Upload
others
View
6
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Tallinna Reaalkool
Mälutraatsoojusmasina kasuteguri määramineUurimistöö
Iko-Eerik Uustalu
131B
Juhendajad: Tallinna Reaalkooli õpetaja Toomas Reimann
Tartu Ülikooli õppejõud Eero Uustalu
Tallinn 2015
SisukordSissejuhatus.................................................................................................................................3 1 Mälutraatmootori kasuteguri määramine................................................................................4
1.1 Mälutraatmootori ehitus..................................................................................................4 1.2 Mälumaterjalid................................................................................................................4 1.3 Nitinol..............................................................................................................................5 1.4 Kujumälu.........................................................................................................................5 1.5 Superelastsus (pseudoelastsus)........................................................................................6 1.6 Mootori tööpõhimõte.......................................................................................................9 1.7 Ajalugu, kasutamine......................................................................................................10 1.8 Mootori uurimise lugu ja perspektiivid.........................................................................10
2 Probleemi püstitus.................................................................................................................11 2.1 Kasuteguri valem ja mälutraatmootori kui soojusmasina kasutegur.............................11 2.2 Traatmootori traadi üleminekutemperatuuri kindlakstegemine.....................................11 2.3 Siseneva soojushulga mõõtmise kava...........................................................................11 2.4 Väljundvõimsuse määramise plaan...............................................................................12 2.5 Veekadude probleem ja selle lahendus hõõrdpintsli näol..............................................12 2.6 Soojusrežiimi kontrollimise plaan.................................................................................12 2.7 Väljundvõimsuse määramise eeltööd............................................................................13 2.8 Optilise värava abil traadi kiiruse määramine...............................................................14 2.9 Hõõrdepintsli konstruktsioon ja kalibreerimismetoodika.............................................15 2.10 Maksimaalse hõõrdkoormuse kindlakstegemine.........................................................17 2.11 Mootori koormustaluvuse sõltuvus vee temperatuurist...............................................17 2.12 Hüpotees mootori väljundvõimsuse kohta..................................................................18 2.13 Termose ja küttetraadi konstruktsioon.........................................................................21 2.14 Läbi termose lekkivate soojuskadude määramine.......................................................21 2.15 Vee jahtumise graafiku ja elektrilise väljundvõimsuse kokkusobitamine...................22 2.16 Traatmootori kasuteguri leidmise katsepüstituse ja arvutuskäigu seletus...................24 2.17 Ülemise jahutava ratta ülekuumenemise probleem.....................................................25 2.18 Purunenud traatide asenduseks ostetud seadme võimsus............................................25 2.19 Vee väljapritsimise kiiruse hindamine ning väljapritsitud vee võimalikuks asendusekslisatud vee taassoojendamiseks kuluva soojusvõimsuse hindamine....................................26 2.20 Soojuskaod läbi termosesse asetatud, kuid seisva mootori.........................................27 2.21 Mälutraatide lühike eluiga...........................................................................................27
3 Mõõtmistulemuste analüüs...................................................................................................29 4 Kokkuvõte.............................................................................................................................34Kasutatud kirjandus...................................................................................................................35Lisa 1: 186,8g vee jahtumine termoses.....................................................................................36Lisa 2: 249,2g vee jahtumine termoses.....................................................................................37Lisa 3: Kadude võimsus 186,8g vee jahtumisel termoses........................................................38Lisa 4: Kadude võimsus 249,2g vee jahtumisel termoses........................................................39Lisa 5: Elektriliselt määratud kadude võimsus N_UI kõrvutatud vee jahtumisest määratud kadude võimsusega ja korrektsiooniga.....................................................................................40Lisa 6: Suur kasuteguri mõõtmise tabel....................................................................................41Resümee....................................................................................................................................43Abstract.....................................................................................................................................44
2
Sissejuhatus
Vahest olete näinunud toredat katset, kus kindla kujuga traat hooletut deformeeritakse ning
seejärel pärast kuuma vette asetamist vastu ootusi taastub traadi esialgne kuju?
Traat on materjalist, mida saab iseloomustada sõnaga kujumälu.
Tänapäeval on kujumäluga materjalidele tänu nende veidratele ent äärmiselt huvitavatele
omadustele leitud rohkesti rakendust ning kasutusvõimalusi.
Käesolevas töös uurime mootorit, mis oma lihtsuselt ületab kõik teised – traatrõngas ning
kaks alusele kinnitatud kuullaagritel ratast.
Soojusõpetusest lähtuvalt on soojusmasina kasutegur maksimaalne siis, kui suudame jahuti ja
soojendi temperatuurid viia teineteiset võimalikult kaugele. See tingib pürgimuse saavutada
soojusmasina töös võimalikult suur soojendi temperatuur, kuna jahuti temperatuuri on raske
ning tavaliselt ka ebamajanduslik viia alla ümbritseva keskkonna temperatuuri.
Mälutaatmootori teeb eriliseks võime toota mehhaanilist energiat ka väikeste jahuti-soojendi
temperatuurierinevuste korral. Samas tähendab väike temperatuuride vahe kahjuks ka väikest
kasutegurit, kuid lubab samas mootori käitamiseks kasutada teiste mootorite heitsoojust ning
seega kahe mootori koostöös tõsta soojusmasina kogukasutegurit.
Näiteks on mälutaatmootor võimeline tootma energiat ka sisepõlemismootorite heitgaasides
või soojuselektrijaamade jahutusvees sisalduvast heitsoojusest ning mõlema mootori
kooskasutamisel alaneks nii mootorite kogukütusekulu kui ka toodetava elektrienergia hind.
Käesolevas töös uuritava demonstratsioonotstarbelise mälutraatmootori võimaliku arendatava
võimsuse kui ka kasuteguri kohta puudus igasugune informatsioon ning seega tuli need ära
mõõta.
Töö eesmärkide saavutamiseks viidi läbi seeria katseid, mille tulemusena sai võimalikuks
määrata nii mootori kasutegur kui ka väljundvõimsus ning nende sõltuvus mitmetest teistest
parameetritest. Mõõtmiste käigus leidsid mitmekülgset kasutust Vernier Software
andmekogujad koos ühilduvate anduritega.
Töö koosneb neljast peatükist. Esimene peatükk annab ülevaate mälumaterjalidest, mootori
tööst ning mõõtmise võimalikest probleemidest ja lahendustest. Teine osa kirjeldab katse
ülesehitust, katseseadmete ehitust, katsete käiku ning mõõtmise käigus tekkinud probleemide
lahendamist. Kolmas osa analüüsib mõõtmiste tulemusi. Neljas aga kordab leitu üle
1 Mälutraatmootori kasuteguri määramine
1.1 Mälutraatmootori ehitus
Esmapilgul ei usuks, et SEE võib olla mootor...
Ärge tehke nalja – vaid kaks ratast ja traat?!?
Kui aga asetada väiksem ratas servaga piisavalt kuuma vette ja lükata ratas liikuma ...
hakkavad rattad pöörlema ning mootor saavutab ootamatult suure pöörlemiskiiruse.
Silmad löövad särama – kui lihtne – äkki õnnestuks seadet ka päris kasulikult tööle panna?
Kahjuks ei õnnestunud internetist ka hoolikal otsimisel leida andmeid antud konstruktsiooniga
mälutraatmootori kasuteguri kohta ning seega jäi üks tee – mälutraatmootori kasutegur tuleb
ise ära mõõta!
1.2 Mälumaterjalid
Mälumaterjalideks nimetatakse selliseid nutikaid materjale (Wikipedia 2015 s.v. Smart
material), mis pärast kuju plastset deformeerimist mittemälulises olekus taastavad oma
mälulise oleku kuju, kui nende temperatuuri tõsta üle mälutemperatuuri (Wikipedia 2015 s.v.
4
Joonis 1. Mälutraatmootor.
Allikas: erakogu
Shape-memory_alloy).
Laiemalt on mäluomadustelt tuntud sulam nimega nitinol. Nitinoli näol on tegemist siiski vaid
mälumaterjalide grupi vahest kõige tuntuma esindajaga, mille mälulised omadused avalduvad
väga selgelt. Lisaks võib mälumetallisulamite hulgast leida veel rea nikli, titaani, kaadmiumi,
raua, vase ja koobalti sulameid teiste metallidega.(Wikipedia 2015 s.v. Shape-memory_alloy).
Tänapäeval tuntakse ka kujumäluga plastikuid. Näiteks laialt kasutataval plastikul PET on
väheste lisandite lisamisel pärast õigel režiimil termotöötlust päris head mäluomadused
(Wikipedia 2015 s.v. Shape-memory polymer).
1.3 Nitinol
Nitinol (tuntud ka nime all nikkeltitaan) on nikli ja titaani sulam, mis töötati välja 1959 USA
Marylandi osariigis paiknevas Mereväe Lahingumoona Laboratooriumis. Sulami nimes
peegeldub nii sulami koostis kui väljatöötamise koht ( Nickel Ti tanium Naval Ordnance
Laboratory ). Laboratooriumil oli nimelt soov luua miinitraalerites kasutamiseks
mittemagnetiline korrosiooni suhtes hea vee ja mereveekindlusega sulam. 1962. aastal
avastati sulamil tugevad kujumälu omadused ning lisaks selgus, et kitsas
temperatuurivahemikus kujumälulise temperatuuri faasis (ehk kujumälu
üleminekutemperatuurist kõrgematel temperatuuridel) avaldub sulamil ka superelastsus.
(Wikipedia 2015 s.v. Nickel titanium)
1.4 Kujumälu
Kujumälu tähendab, et mittemälulisel temperatuuril plastselt deformeeritud keha taastab oma
mälulise kuju, kui ta temperatuur tõuseb üle kujumälu üleminekutemperatuuri.
Nitinoli puhul omandab keha soovitud mälulise kuju, kui ta sellesse asendisse fikseeritult on
kuumutatud umbes temperatuurini 550°C ning seejärel aeglaselt jahutatud.
Mälulises olekus on sulam austeniitsel kujul ja alla mälulise temperatuuri on kristallistruktuur
martensiitne. Kui materjali martensiitses faasis deformeerida, siis kristallstuktuuris
aatomitevahelised sidemed vaid paigutuvad ümber, kuid ei katke. (Vaata joonis 2.)
Temperatuuri tõstmisel üle üleminekutemperatuuri taastub austeniitne ümberpaigutusi mitte
võimaldav struktuur ning mäluline kuju taastub. (Wikipedia 2015 s.v. Nickel titanium)
5
1.5 Superelastsus (pseudoelastsus)
Superelastsus tähendab keha võimet taastada oma esialgne kuju ka pärast deformatsioone, mis
ületavad tavapäraste elastsete ainete elastse deformatsiooni piirmäära kümneid kordi.
Tegelikult aga põhjustab mehaaniline pinge sulami austeniitsel (kujumälulisel,
üleminekutemperatuurist kõrgemal) temperatuuril sulami austeniitse faasi spontaanse
ülemineku kujumäluta martensiitseks faasiks, mehhaanilise pinge vähenedes siirdub sulam
tagasi austeniitsesse faasi ning taastab oma mälulise kuju. (Vaata joonis 3.) Keha plastsel
deformatsioonil läbitakse seega austeniitne-martensiitne-austeniitne faasiüleminekute jada,
mida nimetetakse ka superelastseks silmuseks. (Vaata joonis 4.) Väliselt näeb see üleminekute
jada aga välja justkui aine elastse deformatsiooni vahemik oleks ülisuur ning siit ka efekti
teine nimetus – pseudoelastsus. (Wikipedia 2015 s.v. Pseudoelasticity)
6
Nitinolis on nikli ja titaani aatomeid enam vähem võrdsetes kogustes ning sulami kujumälu
üleminekutemperatuur sõltub nikli ja titaani suhtest sulamis. (Vaata joonis 5.)
Aine jahutamisel ja soojendamisel on vastavad üleminekuprotsesside alguse ja lõpu
temperatuurid erinevad ning moodustub hüstereesis. Jahutamisel märgib martensiitsesse faasi
siirdumise algust temperatuur M S ja lõppu M F , soojendamisel auseniitse faasisiirde
algust temperatuur AS ja lõppu AF . Samuti iseloomustab ainet temperatuur, milleni võib
täheldada superelastset deformatsiooni M D . (Vaata joonis 6.)
8
Joonis 5. Üleminekutemperatuuri sõltuvus nikli ja titaani suhtest sulamis.
Allikas: erakogu
1.6 Mootori tööpõhimõte
Mittekujumälu olekus mälutraat siirdub suurema jahutava ja
madalama temperatuuriga ratta pealt väiksema soojendava ja
kõrgema temperatuuriga ratta suunas, mille temperatuur on
kõrgem kui mälutraadi kujumälu üleminekutemperatuur.
Kujumälusse salvestatud traadi kuju on märgatavalt sirgem
kui väikese ratta kõverusraadius ning nüüd juba pingul traat
teeb vedruna suure kõverusega rattalt sirgesse lõiku maha
joostes tööd ning seejärel liigub tagasi suuremale kettale
jahtuma, jahtumise käigus siirdub traat jälle tagasi
mittekujumälulisse ja kergesti painutatavasse faasi ning
protsess kordub. Õieti on protsess pidev, kuna traat on alguse
ja lõputa rõngas. (Vaata joonis 7.)
Mootori tööks on ilmselgelt vaja, et traat läbiks täistsükli
9
Joonis 7. Traatmootori tööpõhimõte.
Allikas: erakogu
jooksul nii jahtumise kui ka soojenemise kujumälu faasiüleminekutemperatuurid. Mootori
soojendava ratta temperatuur peaks olema üleminekutemperatuuridest kõrgem ning jahutava
ratta temperatuur vastavatest üleminekutemperatuuridest madalam. Tootja on eeldanud, et
soojendavaks keskkonnaks on vesi ning jahutavaks õhk, aga tegelikult võib jahutajaks -
soojendajaks olla ka näiteks paar soe õhk - külm õhk või mõni muu moodus, millega
soojendav ning jahutav ratas oma töötemperatuuridele viiakse.
1.7 Ajalugu, kasutamine
Kujumälu efekti avastas rootsi uurija Arne Olander aastal 1932 uurides kulla ja kaadmiumi
sulameid. 1950. aastate esimesel poolel leiti efekt ka vase ja tsingi sulamites. Nitinol sulamina
valmistati aastal 1959 ning sulami kujumälu omadused avastasid 1962. aastal William J.
Buehler ja Frederick Wang. Laialdasema kasutuse omandas sulam 1990ndatel aastatel, kui
said lahenduse probleemid tujuka sulami sulatamisel ja töötlemisel. Tänapäeval kasutatakse
nitinoli meditsiinis ja biomeditsiinis (implantaadid, diagnostikavahendid, kirurgilised riistad,
stomatoloogia ja ortodontia vahendid), mänguasjatööstuses, masinatööstuses (ühenduslülid,
mootorid, starterid, sensorid, tõstemehhanismid), kosmosetööstuses, elektroonikas (antennid),
rõivatööstuses (rinnahoidjakaared) jne. (Elhi 2013)
1.8 Mootori uurimise lugu ja perspektiivid
Esimene faasiüleminekutel mälumetalli pikenemist ära kasutav piisavalt suure töökindlusega
masin leiutati 1973. aastal Ridgway M. Banks'i poolt California Ülikooli Lawrence Berkely
laboratooriumis. Eelnevad, mitte nii õnnestunud konstruktsioonid sisaldasid reeglina
mälutraate ja rihmarataste-plokkide süsteeme ning nende suurimaks puuduseks oli suured
energiakaod traadi hõõrdel rihmaratastega. Et omada praktilist rakendusväärtust peaksid
mälutraatmootorid olema võimelised arendama võimsusi, mis ületavad 100kW. Paraku jääb
hetkel ehitatud prototüüpide võimsus reeglina alla 1kW, mistõttu seeriatootmisse pole üksi
mudel läinud. (Wakjira 2001: 31)
10
2 Probleemi püstitus
Töö eesmärgiks on kindlaks teha antud mälutraatmootori kasutegur ning võimaluse korral
uurida kasuteguri sõltuvust mootori tööparameetritest.
2.1 Kasuteguri valem ja mälutraatmootori kui sooju smasina kasutegur
Üldiselt saab protsessi kasuteguri leida valemiga:
η=Akasulik
Akogu
Mis soojusmasina korral teiseneb kujule:
η=Akasulik
Qsaadud
=N kasulik
(∆ Qsaadud
∆ t ) kus
∆ Qsaadud
∆ t=N soojusvõimsus
2.2 Traatmootori traadi üleminekutemperatuuri kind lakstegemine
Et kindlaks teha traatmootori traadi kujumälu üleminekutemperatuur traadi temperatuuri
tõstmisel, asetati mootorilt mahamonteeritud eelnevalt deformeeritud traat pidevalt
segatavasse aeglaselt soojendatavasse vette ja registreeriti mitmeid kordi kuju taastamisele
vastav vee temperatuur. Mõõtmise tulemusena määrati mälutraadi üleminekutemperatuuriks
soojendamisel 49,4°C...49,8°C .
Prooviti määrata ka mälutraadi soojendamise ja jahutamise protsessi kujumälu faasiülemineku
temperatuure. Selleks mõõdeti mälutraadi eritakistust soojenemise ja jahtumise käigus.
Teatmike põhjal on austeniitse nitinoli eritakistus 82µΩ∙cm ning martensiitse nitinoli
eritakistus 76µΩ∙cm . Mõõtmiste käigus jäi aga ootatud eritakistuse suur muutus märkamata.
Võib oletada, et üleminekufaasis muutuvad lisaks materjali eritakistusele ka traadi läbimõõt ja
pikkus, mistõttu traadi kogutakistus üleminekuprotsessi käigus oluliselt ei muutu.
2.3 Siseneva soojushulga mõõtmise kava
Et kontrollida toodetava soojuse võimsust ja vähendada, kuid samas ka kindlaks teha
11
soojuskadude võimsus, peab soojenev vesi asetsema termoses ning soojus peab olema
kontrollitult toodetud otse termose sees. Temperatuuri ühtluse tagamiseks on vaja vett pidevalt
segada. (Vaata joonis 9, joonis 10, joonis 11.)
2.4 Väljundvõimsuse määramise plaan
Esialgne mõte oli määrata mootori väljundvõimsus elektriliselt. Puudus aga piisavalt väike
elektrigeneraator ning samuti oleks lisaks pidanud määrama kas ostetud või ise ehitatud
generaatori kasuteguri ja kindlustama mehaanilise energia ülekande sellele generaatorile ilma
kadudeta. Sai aga otsustatud mõõta mootori väljundvõimsus läbi kontrollitud hõõrdtakistuse
ning hõõrdtakistusel ajas tehtud mehhaanilise töö, määrates traati takistava hõõrdejõu, traadi
poolt läbitud teepikkuse ning selleks kulunud aja.
2.5 Veekadude probleem ja selle lahendus hõõrdpint sli näol
Eelnevad kogemused töötava mootoriga näitasid, et mälutraatmootori tööga kaasneb küllaltki
arvestatav vee väljapritsimine ning sellega seotud soojuskadu. Takistava (ja hõõrdejõudu
mõõtva) hõõrdpintsli paigutamine kuumast veest väljuvale traadi sihile selliselt, et traat liigub
pintsli harjaste vahel, lahendas korraga ka vee väljatassimise probleemi, kuna harjaste poolt
traadilt kokku kogutud veel jahtumata vesi tilkus pintsli otsast termosesse tagasi. (joonis 17)
Antud katsepüstituse puhul mängib soojuskadude määramisel eelkõige rolli soojendava vee
temperatuur ja soojuskadu kui selline leiaks siiski aset vaid, kui vahepeal väljas jahtunud vesi
taassiseneks termosesse ning tuleks uuesti üles soojendada. Kui aga vesi pritsub lihtsalt välja,
tähendaks see antud mõõtmise juures vajadust veetaset regulaarselt kontrollida ning
katkestanud mõõtmise sobivas faasis, külma vett juurde lisada ja oodata, kuni vesi on
taassoojenenud sobiva töötemperatuurini.
2.6 Soojusrežiimi kontrollimise plaan
Töötava traatmootori osade temperatuuri kontrollimiseks oli plaanis kasutada termokaamerat.
Kuna mälutraat on termokaameraga mõõtmiseks liiga peenike, peab temperatuuri mõõtma
traadiga heas soojuslikus kontaktis olevalt väiksemalt soojendatavalt ning suuremalt
jahutatavalt rattalt. Algselt olid need rattad pinnakatteta alumiiniumist ning infrapuna
termokaamera tööpiirkonnas suure peegeldumisteguriga ning oleksid termokaamera
12
kasutamisel andnud pigem ratastelt peegelduvate objektide temperatuurinäidud rataste endi
temperatuuride asemel.
Seega pidi temperatuuri mõõtmiseks rataste õige peegeldumisteguri saavutamiseks suure ja
väikese ratta mõõtepinnad värvima mattmustaks.
2.7 Väljundvõimsuse määramise eeltööd
Kui mootor on koormatud hõõrdejõududega, siis hõõrdejõudude poolt ajaühikus tehtud töö
oleks arendatav võimsus ehk seega antud mõõtmises otsitav väljundvõimsus:
N väljunvõimsus=∆ A∆ t
=F takistusjõud∆ s
∆ t=F takistusjõud
∆ s∆ t
=F takistusjõudv ja kui jõud ning kiirus on
samasihilised, siis:
Nväljundvõimsus=F takistusjõudv
13
Joonis 8. Ketta temperatuuri mõõtmine.
Allikas: erakogu
Joonis 11. Termostaaditemperatuurijaotus.
Allikas: erakogu
Joonis 10. Mootori temperatuurijaotus töörežiimil.
Allikas: erakogu
Joonis 9. Isegi segatavas vees on märgata temperatuuri-ebaühtluse keeriseid.
Allikas: erakogu
2.8 Optilise värava abil traadi kiiruse määramine
Suurel rattal on pöias viis kodaraauku ja seega, kui asetada ratas optilise värava teele, toimub
ratta liikumisel optilises väravas 5 avatud-suletud tsüklit ratta ühe täispöörde kohta. Teades
tsüklite arvu ajas, on võimalik määrata ajas toimunud traadi nihe ja seega leida ka traadi
liikumise kiirus.
Mõõdame suurema ratta ümbermõõdu traadisoone põhjast Csuurratas=0,267m ja seega
optilise värava ühe täistsükli jooksul liigub traat edasi ühe kodara võrra ehk
C suur ratas
5=0,0534m .
Sisestades lugemi andmekogujasse on võimalik koheselt leida traadi liikumise hetkkiirus ja ka
ajaperioodi keskmine kiirus.
14
Joonis 12. Optiline värav.
Peale on joonistatud katkestatav valguskiir.
Allikas: erakogu
Joonis 13. Traadi kiiruse määramine andmekogujas.
Allikas: erakogu
2.9 Hõõrdepintsli konstruktsioon ja kalibreerimism etoodika
Hõõrdejõu töö mõõtmiseks peab mõõdetav hõõrdejõud olema rakendatud traadi liikumise
sihis ja sellest lähtuvalt ehitati hõõrdpintslihoidik koos alusega ning hoidikuga
millimeeterpaberist skaalale. (Vaata joonis 14, joonis 18.) Pintsel kinnitati pildil kujutatud
hoidikusse läbi varde puuritud augu ning pöördteljeks paigaldati pikem õmblusnõel. Pintsli
tagumine, teravaks teritatud ots etendas osuti rolli. Tagumist, lisakoormusega raskemaks
tehtud osa tasakaalustas peenike kummipael, mille deformatsiooni elastsusjõud pidi lisaks
tasakaalustama ka pintslile mõjuva hõõrdejõu.
Mõõtmise kestel fikseeriti vastava mõõteperioodi keskmine pintslisaba näit pliiatsiga skaala
millimeeterpaberile. Mõõtmise järgselt nüüd juba liikuva mälutraadiga koormamata pintsli
(hõõrdpintsli harjastest tipp oli lisakoormusega tasakaalustamise ajal sarnaselt pintsli
töörežiimiga liikuva mälutraadi takistamisel veega küllastatud) varrele riputati traadiga
lisakoormis ning koormise liigutamisel pikki pintsli vart tekitati sama pintslisaba näit, kui
eelneval mõõtemisel fikseeritu. Kasutades lisakoormise jõu õlgu kinnituspunkti suhtes ja
jõumomente, arvutati lisakoormise mõju ümber pintsli karvases otsas mõõtmise hetkel
paiknenud traadi asukohal mõjuvaks hõõrdejõuks. Lisakoormise mass fikseeriti
elektronkaaludel täpsusega 0,01g, jõuõlgade pikkused mõõdeti otsalt ja varrelt nihikuga.
(joonis 18)
F traadi hõõrel pintsli keskelt traadi asukohani=F koormisl pintsli keskelt koormiseni=mkoormisg l pintsli keskelt koormiseni⇒
F traadi hõõre=mkoormisg l pintsli keskelt koormiseni
l pintsli keskelttraadiasukohani
15
16
Joonis 14. Hõõrdpintsli gradueerimine.
Joonisel näidatud lisakoormisega taasluuakse töörežiimi olukord.
Allikas: erakogu
2.10 Maksimaalse hõõrdkoormuse kindlakstegemine
Mootori koormustaluvuse mõõtmisel selgub esimene probleem – mootori väga väike
koormatavus.
Nimelt, mootori traadi koormamisel hõõrdejõududega, mis ületasid 5mN kippus traatmootor
peatuma. Seega leiab mõõtmiste koondtabelist vaid mõõtmisi, kus mõjuv lisahõõrdejõud on
kuni 4,86mN.
2.11 Mootori koormustaluvuse sõltuvus vee temperat uurist.
Algselt plaanitud mootori koormustaluvuse sõltuvuse mõõtmist vee temperatuurist läbi ei
viidud tänu mootori vähesele koormatavusele. Küll aga võis täheldada, et kõrgetel
veetemperatuuridel kahaneb koormatavus järsult. Nimelt tänu ülemise ratta ebapiisavale
jahutusele õhus tõusis ülemise (traadi suhtes jahutava) ratta temperatuur mälutraadi
üleminekutemperatuurini. Seega oli vajalik igal mõõtmisel kindlasti fikseerida ka ülemise
jahutatava (õhu poolt) ja samas jahutava (jahutab mälutraati) ratta temperatuur.
17
Joonis 15. Mootori väljundvõimsuse määramine, koormiseks hõõrdpintsel.
Allikas: erakogu
2.12 Hüpotees mootori väljundvõimsuse kohta
Kahel koormusel läbi viidud väljundvõimsuse mõõtmisel tekib hüpotees, et mootori põhiline
võimsus läheb laagrite hõõrdejõu töö tegemiseks, kuna mõõdetud väljundvõimsus ei ole
proportsionaalne rakendatud jõuga. (Vaata joonis 15, mõõtmisandmed ka suures tabelis Lisa
6).
(Lisa hõõrdkoormused 2,91mN kiirusel 1.021m/s ja 4,86mN kiirusel 0,881m/s ning vastavad
arvutatud võimsused 2,97mW ning 4,28mW.)
Järgnevalt mõõdeti ära traatmootori mõlema ratta takistav mõju traadile. Selleks keriti peent
niiti eemaldatud traadiga mootori traadisoonde ja riputati niidi otsa erinevaid koormisi kuni
leiti koormis, mille puhul allapoole liikuma tõmmatud koormis kerib end rattalt maha ühtlase
kiirusega. Sellisel juhul on koormise raskusjõud võrdne ratta pöörlemistakistuse poolt traadile
mõjuva takistusjõuga. (Vaata joonis 16.)
Rataste takistusjõududeks tuli vastavalt
F väike ratas=0,95g9,81mNg
F suurratas=0,05g9,81mNg
ja seega rataste kogutakistuseks kujunes 9,81mN.
(Rataste takistusjõu kontrollmõõtmisi viidi läbi periooditi ning iga konkreetse
mootori rataste takistusjõud ei muutunud oluliselt läbiviidud mõõtmiste
jooksul.)
Mõõdetud rataste kogutakistusjõud (9,81mN) ületab tunduvalt maksimaalset
võimalikku rakendatavat lisahõõrdejõudu (5mN ) ja seega on vajalik
väljundvõimsuse arvutamisel arvesse võtta ka rataste takistusjõud.
Lisades mõõdetud kahe ratta laagrite kogutakistusjõu 9,81mN vastavatele
hõõrdpintsli takistusjõududele 2,91mN kiirusel 1.021m/s ja 4,86mN kiirusel
0,881m/s ning arvutades selle jõuga koguvõimsused kahel eri hõõrdpintsli
takistusjõul osutuvad mõlemad väljundvõimsused (vastavalt 12,99mW ja
12,92mW) pea võrdseteks, mis võimaldab püstitada hüpoteesi, et traatmootori
väljundvõimsus on konstantne sõltumata koormusest!
18
Joonis 16. Ketta veeretakistuse määramine
Allikas: erakogu
Täiendava mõõtmise käigus saab hüpotees kinnitust. Täiendavad mõõtmised vastavalt vee
temperatuuril 75,2°C ja õhu temperatuuril 25,7°C traatmootoriga, mis oli koormatud pintsliga
jõul 2,8mN traadi kiirusel 0,876 m/s ja koormamata traadi kiirusel 1,140 m/s andsid rataste
takistusjõu 9,81mN arvesse võtmisel vastavateks võimsusteks 11,03mW ja 11,17mW, mis on
praktiliselt identsed.
Eeltoodu võimaldab loobuda edasistel mõõtmistel hõõrdpintsli kasutamisest ja mõõta
mootori arendatavat võimsust rataste takistusjõu töö kaudu.
19
Joonis 17. Hõõrdpintsli ehitus.
Allikas: erakogu
Joonis 18. Kasuteguri määramine. Koormiseks rataste veeretakistus.
Allikas: erakogu
2.13 Termose ja küttetraadi konstruktsioon
Et vähendada soojuskadusid, koostati termos kolmest teineteise sisse asetatud penoplasttopsist
ning kaeti kahest penoplasttopsist lõigatud kaanega, millesse lõigati vastavad avavused
termomeetri, traatmootori ja küttetakistustraadi toitejuhtmete tarvis. (Vaata joonis 20, joonis
21.) Küttekeha otsustati jätta paremaks soojusülekandeks lahtiseks ja uputada täielikult
soojuskandjasse ehk vette. Vee ühtlase temperatuuri saavutamiseks asetati termos
magnetsegaja peale ning vett segati pidevalt magnetsegaja pulga abil. Esialgselt hinnati
maksimaalselt vajalikku soojusvõimsust 15W peale ning kuna kasutada oli voltampermeeter
mõõtepiirkonnaga 30V 1A, siis nikroomtraadist sukelküttekeha valmistati takistusega 13,4Ω.
2.14 Läbi termose lekkivate soojuskadude määramine
Läbi termose lekkivate soojuskadude võimsuse kindlaksmääramiseks mõõdetakse termosesse
jahtuma jäetud kindla koguse vee temperatuuri muutumist ajas.
Soojuskadude elektriliseks kalibratsiooniks määratakse osades punktides ka soojuskadudega
tasakaalus oleva vee (vee, mille temperatuur ajas ei muutu, kuna soojuskadu on võrdne
kütteelemendi poolt toodetava soojusega) temperatuur sõltuvuses küttetraadil eralduvast
võimsusest.
Määrame vee soojuskaod sisseasetatud seisva mootoriga.
Graafikud 186,8g vee ja 249,2g vee termoses jahtumise kohta asuvad töö lõpus (vastavalt
Lisad 1 ja Lisa 2).
21
Joonis 21. Termos koos kattega.
Allikas: erakogu
Joonis 20. Magnetsegaja, termos, küttespiraalning magnetsegaja pulk.
Allikas: erakogu
Soojuskadude võimsuse leidmine mingi koguse vee jahtumise graafikust on võimalik tänu
faktile, et jahtumise käigus kaotab vesi ajas mingi koguse soojust ning selle soojushulga kadu
on läbi vee soojusmahtuvuse seotud antud vedelikukoguse temperatuuri langusega järgmiselt:
∆ Qkaod
∆ t=Nkadude soojusvõimsus=
cvesimvesi∆ T vesi
∆ t=cvesimvesi
∆ Tvesi
∆ t=cvesimvesi
d Tvesi
d t
Seega kadude võimsuse saab arvutada, kui korrutada arvutuslikult leitud vee temperatuuri
tuletis aja järgi antud koguse vee massi ja erisoojusega.
Antud arvutuse juures ei võetud arvesse termose soojusmahtuvust, kuna termose arvutatud
soojusmahtuvus on üle 50 korra väiksem kui vähima kasutatud veekoguse soojusmahtuvus, ja
seega: cvesimvesi+ Ctermos≈ cvesimvesi . Elektriliste soojuskadude kalibratsioonipunktide ja
vastavate arvutatud kaovõimsuste kõrvutamisel peab arvutatud kaovõimsused
proportsionaalselt temperatuuride vahega korrigeerima reaalsete elektriliste kaovõimsusteni,
mis samas korrigeerib ka vea, mis tekib termose soojusmahtuvuse mittearvestamisest.
Järgnevalt rakendati sellise arvutuse teel saadud küllaltki suure müraga andmetele ka
astmepolünoomiga sobitusfunktsiooni leidmise algoritmi. Esitatud graafikutele on kantud ka
tarkvara poolt leitud sobitatud kadude võimsust ning vee temperatuuri siduvad
polünoomfunktsioonid koos leitud sobitusfunktsioonide parameetritega.
Graafikud 186,8g vee ja 249,2g vee termoses jahtumise kadude võimsuse kohta koos leitud
sobitatud polünoomfunktsioonidega leiab töö lõpust (vastavalt Lisa 3 ja Lisa 4).
Kadude graafikutele matemaatiliselt sobitatud polünoomfunktsioonid seovad kadude
võimsuse (W) vee temperatuuriga (°C) järgnevalt:
N186,8g vee soojuskaod=− 1185+103,9t vesi− 3,592(t vesi)2+0,06138(t vesi)
3− 0,0005171(t vesi)
4+0,000001728( tvesi)5
N249,2g veesoojuskaod=− 39,81+2,436t vesi− 0,04962(tvesi)2+0,0004112(t vesi)
3
2.15 Vee jahtumise graafiku ja elektrilise väljund võimsuse kokkusobitamine
Kuna osades punktides oli määratud ka kadude võimsusega tasakaalus olev küttekehal eralduv
elektriline võimsus, siis sobitusprogrammi poolt määratud funktsioonidega jahtumiskõveraid
sai reaalsete elektriliste punktidega võrreldud Lisas 5 esitatud graafikul koos kõveratega
sobitatud võrdeteguritega.
22
Tabel 1. Arvutatud kadude võimsus ning tasakaalus olev küttekehal eralduv elektriline
võimsus ja sellele vastav mõõdetud tasakaaluoleku temperatuur.
Vee
temperatuur
termoses (°C)
Küttekehal
eralduv
elektriline
võimsus (W)
Arvutatud 186,8g
vee sobitatud
soojuskadude
võimsus (W)
Arvutatud 249,2g
vee sobitatud
soojuskadude
võimsus (W)
4% suurendatud
249,2g vee sobitatud
soojuskadude
võimsus (W)
9% suurendatud
249,2g vee
sobitatud
soojuskadude
võimsus (W)
T (°C) N_UI (W) N_186,8g (W) N_249,2g (W) N_186,8g+4% (W) N_249,2g+9% (W)
85.200 66.27 64.47 61.86 67.05 67.43
84.930 64.90 63.27 61.07 65.80 66.57
84.700 66.17 62.27 60.40 64.76 65.84
84.645 64.90 62.04 60.25 64.52 65.67
80.200 56.95 47.17 48.52 49.06 52.88
80.100 55.71 46.91 48.28 48.79 52.62
52.500 11.96 12.01 10.82 12.49 11.79
Graafik sobitatud 186,8g vee ja 249,2g vee termoses jahtumise kadude soojusvõimsustega
koos elektriliselt määratud kadude võimsuse punktidega asub töö lõpus (Lisa 5).
Sobituste graafikul oli läbi elektrivõimsuse mõõdetud soojuskadude punktidele kõige
lähedasem 9% suurendatud 249,2g vee jahtumisest mõõdetud sobitatud astmepolünoom ja
seega edasistel katsetel antud termostaadiga 25°C toatemperatuuri juures kasutame
järgmist seost termose soojuskadude võimsuse (W) ja termoses oleva vee temperatuuri
(°C) vahel:
N soojuskaod termosest(W )=1,09(− 39,81+ 2,436t vesi− 0,04962(t vesi)2+ 0,0004112(t vesi)
3)
23
2.16 Traatmootori kasuteguri leidmise katsepüstitu se ja arvutuskäigu seletus
Kasuteguri määramiseks on vaja teada reaalset sisendvõimsust ja selle arvel arendatud
väljundvõimsust.
Sisendvõimsuse saab leida seosest:
N sisendvõimsus=N spiraali elektriline soojusvõimsus− Nsoojuskadude võimsustermosest antud veetemperatuuri juures
kus kadude võimsuse määramiseks saame kasutada juba leitud sõltuvust kadude võimsuse ja
termoses asetseva soojendava vee temperatuuri vahel.
Soojendav spiraal on tervenisti vette uputatud ja seega kogu spiraalil eralduv soojus kantakse
veele üle. Spiraali elektrilise soojusvõimsuse saab leida, teades kahte parameetrit kogumist:
pingelang spiraalil, spiraali läbiv voolutugevus või spiraali takistus.
N spiraali elektriline soojusvõimsus=U spiraalil I läbi spiraali=U spiraalil
2
Rspiraal
= I läbi spiraali2 Rspiraal
Kuna pingestatud spiraal on veega sealhulgas ka elektrilises otsekontaktis, siis ei saa välistada
väikese osa elektrienergia kulumist vee elektrolüütiliseks lahutamiseks.
Termodünaamilise masina maksimaalne kasutegur on teatavasti sätestatud järgmise valemiga:
ηsoojusmasin=T soojendaja− T jahutaja
T soojendaja
kus käesoleva töö puhul soojendaja temperatuurina võiks
arvesse tulla termoses oleva vee temperatuur ja jahutaja temperatuur peaks olema õhus
jahutatava suurema ratta reaalne tasakaaluline temperatuur. Soojustakistus kontaktil gaas-
tahkis on nimelt palju suurem kui tahkis-tahkise kontakti korral ning ratta pindala ületab
õhuga kokkupuutuva traadi pindala ligikaudu 20 korda. Seega teoreetiline kasutegur oleks:
ηmaksimaalne=Tvesi termoses− T suuremratas
Tvesi termoses
Lisatud koondtabelisse (vaata Lisa 6) on koondatud kõik traatmootori võimsuse ja kasuteguri
määramiseks tehtud mõõtmised koos arvutustega nendes mõõtepunktides, kus see oli
võimalik. Tabeli märkuste real on märge ka selle kohta, kas mõõdetud punktis oli saavutatud
24
soojuslik tasakaal (vee temperatuur jäi ajas stabiilseks) või mitte. Samuti, kas kasutati ülemise
ketta lisajahutamist (mis muudab ka kadude soojusrežiimi ning ei võimalda kasutada eelnevalt
lisajahutuseta määratud soojuskadude võimsus seost) ning ka märkmed lisahõõrdkoormise
kasutamise ja rataste takistusjõu kohta.
Suur koondtabel kõikide kasuteguri määramiseks tehtud mõõtmistega asub töö lõpus (Lisa 6)
ja sisaldab muuhulgas järgmisi andmeid: toatemperatuur, vee temperatuur termoses, suurema
ratta temperatuur, pinge küttetakistil, voolutugevus läbi küttetakisti, küttetakisti arvutatud
takistus, küttetakistil vabanev elektriline soojusvõimsus, arvutatud soojuskadude võimsus
termosest antud vee temperatuuril, rataste summaarne takistus, pintsli takistusjõud,
summaarne takistusjõud, traadi poolt läbitud teepikkus, aeg mis traadil kulus teepikkuse
läbimiseks, traadi kiirus, traatmootorile üleantav soojusvõimsus, traatmootori arendatav
väljundvõimsus, arvutatud maksimaalne termodünaamiline kasutegur, traatmootori
kasutegur arvestamata rataste hõõrdeks kuluvat võimsust, reaalse ja maksimaalse
termodünaamilise kasuteguri suhe, väljundvõimsus maksimaalse kasuteguri kohta, märkused
vastava mõõtmise eritingimuste kohta.
2.17 Ülemise jahutava ratta ülekuumenemise problee m
Katse tulemustest ilmnes, et mootori väljundvõimsuse vähenes soojendava vee kõrgetel
temperatuuridel.
Kuna samas sai mõõdetud ka väga kõrged, mälulise
oleku üleminekutemperatuuri pea ületavad jahutava
suurema ketta temperatuurid, sai läbi viidud
lisamõõtmiste seeria, mille käigus vaheldumisi kas
lisajahutati puhuriga jahutatavat ratast (märge J
koondmõõtmiste tabelis Lisa 6) või ei. (Vaata joonis 22.)
2.18 Purunenud traatideasenduseks ostetud seadmevõimsus
Mõõtmise käigus purunenud mälutraatide asenduseks ostetud traatmootori rataste
veeretakistused olid märkimisväärselt väiksemad kui eelmise mootori veeretakistused. Seega
25
Joonis 22. Ülemise ketta lisajahutamine puhuriga.
Allikas: erakogu
oodati selle mootori mõõtmisel märgatavat pöörete arvu kasvu. Selgus aga, et seadme pöörete
arv ja seega ka väljundvõimsus jäi ootamatult väikeseks, kuna arvatavasti traadi suurtel
kiirustel tõuseb proportsionaalselt ratta kiirusega ka vedeliku takistusjõud, mida aga kasutatud
mõõtmismetoodika ei võimaldanud arvesse võtta. Ka ei saa vedeliku takistust rattale masina
töös ära hoida ja seega jääb ratta vedelikuhõõre omakadude sisse mida kasuteguri määramisel
arvesse võtta pole vaja.
(Uue seadme mõõtmised leiab koondtabelist Lisa 6 lisalahtri tähistusega S.)
2.19 Vee väljapritsimise kiiruse hindamine ning vä ljapritsitud vee võimalikuks asenduseks lisatud vee taassoojenda miseks kuluva soojusvõimsuse hindamine.
Traat ümbritseti topsidest lõigatud kogumiskattega, mis eelnevalt kuivana ka kaaluti.
100 sekundi möödudes kate eemaldati ja kaaluti koos pealepritsunud veega.
26
Joonis 23. Veekao kogumine.
Veepritsmed kogunevad topsi.
Allikas: erakogu
Joonis 24. Veekao kaalumine.
Allikas: erakogu
Kaalu erinevuseks oli 1,01g traadi kiiruse 1,25m/s juures, mis teeb vee väljakande kiiruseks
0,0101g/s.
Soojendava vee temperatuur oli mõõtmise kestel 75,4°C ja toatemperatuur 23.4°C, millise
temperatuuriga oleks olnud ka juurdevalatav vesi. Sellise kao juures heideti koos veega
minema ka 2,2W vee toatemperatuurilt töötemperatuurini soojendamiseks kulutatud energiat,
mis statsionaarselt töötava masina puhul moodustaks soojusenergia lisakao. Eeltoodule
tuginedes on väljapritsuva vee kineetilise energia kujul minema kantav soojusvõimsus
suurusjärgus 0,01mW ja seega tühine.
2.20 Soojuskaod läbi termosesse asetatud, kuid sei sva mootori
Selle hindamiseks soojendati vesi termoses ilma sisseasetatud mootorita kütmisega
elektrivõimsusel 55,708W tasakaalulise temperatuurini 80,1°C ning seejärel sisestati vette
mittetöötavas olekus traatmootor ja oodati uue tasakaalulise temperatuuri saabumist. Vee
temperatuur stabiliseerus 80,0°C juures, mis juba kasutuses oleva soojuskadude tabeli põhjal
annab läbi mootori lisasoojuskadudeks 52,621W-52,360W= 0,261W. See on aga vaid 0,5%
tolle hetke kogu soojuskaovõimsusest ja seega tühine.
2.21 Mälutraatide lühike eluiga
Katsete käigus purunes kokku 4 mälutraati.
Ridgway Banks on maininud oma artiklis „Getting Warmer: The Nitinol Engine“, et mootoris
kasutatavatel mälutraatidel on ülisuur ja pikaealine deformatsiooni taluvus (Banks 1992).
Sama on kinnitatud ka Scientific Instruments Inc koduleheküljel (Scientific Instruments Inc
kodulehekülg). Vaatamata sellele purunes mõõtmise käigus kokku 4 mälutraatrõngast.
Internetiotsingud traatide vähese vastupidavuse osas adekvaatset tulemust ei andnud, kuid
kuna tootja oli komplektiga kaasa pannud ka tagavaratraadid, siis võib eeldada, et tootja on
enda poolt kasutatavate mälutraatide lühikese vastupidavuse probleemist teadlik.
Meie kasutuses olnud traadid kestsid vastavalt kümmekond tundi, kümme minutit, kolm tundi
ja kaks tundi tööd.
Antud mudeli traatide lühike eluiga on tagavaratraatide pea 10€ jaehinna juures kindlasti
mootori ekspluatatsiooni juures väga tuntav lisakulu.
Seda on tõtanud ära kasutama ka mootori tootja, kuna asenduseks muretsetud traatmootoril
27
(eraldi tagavara mälutraate oleks pidanud tellima ja pikalt ootama) oli varasema kolme traadi
asemel nüüd komplektis vaid kaks traati. (Sci-Supply koduleht)
Ka osutus purunenud traatide uurimisel, et mälutraatide mäluline olek on erinevalt arvatavast
sirgest hoopis kaar kõverusraadiusega 4-6cm varieerudes traadist traati.
Iseenesest annavad purunenud traadid võimaluse määrata paremini kindlaks mälulist
üleminekutemperatuuri nii soojenemisel kui jahtumisel nagu ka mälumaterjali muid
parameetreid. Kuid see oleks juba järgnevate uurimistööde teema.
28
Joonis 25. Katkised mälutraadid
Allikas: erakogu
3 Mõõtmistulemuste analüüs
Järgnev sisaldab endas eelkõige kasuteguri mõõtmiste koondtabeli analüüsi. (Lisa 6)
Kokku viidi läbi kuus eri seeriat mõõtmisi, mida analüüsis nimetatakse vastavalt:
Mõõtmine 1, Mõõtmine 2, Mõõtmine 3, Mõõtmine uue seadmega, Mõõtmine lisajahutusega
ja ilma, Mõõtmine teistest erinevalt käitunud traadiga.
Mõõtmine 1 viidi peamiselt läbi maksimaalsetel elektrilistel soojendusvõimsustel eesmärgiga
saada esialgne kasuteguri hinnang.
Mõõtmine 2 käigus mõõdeti kasutegurit kogu kättesaadava soojendava vee temperatuuride
ulatuses kuni mootori seiskumiseni.
Mõõtmine 3 käigus mõõdeti mootorile rakendatavat maksimaalselt võimalikku takistusjõudu.
Kuna antud mõõtmine ei toimunud termoses, siis puuduvad ka elektrilise sisendvõimsuse ja
termose kadude andmed.
Uue väiksema veeretakistusega masinaga viidi läbi üks kahe mõõteseeriaga mõõtmine
selgitamaks välja maksimaalset võimalikku väljundvõimsust ja traadi maksimaalset
liikumiskiirust. (Mõõtmine uue masinaga)
Mõõtmine lisajahutusega või ilma pidi välja selgitama kuidas jahutava ketta lisajahutus
mõjutab kasutegurit ja/või väljundvõimsust. Kuna lisajahutus suurendas kindlasti ka termose
arvestuslikke soojuskadusid, mida aga polnud eraldi võimalik kindlaks teha, siis arvestuslike
kadude lahter on jäetud tühjaks ning neid lahtreid vajavates vastavates analüüsides antud
andmeid kasutada ei saa. Küll aga oli tasakaaluline üks ilma jahutuseta mõõtmine sellest
seeriast (viitega Mõõtmine 5).
Mõõtmine uue traadiga on eraldi välja toodud, kuna selle traadiga töötamisel käitus mootor
oluliselt teistmoodi varem mõõdetust ning oli kohatu käsitleda neid andmeid teiste
mõõtmistega koos. Seega võib mõõtmiste seda osa vaadata kui andmete variatsiooni sõltuvalt
igast konkreetsest mälutraadist.
Osad lahtrid on jäänud tühjaks, kuna kõikide mõõtmiste puhul ei olnud võimalik järgida
näiteks kas termodünaamilise tasakaalu printsiipi või oli näiteks uue masina puhul jahutava
ketta temperatuuri mõõtmine võimatu, kuna uue masina ketaste mõõtepinnad ei olnud kaetud
29
mattmusta värviga.
Analüüs ise:
Graafik näitab, et lisaks juba eelpooltoodud mootori väljundvõimsuse mittesõltumisele
mootori koormisest ei sõltu ka mootori mõõdetud kasutegur soojendava vee temperatuurist.
Anomaalia mõõtmisel 49,1ºC juures on seletatav sellega, et mootor liikus pea olematute
pööretega ning peatus täielikult juba 49,0°C juures. Peab toonitama, et kasutegur sai
mõõdetud mootori enda veerekadusid arvesse võtmata, või täpsemalt isegi olukorras kus kogu
mootori väljundvõimsus läks nendesamade veerekadude ületamiseks!
Mõõdetu lubab väita, et mootori kasutegur mootorisiseseid kadusid arvestamata on
suurusjärgus (0,08±0,02)% ega sõltu soojendava vee temperatuurist.
30
Joonis 26. Traatmootori kasuteguri sõltuvus vee temperatuurist.
Allikas: erakogu
45 50 55 60 65 70 75 80 850
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0,14
0,16Traatmootori kasuteguri sõltuvus vee temperatuurist
Mõõtmine 2
Mõõtmine 1
Mõõtmine 5
vee temperatuur (°C)
traa
tmo
otor
i ka
sute
gur
(%)
Ülaltoodu lubab väita, et seadme mõõdetud arendatav kasutegur ei sõltu mõõdetud
tingimustel arvutatud termodünaamilise soojusmasina maksimaalsest võimalikust
kasutegurist.
Meie mõõtmiste kohaselt on seos seadme väljundvõimsuse ja seadme maksimaalse
termodünaamilise kasuteguri vahel hästi jälgitav ja see seos on lineaarne.
31
Joonis 27. Traatmootori kasuteguri sõltuvus soojusmasina maksimaalsest kasutegurist.
5 6 7 8 90
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0,14
0,16
Traatmootori kasuteguri sõltuvus soojusmasina maksimaalsest kasutegurist
Mõõtmine 2
Mõõtmine 1
Mõõtmine 5
soojusmasina maksimaalne võimalik kasutegur (%)
traa
tmo
oto
ri k
asu
teg
ur
(%)
Joonis 28. Traatmootori väljundvõimsuse sõltuvus soojusmasina maksimaalsest kasutegurist.
3 4 5 6 7 8 9 10 110
5
10
15
20
25
Traatmootori väljundvõimsuse sõltuvus
soojusmasina maksimaalsest kasutegurist
Mõõtmine 2
Mõõtmine1
Mõõtmine 3
lisajahutusega
lisajahutuseta
uus traat
uus traat lisajahutusega
soojusmasina maksimaalne kasutegur (%)
tra
atm
oot
ori
väl
jund
võim
sus
(m
W)
Eriti hästi on näha, et suurema ratta lisajahutuse puudumine kõrgetel soojendusvee
temperatuuridel piirab ära nii maksimaalse termodünaamilise kasuteguri kui ka seadme
väljundvõimsuse. Suurema ratta lisajahutus võimaldab aga seadmel arendada märgatavalt
suuremat väljundvõimsust, mis on aga siiski lineaarses korrelatsioonis maksimaalse
võimaliku kasuteguriga. (Vaata eraldiseisvat roheliste punktide gruppi.)
Mootori väljundvõimsuse sõltuvus soojendava vee temperatuurist pole nii kenasti lineaarne
nagu maksimaalsest termodünaamilisest kasutegurist. Selgelt väljendunud lineaarsus väikestel
temperatuuridel asendub küllastusplatooga kõrgetel temperatuuridel. Jahutava ratta lisajahutus
toob aga kaasa väljundvõimsuse hüppelise mittelineaarse kasvu. Erakordselt väikese
võimsusega paistab silma väikese veeretakistusega uus traatmootor, kuid seal on suure
mootori pöörete arvu tõttu tõenäoliseks kadude allikaks kiiruse ruuduga võrdeliselt kasvanud
vedeliku sisehõõrde kaod, mida pole õnnestunud võimsuse määramisel arvesse võtta...
32
Joonis 29. Traatmootori väljundvõimsuse sõltuvus vee temperatuurist.
40 45 50 55 60 65 70 75 80 850
5
10
15
20
25
Traatmootori väljundvõimsuse sõltuvus vee temperatuurist
Mõõtmine 2
uus seade '
Mõõtmine 1
Mõõtmine 3
lisajahutusega
lisajahutuseta
uus traat
uus traat lisajahutusega
vee temperatuur (°C)
tra
atm
oot
ori
väl
jund
võim
sus
(m
W)
Muidu lineaarne sõltuvus mootori väljundvõimsuse ja suurema jahutava ketta temperatuuri
vahel põrkub 49°C juures justkui vastu seina sest kõrgemal temperatuuril ei suuda mälutraat
jahtuda alla kujumälulise faasi temperatuuri ning selle tõttu mootor aeglustub-peatub. Ketta
lisajahutus toob kaasa hüppelise väljundvõimsuse kasvu, viies seadme mälumaterjali eemale
üleminekutemperatuurilähedasest ebaefektiivsest töörežiimist.
33
Joonis 30. Traatmootori väljundvõimsuse sõltuvus jahutatava ketta temperatuurist.
25 30 35 40 45 50 550
5
10
15
20
25
Traatmootori väljundvõimsuse sõltuvus jahutava ketta temperatuurist
Mõõtmine 2
Mõõtmine 1
Mõõtmine 3
lisajahutusega
lisajahutuseta
uus traat
uus traat lisajahutusega
jahutava ketta temperatuur (°C)
tra
atm
oot
ori
väl
jund
võim
sus
(m
W)
4 Kokkuvõte
Uurimistöös käsitletud mälutraatmootori kasutegur ei sõltu ei soojendava vee temperatuurist
ega seadme maksimaalsest võimalikust termodünaamilisest kasutegurist ja on mootorisiseseid
kadusid arvestamata suurusjärgus (0,08±0,02) protsenti.
Selgelt väljendub lineaarne sõltuvus seadme väljundvõimsuse ja maksimaalse
termodünaamilise kasuteguri vahel. Kuid samas selleks, et saavutada suuri väljundvõimsusi ja
ära hoida ebaefektiivseid, üleminekutemperatuuridele lähedasi temperatuurirežiime, peab
hoolitsema suurema jahutava ketta korraliku lisajahutuse eest.
Kuid ta liigub siiski!
34
Joonis 31. Ta liigub siiski.
Allikas: erakogu
Kasutatud kirjandus
Wikipedia: Smart material (2015). Loetud:http://en.wikipedia.org/wiki/Smart_material 19.04.2015
Wikipedia: Shape-memory alloy (2015). Loetud:http://en.wikipedia.org/wiki/Shape-memory_alloy 19.04.2015
Wikipedia: Shape-memory polymer (2015). Loetud:http://en.wikipedia.org/wiki/Shape-memory_polymer, 19.04.2015
Wikipedia: Nickel titanium (2015). Loetud:http://en.wikipedia.org/wiki/Nickel_titanium, 19.04.2015
Wikipedia: Pseudoelasticity (2015). Loetud:http://en.wikipedia.org/wiki/Pseudoelasticity, 19.04.2015
Elhi,A.-L. (2013) Nikkeltitaanist juureraviinstrumentide omadused ja kasutamise eripärad. Loetud: https://sisu.ut.ee/juureravi4/avaleht, 19.04.2015
Images Scientific Instruments Inc kodulehekülg. Loetud:http://www.imagesco.com/articles/nitinol/09.html, 19.04.2015
Sci-Supply kodulehekülg. Loetud: http://www.sci-supply.com/Memory-Metal-Heat-Engine-Nitinol-Wire-Engine-p/ss3884.htm, 19.04.2015
Sci-Supply kodulehekülg. Loetud: http://www.sci-supply.com/Replacement-Nitinol-Wire-for-Memory-Metal-Engine-p/ss3884a.htm, 19.04.2015
Wakjira, J. (2001) The VT1 Shape Memory Alloy Heat Engine Design. Loetud:http://scholar.lib.vt.edu/theses/available/etd-02102001-172947/unrestricted/ETD.pdf, 19.04.2015
Banks, R. (1992) Getting Warmer: The Nitinol Engine. Loetud:http://www.winstonbrill.com/bril001/html/article_index/articles/1-50/article12_body.html, 19.04.2015
35
186,8 g vee jahtumine termoses
0 500 1000 1500 200040
50
60
70
80
Aeg (s)
186,8
g v
ee tem
pera
tuur
(°C
)
249,2g vee jahtumine termoses
0 1000 2000 3000
40
50
60
70
80
Aeg (s)
249,2
g v
ee tem
pera
tuur
(°C
)
Kadude võimsus 186,8g vee jahtumisel termoses
40 50 60 70 80-10
10
30
50
70
186,8g vee temperatuur (°C)
ka
du
de
võ
imsu
s N
(W
) ka
du
de
võ
imsu
se
N s
ob
itu
s (
W)
(41,001, 12,49)
Auto Fit for: Mõõtmine 1 | kadude võimsus NN_T(W) = A+Bx+Cx^2+Dx^3+Ex^4+Fx^5
A: -1185 +/- 207,0
B: 103,9 +/- 17,62
C: -3,592 +/- 0,5921
D: 0,06138 +/- 0,009825
E: -0,0005171 +/- 8,048E-005
F: 1,728E-006 +/- 2,605E-007
RMSE: 2,911 W
Kadude võimsus 249,2g vee jahtumisel termoses
40 50 60 70 80-10
10
30
50
70
249,2g vee temperatuur (°C)
ka
du
de
võ
imsu
s N
(W
)
ka
du
de
võ
imsu
se
N s
ob
itu
s (
W)
Auto Fit for: 249,2g vee jahtumine termoses | kadude võimsus NN_T = A+Bx+Cx^2+Dx^3
A: -39,81 +/- 6,183
B: 2,436 +/- 0,3302
C: -0,04962 +/- 0,005744
D: 0,0004112 +/- 3,258E-005
RMSE: 3,529 W
40 50 60 70 80 900
10
20
30
40
50
60
70
80
Elektriliselt määratud kadude võimsus N_UI kõrvutatud vee jahtumisest määratud kadude võimsustega ja korrektsiooniga
N_UI (W)
N_186,8g (W)
N_249,2g (W)
N_186,8g +4% (W)
N_249,2g +9% (W)
Vee temperatuur (ºC)
So
oju
ska
dud
e v
õim
sus
(W
)
suur kasuteguri mõõtmiste tabel
Page 1
toa
tem
pera
tuur
vee
tem
pera
tuur
term
oses
ülem
ise
ketta
tem
pera
tuur
kütte
keha
pin
ge U
kütte
keha
voo
l I
kütte
keha
taki
stus
R
kütte
ele
ktriv
õim
sus
arve
stus
lik k
adud
e võ
imsu
s
rata
ste
sum
maa
rne
taki
stus
pint
sli t
akis
tusj
õud
sum
maa
rne
taki
stus
jõud
traa
di p
oolt
läbi
tud
teep
ikku
s
pikk
use
läbi
mis
e ae
g
traa
di k
iirus
sead
me
välju
ndvõ
imsu
s
mak
sim
aaln
e ka
sute
gur
sead
me
kasu
tegu
r
kasu
tegu
rite
suhe
V A Ω W W m s m/s W % % % P J L S T
23,1 79,1 48,5 29,595 2,18 13,58 64,517 -50,056 10,1 0,00 10,10 53,186 45,216 1,18 14,461 11,88 8,69 0,082 0,95 136,70
23,0 78,3 48,0 29,669 2,18 13,61 64,678 -48,060 10,1 0,00 10,10 51,104 40,490 1,26 16,618 12,75 8,63 0,077 0,89 147,80
23,4 75,4 47,0 27,578 2,02 13,65 55,708 -41,455 10,1 0,00 10,10 48,860 35,490 1,38 14,253 13,90 8,15 0,098 1,20 170,58
23,3 75,3 45,5 27,549 2,02 13,64 55,649 -41,241 10,1 3,75 13,85 29,263 30,460 0,96 14,408 13,31 8,56 0,092 1,08 155,54
23,4 75,4 45,5 27,549 2,02 13,64 55,649 -41,455 10,1 0,00 10,10 52,652 42,196 1,25 14,194 12,60 8,58 0,089 1,03 146,85
22,6 70,2 45,0 25,646 1,87 13,71 47,958 -31,525 10,1 0,00 10,10 37,647 30,897 1,22 16,433 12,31 7,34 0,075 1,02 167,60
22,8 65,3 41,3 23,784 1,74 13,67 41,384 -24,169 10,1 0,00 10,10 57,779 58,290 0,99 17,215 10,01 7,09 0,058 0,82 141,12
22,4 61,8 41,0 21,292 1,56 13,65 33,216 -19,924 10,1 0,00 10,10 30,758 32,975 0,93 13,292 9,42 6,21 0,071 1,14 151,64
24,3 55,9 38,0 17,891 1,30 13,76 23,258 -14,319 10,1 0,00 10,10 27,500 42,430 0,65 8,939 6,55 5,44 0,073 1,35 120,28
24,6 51,3 33,0 14,688 1,05 13,99 15,422 -10,994 10,1 0,00 10,10 19,380 49,970 0,39 4,428 3,92 5,64 0,088 1,57 69,42
21,1 49,1 32,0 13,000 0,92 14,13 11,960 -9,644 10,1 0,00 10,10 17,408 55,165 0,32 2,316 3,19 5,31 0,138 2,59 60,03
25,2 75,3 29,771 2,18 13,66 64,901 -41,241 1,67 0,00 1,67 52,225 36,630 1,43 23,660 2,38 0,010 S
25,1 75,2 29,767 2,18 13,65 64,892 -41,028 1,67 0,00 1,67 40,317 24,610 1,64 23,864 2,74 0,011 S
25,7 75,5 48,0 27,540 2,06 13,39 56,650 -41,670 9,8 0,00 9,80 33,161 31,190 1,06 14,980 10,42 7,89 0,070 0,88 132,04
25,6 76,3 46,0 27,540 2,06 13,39 56,650 -43,423 9,8 0,00 9,80 49,820 54,250 0,92 13,227 9,00 8,67 0,068 0,78 103,75
25,7 76,1 48,0 27,540 2,06 13,39 56,622 -42,979 9,8 2,80 12,60 41,870 45,060 0,93 13,643 11,71 8,05 0,086 1,07 145,45
25,7 75,2 48,0 27,540 2,06 13,39 56,622 -41,028 9,8 2,80 12,60 22,428 25,610 0,88 15,594 11,03 7,81 0,071 0,91 141,26
25,8 75,2 49,0 27,540 2,06 13,39 56,622 -41,028 9,8 0,00 9,80 42,770 37,510 1,14 15,594 11,17 7,52 0,072 0,95 148,51
25,6 74,9 46,0 27,540 2,07 13,32 56,953 9,8 9,80 44,480 44,410 1,00 9,82 8,31 118,16 P
25,6 74,8 47,0 27,540 2,07 13,32 56,953 9,8 9,80 24,511 28,420 0,86 8,45 7,99 105,74 P
81,8 50,0 0,000 9,81 2,91 12,72 105,700 103,500 1,02 12,99 8,96 144,94
sead
mes
se s
isen
ev
sooj
usvõ
imsu
s
välju
ndvõ
imsu
s ja
gatu
d m
aksi
maa
lse
kasu
tegu
riga
Pol
e te
rmili
st ta
saka
alu
ülem
ise
ketta
lisa
Jahu
tus
Lis
akao
d
uus
Sea
de
uus
Tra
at
°C °C °C mN mN mN mW mW
suur kasuteguri mõõtmiste tabel
Page 2
toa
tem
pera
tuur
vee
tem
pera
tuur
term
oses
ülem
ise
ketta
tem
pera
tuur
kütte
keha
pin
ge U
kütte
keha
voo
l I
kütte
keha
taki
stus
R
kütte
ele
ktriv
õim
sus
arve
stus
lik k
adud
e võ
imsu
s
rata
ste
sum
maa
rne
taki
stus
pint
sli t
akis
tusj
õud
sum
maa
rne
taki
stus
jõud
traa
di p
oolt
läbi
tud
teep
ikku
s
pikk
use
läbi
mis
e ae
g
traa
di k
iirus
sead
me
välju
ndvõ
imsu
s
mak
sim
aaln
e ka
sute
gur
sead
me
kasu
tegu
r
kasu
tegu
rite
suhe
V A Ω W W m s m/s W % % % P J L S T
sead
mes
se s
isen
ev
sooj
usvõ
imsu
s
välju
ndvõ
imsu
s ja
gatu
d m
aksi
maa
lse
kasu
tegu
riga
Pol
e te
rmili
st ta
saka
alu
ülem
ise
ketta
lisa
Jahu
tus
Lis
akao
d
uus
Sea
de
uus
Tra
at
°C °C °C mN mN mN mW mW
82,7 50,0 0,000 9,8 0,20 10,00 67,300 64,200 1,05 10,48 9,19 114,03 P
83,3 46,0 0,000 9,8 9,80 109,160 99,500 1,10 10,75 10,47 102,70 P
84,0 46,0 0,000 9,8 4,86 14,66 31,600 35,880 0,88 12,91 10,64 121,30
25,6 76,5 46,0 0,000 9,8 9,80 30,030 24,080 1,25 12,22 8,73 140,05
25,6 75,8 47,0 0,000 9,8 9,80 27,660 33,550 0,82 8,08 8,26 97,85 P
26,3 70,9 35,6 29,533 2,15 13,74 63,496 9,71 9,71 32,680 15,990 2,04 19,85 10,26 193,33 J L
26,5 70,5 37,6 29,533 2,15 13,74 63,496 9,71 9,71 31,720 15,920 1,99 19,35 9,58 201,99 J L
26,7 69,7 37,9 29,533 2,15 13,74 63,496 9,71 9,71 47,790 24,687 1,94 18,80 9,28 202,57 J L
27,2 68,9 37,9 29,580 2,15 13,76 63,597 9,71 9,71 38,982 19,672 1,98 19,24 9,07 212,21 J L
27,1 68,7 37,8 29,580 2,15 13,76 63,597 9,71 9,71 40,904 21,095 1,94 18,83 9,04 208,21 J L
26,8 72,0 37,9 29,591 2,15 13,76 63,621 9,71 9,71 41,812 19,920 2,10 20,38 9,88 206,21 J L
27,1 70,8 38,5 29,591 2,15 13,76 63,621 9,71 9,71 45,337 22,070 2,05 19,95 9,39 212,31 J L
26,8 72,5 37,3 29,592 2,15 13,76 63,623 9,71 9,71 26,967 12,980 2,08 20,17 10,19 198,01 J L
25,5 74,7 48,8 29,533 2,15 13,74 63,496 9,71 9,71 22,535 15,731 1,43 13,91 7,45 186,73 P
26,4 74,2 47,7 29,591 2,15 13,76 63,621 9,71 9,71 28,569 20,054 1,42 13,83 7,63 181,24 P
26,3 74,1 48,4 29,591 2,15 13,76 63,621 9,71 9,71 21,947 16,245 1,35 13,12 7,40 177,17 P
26,8 71,0 46,6 29,591 2,15 13,76 63,621 9,71 9,71 25,630 18,540 1,38 13,42 7,09 189,25 P
26,3 73,6 47,5 29,592 2,15 13,76 63,623 -37,747 9,71 9,71 20,399 15,950 1,28 25,876 12,42 7,53 0,048 0,64 164,91
26,4 75,4 48,0 29,620 2,15 13,78 63,683 9,71 9,71 15,860 15,720 1,01 9,80 7,86 124,57 P T
26,3 75,2 48,1 29,622 2,15 13,78 63,687 9,71 9,71 26,113 24,128 1,08 10,51 7,78 135,02 P T
26,6 74,3 37,6 29,622 2,15 13,78 63,687 9,71 9,71 39,730 19,510 2,04 19,77 10,57 187,12 J L T
27,0 73,5 38,0 29,622 2,15 13,78 63,687 9,71 9,71 40,103 20,013 2,00 19,46 10,25 189,91 J L T
Resümee
Mälutraatmootor moondab soojusenergia mehaaniliseks energiaks kasutades selleks traadi
materjali kujumälu omadust.
Uuritav traatmootor koosneb akrüülist hoidikust, kahest eri suurusega alumiiniumist
traadisoonega kettast ning traadisoones jooksvast mälutraadist rõngast.
Soe vesi kuumutab üle mälukuju üleminekutemperatuuri temasse sisenenud väikese ratta
raadiusel deformeeritud mittemälulises olekus traadi. Nüüd juba sirge traadi mälukujul, kuid
rattal kõveralt pingul mälutraat püüab ennast väikese ratta kõveralt pinnalt maha kerida,
tõmmates samas vette soojenema uue portsu mittemälulises olekus külma traati. Kuum traat,
jõudes ülemisele jahedale suurele kettale, jahtub ning nüüd juba taas mittemäluline traat
siirdub alumisele väiksemale kettale ning protsess kordub kuni vesi on piisavalt kuum.
Käesoleva uurimistöö teemaks on „Mälutraatmootori kasuteguri määramine“. Töö eesmärgiks
on mõõta milline on mälutraatmootori kasuliku töö võimsuse suhe mootorisse siseneva
soojusenergia võimsusesse. Nimelt puuduvad avalikus pressis andmed antud
mälutraatmootori mudeli võimaliku kasuteguri kohta. Töö eesmärkide saavutamiseks viidi
läbi hulk katseid mille käigus saadi andmed toatemperatuuril töötava mälutraatmootori töö
kohta soojendusvee temperatuurivahemikus 49°C kuni 84°C. Uurimistöö eesmärk sai
täidetud.
Töö käigus selgusid nii mootori halb koormatavus, mootori üliväike kasutegur (ligikaudu
0,08%) võrreldes ideaalse soojusmasina töötsükli maksimaalselt võimaliku kasuteguriga, kui
ka antud mudeli mälutraatide halb vastupidavus. Mõõtmise tulemuste analüüs lubas leida rea
seoseid mootori arendatava võimuse, kasuteguri, töötamise temperatuuriparameetrite ja
koormatavuse vahel.
Antud uurimistöö on jaotatud neljaks osaks. Esimeses osas saame ülevaate mälumaterjalidest,
nitinolist, nitinoli omadustest ning mälumaterjalil töötavatest mootoritest. Teises osas saame
ülevaate katse ülesehitusest ning läbiviimisest ning katsete käigus ilmnenud probleemidest.
Kolmandas osas esitletakse ning analüüsitakse mõõdetud tulemusi ning tehakse järeldusi.
Neljas osa on kokkuvõte.
43
Abstract
A memory metal heat engine demonstrates the conversion of heat into mechanical energy. The
current memory metal heat engine is constructed of a boomerang shaped clear acrylic holder
with two cast aluminum pulleys with memory metal loop wire around the pulleys. This engine
exploits the nitinol wire Shape Memory property. When submerged into hot water, the nitinol
wire tries to return to its original memorised straight shape and exerts torque on the smaller
pulley. Torque spins the lower pulley, and more nitinol wire is drawn into the hot water. The
other side of the loop momentarily relaxes from the memory state as it passes around the
larger pulley cooled by the air. The process will repeat as long as the water remains warm
enough.
The aim of this research paper is of “Determining the efficiency factor of a nitinol wire
engine”.
The objective of the research is to determine the ratio of effective work of a nitinol wire
engine to the heat energy required to operate one. There is no public data published on the
efficiency of this type of nitinol wire engine. The objective of the research was met at
temperatures ranging from 49°C to 84°C. To meet the objective of the research series of
complex experiments where conducted.
The results of this research showed that the efficiency factor is not greatly effected by the
temperature of the heating water. During testing it became apparent that the engine has a
small load capacity, has an extremely small efficiency factor, namely around 0,08%,
compared to its maximum much higher theoretical value and that the memory wires used have
rather poor durability. Analysis of the results of the measurements allowed to find a number of
connections between the engines power output, efficiency factor, working temperature
parameters and load capacity.
The research paper consists of four parts. The fist part provides a overview of nitinol and its
properties, memory metals and memory metal heat engines. The second part describes the
way the experiment was conducted and the third part describes the results of the experiment
and draws some conclusions. The fourth path is the summary.
44