای پایان آستنیت سیم آلیاژ حافظه دار به دست آمد که با نتایج آزمون های خستگی انجام شده در این پژوهش نیز همخوانی داشت. همچنین، دمای بهینه محیط برای کارایی موتور، حدود 10 درجه سانتی گراد کمتر از دمای پایان مارتنزیت است. از دیگر شرایط مطلوب آزمایش شده می توان به قرار گرفتن زاویه ی محور قرقره ها در بازه 60 تا 80 درجه و حداقل میزان غوطه وری سیم برابر یا کمتر از 2 میلی متر اشاره کرد. در نهایت، سرعت زاویه ای 684 دور بر دقیقه برای حالت بهینه موتور بررسی شده به صورت تجربی بدست آمد. در ادامه، با استخراج روابطی برای توان راه اندازی موتور حرارتی با درنظر گرفتن نتایج تجربی سرعت زاویه ای، مقدار چگالی توان و بازده موتور حرارتی به ترتیب برابر 4/55 وات بر کیلوگرم آلیاژ حافظه دار و 73/4 درصد بدست آمد. سپس، با درنظر گرفتن نتایج حاصل از بخش تجربی، چارچوب اولیه ای برای طراحی و انتخاب موتور حرارتی آلیاژ حافظه دار قرقره ای ارائه شد. همچنین با تصویربرداری حرارتی از موتور حرارتی ساخته شده امکان استخراج تخمینی از سرعت زاویه ای با استفاده از روابط انتقال حرارت برای 4 دمای مختلف منبع گرم فراهم شد و با نتایج حاصل از نمونه آزمایشگاهی موتور حرارتی ساخته شده مقایسه گردید. بیشترین مقدار سرعت زاویه ای حاصل از روابط تحلیلی انتقال حرارت همانند آنچه در آزمون های تجربی بدست آمد در دمای منبع گرم 65 درجه سانتی گراد حاصل شد و مقدار آن برابر 739 دور بر دقیقه است. در ادامه، با بهره گیری از رابطه ساختاری آلیاژهای حافظه دار به همراه روابط تعادل و همچنین حل معادله انرژی به طور همزمان، امکان بررسی اثر متقابل تنش و دما در بارگذاری و باربرداری خمشی و همچنین اثر نرخ کرنش بالا بر رفتار ترمومکانیکی آلیاژ حافظه دار فراهم شد. پس از استخراج معادله حاکم و بررسی صحت معادلات برای بارگذاری تک محوره و سه محوره، شبیه سازی برای مدل سه-بعدی از المانی از موتور حرارتی در نرم افزار آباکوس، مقدار سرعت زاویه ای 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 بدست آمد. شبیه سازی علاوه بر پیش بینی سرعت زاویه ای موتور، امکان بررسی روند تغییر فاز مارتنزیت به آستنیت و تحلیل ارتباط میان انتقال حرارت، تغییر فاز و عملکرد مکانیکی موتور را فراهم کرد و نتایج آن با داده های آزمایشگاهی مقایسه شد و میزان 10 درصد خطا در نتایج گزارش شد.
کلمات کلیدی: موتور حرارتی، آلیاژ حافظه دار، ترمومکانیک کاملا جفت شده حرارتی_مکانیکی، سرعت زاویه ای، برداشت انرژی