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

7

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

20

Joonis 19. Katse ülesehitus

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