DIODIFY
DIODIFY: Upravljanje s toploto v sistemih s cikličnim spreminjanjem temperature z uporabo toplotnih diod
DIODIFY je znanstvenoraziskovalno sodelovanje med Republiko Slovenijo in Francosko republiko v okviru Programa PROTEUS v letih 2025 – 2027.
Slovenski del sofinancira ARIS.
Sodelujemo s prof. Karl Joulain in prof. Younes Ezzahri, Université de Poitiers.
Toplotna dioda je komponenta za toplotno regulacijo, ki omogoča različen toplotni tok skozi element glede na smer prenosa toplote. Izkazuje tako imenovano toplotno rektifikacijo. Glede na uporabljeno temperaturno razliko, je toplotni tok v prevodni smeri čez toplotno diodo večji kot v obratni, zaporni smeri. Za razliko od toplotnih stikal, ki za delovanje potrebujejo zunanji vnos energije, imajo toplotne diode prednost pasivenga delovanja, saj so njihove lastnosti odvisne le od temperature na njenih koncih.
Toplotne diode so še posebej uporabne pri upravljanju toplotnega toka v sistemih, ki so izpostavljeni cikličnim temperaturnim spremembam. Pogosta uporaba je njihova vgradnja v toplotne sisteme za upravljanje njihovih temperatur. Obravnavajmo na primer toplotni sistem, povezan z zunanjim okoljem pri določeni ciklični temperaturi T s takšno toplotno diodo. Če dioda blokira toplotni tok, ko je zunanja temperatura višja od te temperature, in ga prepušča v nasprotnem primeru, bo sistem pasivno upravljal temperaturo okoli te vrednosti. Poleg tega imajo toplotne diode velik potencial za uporabo pri kalorični pretvorbi energije, kar je tudi glavni cilj tega projekta. Za delovanje magnetokaloričnih hladilnikov ali toplotnih črpalk je potrebno v termodinamičnem ciklu magnetokalorični material magnetizirati ali demagnetizirati, pri čemer mora biti v različnih stopnjah cikla toplotno izoliran ali toplotno povezan z virom ali ponorom toplote. Če so vgrajene v tak sistem, toplotne diode omogočajo delovanje magnetokaloričnih hladilnikov ali toplotnih črpalk brez potrebe po dodatnih gibljivih delih ali dodatnem zunanjem vnosu energije. Z ustrezno zasnovo toplotnih diod si lahko predstavljamo magnetokalorično napravo, ki deluje pasivno, pri čemer je podvržena le procesom magnetizacije in demagnetizacije. Enako metodo lahko uporabimo tudi pri elektrokaloričnih napravah, kjer je elektrokalorični material podvržen polarizacijskim in depolarizacijskim učinkom.
V tem projektu želimo določiti zahteve za učinkovito delovanje toplotnih diod v magnetokalorični napravi v temperaturnih območjih pod in nad sobno temperaturo. Osredotočili se bomo na toplotne diode iz materialov, katerih toplotne lastnosti se močno spreminjajo s temperaturo. Materiali s faznimi spremembami, kot je npr. vanadijev dioksid (VO2), ki ima fazo prehoda iz izolacije v kovino, imajo velik potencial za uporabo v toplotnih diodah. S pomočjo najsodobnejših materialov bomo izvedli numerične simulacije in izdelali “zemljevide”, ki prikazujejo zahtevane lastnosti toplotnih diod za uporabo v magnetokaloriki. Zasnovati bomo morali dve vrsti diod: ena dioda mora biti prevodna pod kritično temperaturo in izolativna nad njo, druga pa mora biti izolativna pod kritično temperaturo in prevodna nad njo. Naš poudarek bo presegel enoslojne prevodne toplotne diode in zajel večslojne ali sestavljene toplotne diode, ki bodo izkorišale tako prevod toplote kot
tudi toplotno sevanje.
Za izvedbo teh numeričnih simulacij bomo uporabili programsko orodje TCCbuilder, to je odprtokodno orodje, ki ga je razvila skupina Univerze v Ljubljani in je posebej zasnovano za načrtovanje toplotnih kontrolnih tokokrogov z uporabo toplotnih kontrolnih elementov. Ta programska oprema se je izkazala za zelo učinkovito pri modeliranju in delovanju toplotnih vezij v trajnem ali časovno odvisnem režimu.
Ko bomo določili lastnosti termičnih diod, bomo predlagali zasnovo magnetokalorične naprave, sestavljene iz magnetokaloričnega materiala in diod, ki jih bomo zasnovali. Ob koncu projekta bomo razmislili tudi o izgradnji konceptualne naprave in preizkusu njenih zmogljivosti.
