Эффект запоминания формы и мини-энергетика

Эффект запоминания формы и мини-энергетика, основанная на этом эффекте.

Выдержка из книги доктора техн.наук, сотрудника Института Океанологии Академии Наук СССР (имени Ширшова)
Н.В.Вершинского "Энергия океана" Изд."Наука" 1986г.

ЭЗФ — эффект запоминания формы — физическое явление, впервые обнаруженное советскими учеными — академиком Г. В. Курдюмовым и Л. Г. Хондросом в 1949 г. Эффект запоминания формы наблюдается в особых сплавах и заключается в том, что детали из них восстанавливают после деформации свою начальную форму при тепловом воздействии. Например, если пластинку из сплава нитинол согнуть в холодном состоянии в дугу, то она будет сохранять эту форму сколь угодно долго. Но достаточно согнутую пластинку немного подогреть — она тут же выпрямится, как хорошая пружина. При нагревании пластина из нитинола возвращается к своей первоначальной форме, которая была ей придана при изготовлении, точнее — при закалке (отжиге).

Широкую известность получил опыт с несматывающейся проволокой: тонкую длинную проволоку из нитинола нельзя свить в моток, она тут же разматывается. Когда изделие из нитинола возвращается к первоначальной форме, при этом развивается достаточно большое усилие: до 55 т на каждый квадратный дюйм сечения детали.

Можно сказать и так: эффект памяти формы заключается в способности особых сплавов накапливать под воздействием внешнего механического напряжения довольно значительную деформацию, обратимую при нагреве. В зависимости от типа сплава деформация может достигать 10—15 % и выше. Парадокс заключается в том, что при восстановлении первоначальной формы может совершаться работа, значительно превосходящая ту, которая была затрачена на деформацию в холодном состоянии. Однако парадокс этот кажущийся. Противоречия закону сохранения энергии здесь нет. Для восстановления первоначальной формы деталь необходимо подогреть, т. е. затратить некоторое количество тепловой энергии. И оно всегда будет больше произведенной работы. Если создать тепловую машину, где в качестве рабочего тела будет применяться сплав, обладающий эффектом запоминания формы, то КПД такой машины, как и всякой другой, будет меньше единицы. По этому поводу физик Э. Раушер заметил, что в законах термодинамики нет никаких ошибок, просто они не объясняют того, что происходит в нитиноле.

Физика эффекта запоминания формы основана на фазовых превращениях в особых сплавах. Мы говорили о нитиноле. Но есть и другие подобные сплавы, правда, нитинол — лучший из них. Он представляет собой соединение никеля с титаном, известное также под названием моно- никелида титана. Его химическая формула TiNi. В этом соединении наиболее ярко проявляется способность запоминания формы, что непосредственно связано с особенностями изменения строения кристаллической решетки этого сплава при фазовых переходах.

Кристаллическая решетка нитинола может находиться в одной из двух форм: либо в виде объемно-центрированного куба (ОЦК), такое состояние решетки называется аустенитной формой; либо в виде ромбовидной структуры с центрированными гранями (РГЦ) — мартенситная форма. Переход объемно-центрированного куба в гранецентрированный ромб называется прямым мартенситным превращением, а переход структуры РГЦ в структуру ОЦК — обратным мартенситным превращением. На превращениях этих двух различных кристаллических структур и основано явление эффекта запоминания формы. Его называют также термоупругим мартенситным превращением, или переходом мартенсит—аустенит и обратно.

Схема фазовых превращений в нитиноле при изменениях температуры . Количество мартенсита в нитиноле в зависимости от температуры. Проследим за поведением пластинки из нитинола.

Пусть нитиноловая пластинка первоначально находится при температуре, обозначенной точкой М„ которая соответствует температуре начала прямого мартенситного превращения. При дальнейшем охлаждении пластинки количество мартенсита будет возрастать до точки Ag, т. е. температуры конца прямого мартенситного превращения. Это самая холодная точка, здесь нитиноловая пластинка легко сгибается в дугу.

Дальше следует процесс нагрева, приводящий к обратному мартенситному превращению, т. е. к образованию аустенита. Начало этого процесса отмечено точкой Ад. По достижении пластинкой температуры, соответствующей этой точке, количество мартенсита в ней начинает резко падать. Процесс уменьшения количества мартенсита идет с повышением температуры по наклонной прямой Ад—Ад. На этом участке фазовой диаграммы происходит распрямление пластинки. Скорость выпрямле- ния зависит от быстроты нагрева. Точка А, соответствует температуре конца обратного мартенситного превращения.

Температура начала обратного мартенситного превращения (точка Ад) ниже температуры начала прямого мартенситного превращения (точка Ag) при охлаждении. Это важное обстоятельство связано с наличием деформации, т. е. изгибом пластинки. Накопленная в пластинке из нитинола энергия деформации за счет изгиба действует в том же направлении, что и нагрев. Поэтому обратной превращение начинается при более низкой температуре. Этому содействует упругая энергия в изогнутой пластинке, не проявлявшаяся до достижения пластинкой температуры, соответствующей точке Ад. В этом заключается существенная термодинамическая особенность сплавов с ЭЗФ.

Отметим еще одно важное отличие этих сплавов. Температурные интервалы , в которых происходит перестройка решетки у сплавов с ЭЗФ, значительно меньше, нежели у обычных сплавов, не обладающих памятью. Это обстоятельство имеет решающее значенue в рассматриваемом вами случае. Необходимость лишь в относительно малых изменениях температуры для обеспечения перестройки кристаллической решетки открывает широкие перспективы практического использования эффекта запоминания формы.

Явление ЭЗФ в наше время находит различные применения, в том числе для создания нового тина тепловых двигателей, способных работать от тепловых источников низкопотенциального типа. Если диапазон температуры фазовых превращений будет находиться в пределах температурного градиента, имеющегося в Мировом океане, то нитинол можно использовать в качестве твердого рабочего тела тепловой машины. Вместо аммиака или фреона — нитинол. Схема энергетической установки в этом случае полностью меняется. Применение нитинола открывает новый путь преобразования тепловой энергии океана.

Все известные ранее установки для преобразования тепловой энергии океана в механическую работу, а затем — в электрическую энергию основаны на применении турбин, приводимых в действие парами тех или иных жидкостей с низкой температурой кипения. Чтобы подобные системы были рентабельными, они должны иметь достаточно большую мощность. Капитальные затраты на их строительство весьма значительны, кроме того, они не свободны от недостатков, например — потери энергии в сетях распределения и обслуживания (до 10 %) и, как следствие, удорожание отпускной цены на электроэнергию (до 50 %). Такого рода соображения приводит изобретатель нитинолового теплового двигателя Р. Бэнкс в пользу маломощных преобразователей (дело в том, что в свое время он не видел конкретных путей создания мощных мегаваттных преобразователей, основанных на ЭЗФ).

Построенный Бэнксом маломощный тепловой двигатель на нитиноле непрерывно устойчиво работал, сделав более 1,7-107 оборотов, и развивал мощность не менее 0,2 Вт, приводя во вращение генератор электрической энергии — от него горела электрическая лампочка.

Кинематическая схема двигателя Бэнкса представлена на рис. 1.

Рис. 1. Нитиноловый двигатель Бэнкса
1 — неподвижный вал, 2 — вращающийся вал, 3 — неподвижный кривошип, 4 — нитиноловая проволочная петля, 5 — движущий стержень, 6 — начало рабочего хода, 1—горячая сторона, 8—холодная сторона, 9—движущееся колесо, 10 — конец рабочего хода, 11 — стопор движущего стержня, 12 — направление силы от действия проволочной петли из нитинола, 13 — компонента сплы, вызывающая вращение, 14 — ступица движущегося колеса

Под действием энергии нитиноловых проволок в горизонтальной плоскости вращается колесо 9, являющееся маховиком и одновременно шкивом привода электрического генератора (последний на рисунке не показан). Колесо-маховик диаметром 350 мм имеет 20 стержней- спиц 5, на которых подвешены петли из нитиноловой проволоки диаметром 1,2 мм, длиной по 152 мм. Число нитиноловых петель равно числу стержней-спиц, т. е. их также 20 штук, на рисунке они все обозначены цифрой 4.

Нитиноловые проволочные петли висят между ободом колеса 9 и втулками 11 на стержнях 5. Втулки способны перемещаться вдоль стержней под действием усилий, развиваемых нитиноловыми петлями. При вращении колеса вокруг неподвижного коленчатого вала 3 происходит увеличение или уменьшение расстояния между втулками и ободом колеса. Одновременно при вращении колеса изменяется положение нитиноловых петель относительно двух неподвижных полукруглых ванн с холодной и теплой водой, расположенных непосредственно под колесом 9. Температура воды в холодной ванне 24 °С, в горячей 48 °С, т. е. используемая разность температур составляет 24 °С.

Нитиноловая проволока (марки нитинол-55) для петель при закалке была прямой, поэтому при нагреве в горячей ванне петли стремятся распрямиться. Когда очередная петля погружается в ванну с горячей водой, она стремится разогнуться, при этом часть энергии каждой петли расходуется на раскручивание колеса 9. В «горячем» полупериоде расстояние между ободом колеса и втулками увеличивается в результате действия силы, распрямляющей петли. Поэтому на ободе колеса возникает вращающий момент относительно неподвижного вала 1. Он возникает благодаря тому, что центры вращения стержней- спиц 5 и колеса 9 разнесены между собой на 25 мм. Цифра эта соответствует расстоянию между осями неподвижного вала 1 и осью его кривошипа 3, т. е. высоте колена кривошипа. Стержни-спицы своими центральными концами связаны с шейкой кривошипа, поэтому, когда колесо вращается, они совершают возвратно-поступательные движения.

Стержни 5 действительно похожи на спицы, но их назначение не имеет ничего общего с обычным назначением спиц в колесе. Скорее, они выполняют роль шатунов в своеобразном кривошипно-шатунном механизме этого двигателя. Обод колеса 9 со всеми деталями поддерживается ступицей 14, сидящей на вращающемся пустотелом валу 2. Этот вал вращается вместе с колесом 9 вокруг неподвижного главного вала 1.

Длительные испытания этого двигателя не выявили никаких следов усталости у нитиноловых петель, более того, после нескольких сотен тысяч оборотов колесо стало вращаться быстрее. Восстановление формы повторялось десятки миллионов раз. Такие результаты объясняются достаточно малой деформацией —порядка 0,5 %.

После работы двигателя в течение нескольких часов наблюдается развитие запоминания «холодной формы». Когда проволочные петли из нитинола при вращении колеса погружались очередной раз в ванну с холодной водой, они сгибались самопроизвольно, без приложения усилия. Этот новый эффект назван двойной тренировкой, или двойной памятью. Эффект двойной памяти пока не получил достаточно удовлетворительного теоретического объяснения, но ясно, что он должен привести к увеличению чистой выходной мощности нитинолового двигателя.

Первый опыт по превращению солнечной энергии в электрическую с помощью нитинолового двигателя Бэнкс произвел в ноябре 1973 г.: вода для горячей ванны подогревалась солнечными лучами. С тех пор работы по исследованию нитинола и его применению сильно расширились и ведутся в лабораториях Великобритании, Швейцарии, Бельгии, ФРГ, Японии. В США создан Нитиноловый технологический центр. Проведена Международная конференция по нитиноловым тепловым двигателям, к 1981 г. было опубликовано 400 научных сообщений на эту тему, выданы патенты на более чем 100 нитиноловых установок, в том числе на 12 тепловых двигателей.

Некоторые исследователи считают, что нитиноловые двигатели смогут преобразовывать энергию более экономично, чем фотоэлектрические элементы. Д. Гольштейн, возглавляющий Нитиноловый технологический центр, полагает, что при работе нитинолового двигателя круглые сутки он сможет окупить себя за 18—24 месяца, после чего вырабатываемая им энергия будет «в некотором смысле бесплатной».

Сообщается о разработке новой марки нитинола, в которой фазовые переходы совершаются при температуре 9 °С. Такой градиент легко получить от солнечных коллекторов или источников геотермальных вод, что обеспечит работу нитиноловых двигателей для различных целей, в том числе для привода ирригационных насосов в районах, где нет централизованных сетей. Нитиноловые двигатели могут также использовать отработанное тепло, преобразуя его в полезную работу (в отработанное тепло уходит до двух третей всей энергии, потребляемой про- мышленными предприятиями). Изучается возможность создания ряда нитиноловых двигателей, рассчитанных на работу при постепенно понижающихся температурах горячей воды. Такой ряд двигателей может устанавливаться по потоку горячей воды, сбрасываемой промышленными предприятиями. При этом будет не только рекуперироваться часть анергии, но и предотвращаться тепловое загрязнение водоемов.

Создание ряда нитиноловых двигателей с постепенно понижающимся средним значением температуры рабочего интервала принципиально возможно путем изменения отношения в сплаве между никелем и титаном. Например, если сплав состоит из 55 % никеля и 45 % титана, то его фазовые переходы, т. е. способность восстанавливать форму, находятся в диапазоне комнатных температур. Но при небольшом увеличении содержания титана эффект запоминания формы в сплаве будет проявляться при температуре более 120 °С. Подбирая подходящее соотношение между содержанием никеля и титана, ученые надеются решить эту задачу.

Естественными источниками тепловой энергии для нитиноловых двигателей являются океаны, моря, озера и водохранилища. Оптимальный перепад температуры для нитиноловых двигателей близок к 20 °С, что соответствует градиенту, наблюдающемуся в океанах. Кстати, подобный градиент легко обеспечить и в искусственных условиях, например, в так называемых солнечных прудах. Речь идет о развивающемся способе аккумуляции солнечной энергии в прудах с подсоленной водой. В этом случае нитиноловые двигатели будут превращать запасенную тепловую энергию в механическую работу или электричество. Ближайшее будущее покажет, насколько успешно новые преобразователи смогут соревноваться с другими типами преобразователей тепловой энергии.

По оценке отдельных авторов, КПД нитиноловых двигателей в может составлять 5—6 % (А. А. Гольштейн), теоретический же расчет по формуле, приведенной в работе С. М. Веймана , дает КПД в интервале от 5 до 21 % в зависимости от свойств используемого материала. В настоящее время ведутся работы по сравнению экспериментально и теоретически полученных величин КПД.