Numerical and experimental analysis of active elastocaloric regenerators

Ahčin, Žiga (author), Tušek, Jaka (mentor)

Elastocaloric cooling technology is considered an environmentally friendly alternative to vapor-compression cooling technology because it uses environmentally benign materials and has the potential to achieve high efficiency. It is based on the elastocaloric effect in shape-memory materials when subjected to sufficient mechanical stress. One of the main challenges of elastocaloric technology is to develop an effective and durable elastocaloric regenerator. A tube-based elastocaloric regenerator loaded under compression has high potential to solve this issue. A comprehensive experimental and numerical analysis of the thermo-hydraulic properties of the tube-based elastocaloric regenerator was conducted. We concluded that the tube-based geometry provides a good balance between heat transfer properties and viscous losses. In the second part, an active elastocaloric regenerator was built and experimentally tested for its cooling and heating properties. The regenerator demonstrated sustained dynamic operation and achieved record-breaking performance. It attained a maximum temperature span of 31.3 K and a specific cooling/heating power of 4,400 W kg-1 of the elastocaloric material. Finally, a new 1D numerical model was developed and validated against the experimental results. The model was used to compare fatigueresistant tube-based and parallel-plate active elastocaloric regenerators, leading to a better understanding of the potential and limitations of this technology.

• Language: Slovenian
• Keywords: elastocaloric effect, caloric cooling, elastocaloric regenerator, experimental analysis, numerical modelling, optimization
• Work type: Doctoral dissertation
• Typology: 2.08 - Doctoral Dissertation
• Organization: FS - Faculty of Mechanical Engineering
• Place of publishing: Ljubljana
• Publisher: [Ž. Ahčin]
• Year: 2023
• Number of pages: XX, 192 str.
• PID: 20.500.12556/RUL-151755
• UDC: 621.56/.59:536.7:519.6(043.3)
• COBISS.SI-ID: 174201347
• Publication date in RUL: 19.10.2023

Secondary language

• Language: English
• Title: Numerična in eksperimentalna analiza aktivnih elastokaloričnih regeneratorjev

Abstract

Elastokalorična tehnologija hlajenja se uveljavlja kot okolju prijazna alternativa parnokompresijski tehnologiji hlajenja, saj temelji na okolju neškodljivih trdninskih materialih, hkrati pa ima potencial doseči visoko učinkovitost. Temelji na elastokaloričnem učinku v materialih z oblikovnim spominom, ko so ti podvrženi zadostni mehanski obremenitvi. Eden ključnih izzivov elastokalorične tehnologije je razvoj učinkovitega in vzdržljivega elastokaloričnega regeneratorja. Tlačno obremenjeni cevni elastokalorični regenerator izkazuje velik potencial za dosego tega cilja. V tem delu je bila izvedena obsežna eksperimentalna in numerična analiza termo-hidravličnih lastnosti cevnega regeneratorja. Pokazali smo, da cevni regenerator predstavlja dober kompromis med lastnostmi prenosa toplote in viskoznih izgub. V drugem delu je bil aktivni cevni elastokalorični regenerator izdelan in eksperimentalno ovrednoten z vidika hladilnih in grelnih karakteristik. Regenerator je dokazal trajno-dinamično delovanje (preko 300 000 obratovalnih ciklov brez poškodb) ter rekordne karakteristike. Dosegel je največji temperaturni razpon 31,3 K in specifično moč 4400 W kg-1 elastokaloričnega materiala. Razvit je bil tudi nov 1D numerični model elastokaloričnega regeneratorja, ki je bil ovrednoten z eksperimentalnimi rezultati. Z uporabo numeričnega modela smo optimizirali in primerjali tlačno obremenjeni cevni elastokalorični regenerator in natezno obremenjeni elastokalorični regenerator iz vzporednih plošč, pri pogojih ki omogočata trajno dinamično obratovanje, kar omogoča boljše razumevanja potenciala in omejitev te tehnologije.

• Keywords: elastokalorični učinek, kalorično hlajenje, elastokalorični regenerator, eksperimentalna analiza, numerično modeliranje, optimizacija