Ключові слова
heat engine
electricity generation сплави з пам’яттю форми
тепловий двигун
електрогенерація
Як цитувати
Анотація
Роботу присвячено дослідженню процесів перетворення низькопотенційної теплової енергії в електричну з використанням твердотільного теплового двигуна на основі сплавів з пам’яттю форми (SMA). Актуальність тематики зумовлена значними втратами низькотемпературного тепла в промислових та енергетичних системах і необхідністю підвищення енергоефективності автономних джерел живлення. Як приводні елементи застосовано пружини зі сплаву NiTi, що реалізують оборотні аустенітно-мартенситні фазові перетворення та забезпечують безпосереднє перетворення теплової енергії в механічну роботу. Метою роботи є розроблення фізично обґрунтованої математичної моделі теплового двигуна з урахуванням циклічного нагрівання й охолодження, термомеханічного гістерезису, інерції механічної системи та електромеханічної взаємодії з генератором, а також оцінка енергетичних характеристик установки генерації електроенергії. Запропоновано трирівневий підхід до моделювання, що включає аналітичну квазістатичну модель для інженерних оцінок, квазістаціонарну модель балансу моментів задля визначення усталених режимів та повну динамічну систему диференціальних рівнянь, яка враховує нестаціонарний теплоперенос, фазову кінетику та інерційні ефекти. Результати моделювання підтвердили адекватність запропонованої моделі та показали формування самостабілізованих режимів обертання й насичення потужності. Встановлено, що спрощені підходи забезпечують консервативну оцінку енергетичних показників, тоді як повна динамічна модель більш точно відтворює перехідні процеси та реальні експлуатаційні характеристики; розбіжність між моделями не перевищує 15–20 %. Досліджено вплив двостороннього ефекту пам’яті форми, який у діапазоні температур 70–80 °C може підвищувати електричну потужність на 20–30 %. Отримані результати підтверджують перспективність використання SMA-двигунів задля утилізації низькопотенційного тепла та створення компактних автономних систем малої генерації електричної енергії. Бібл. 20, рис. 7.
Посилання
1. Kozyrskyi V., Bunko V. Experimental Studies of Elements from the Functional Intermetallic Cu-Al-Mn for Construction of a Heat Engine and Power Plant. Problems of the Regional Energetics. 2025. No 3(67). Pp. 162-173. DOI: https://doi.org/10.52254/1857-0070.2025.3-67.14.
2. Otsuka K., Ren X. Physical metallurgy of Ti–Ni-based shape memory alloys. Progress in Materials Science. 2005. Vol. 50. Issue 5. Pp. 511-678. DOI: https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2004.10.001.
3. Lagoudas D.C. Shape Memory Alloys. New York, NY: Springer, 2008. 436 p. DOI: https://doi.org/10.1007/978-0-387-47685-8.
4. Md. Ismail Hossain, Rabbi M.S., Ali M.T. Shape memory alloys in modern engineering: progress, problems, and prospects. RSC Advances. 2025. Vol. 15. Issue 40. Pp. 33046-33100. DOI: https://doi.org/10.1039/d5ra04560f.
5. Prashant Kumar, Ravi Anant Kishore, Deepam Maurya, Colin J. Stewart, Reza Mirzaeifar, Eckhard Quandt, Shashank Priya. Shape memory alloy engine for high efficiency low-temperature gradient thermal to electrical conversion. Applied Energy. 2019. Vol. 251. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2019.05.080.
6. Wakjira J.F. The VT1 shape memory alloy heat engine design. Virginia Tech. 2001. 107 p. URL: http://hdl.handle.net/10919/31196 (accessed at 10.01.2026)
7. Schiller E.H. Heat engine driven by shape memory alloys. Virginia Tech. 2002. 80 p. URL: http://hdl.handle.net/10919/35185 (accessed at 10.01.2026)
8. Arthur Adeodato, Brenno T. Duarte, Luciana Loureiro S. Monteiro, Pedro Manuel C.L. Pacheco, Marcelo A. Savi. Synergistic use of piezoelectric and shape memory alloy elements for vibration-based energy harvesting. International Journal of Mechanical Sciences. 2021. Vol. 194. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2020.106206.
9. Ma J., Karaman I., Noebe R.D. High temperature shape memory alloys. International Materials Reviews. 2010. Vol. 55(5). Pp. 257-315. DOI: https://doi.org/10.1179/095066010X12646898728363.
10. Liping Kang, Hui Qian ,Yuancheng Guo, Chenyang Ye, Zongao Li. Investigation of Mechanical Properties of Large Shape Memory Alloy Bars under Different Heat Treatments. Materials. 2020. Vol. 13(17). DOI: https://doi.org/10.3390/ma13173729.
11. Zanotti C., Giuliani P., Chrysanthou A. Martensitic–Austenitic phase transformation of Ni–Ti SMAs: Thermal properties. Intermetallics. 2012. Vol. 24. Pp. 106-114. DOI: https://doi.org/10.1016/j.intermet.2012.01.026.
12. Dong Sun, Shuyong Jiang, Peng Lin, Bingyao Yan, Hao Feng, Ming Tang, Yanqiu Zhang. High yield stress and narrow phase transformation hysteresis of thermomechanical-processing NiTiCu shape memory alloy. Materials Science and Engineering: A. 2024. Vol. 897. Article no 146340. DOI: https://doi.org/10.1016/j.msea.2024.146340.
13. Abdelmoneim El Naggar, Maged A. Youssef. Shape memory alloy heat activation: State of the art review. AIMS Materials Science. 2020. Vol. 7(6). Pp. 836-858. DOI: https://doi.org/10.3934/matersci.2020.6.836.
14. Dong Cao, Chao Liu, Zhigang Yang, Sida Zhang. A power generation device based on shape memory alloy and piezoelectric ceramic. Materials Chemistry and Physics. 2023. Vol. 301. Article no 127598. DOI: https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2023.127598.
15. Shadab Ahmad, Abdul Wahab Hashmi, Jashanpreet Singh, Kunal Arora, Yebing Tian, Faiz Iqbal, Mawaheb Al-Dossari, M. Ijaz Khan. Innovations in additive manufacturing of shape memory alloys: Alloys, microstructures, treatments, applications. Journal of Materials Research and Technology. 2024. Vol. 32. Pp. 4136-4197. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.08.213.
16. H.M. Wasi Uddin, Qazi Riti Mahpara Progoti, Mahadesh Chandro Mondal, Shifat E. Arman, Sadit Bihongo Malitha. Adaptive nickel–titanium shape memory alloy for smart systems: Mechanisms, manufacturing, and applications across biomedical, aerospace, civil, and energy. Materials Today Communications. 2026. Vol. 50. DOI: https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2025.114564.
17. Kozyrskyi V.V, Kaplun V.V, Voloshyn S.M. Functional intermetallics in power plants. Kyiv: Komprynt, 2021. 347 p.
18. Chikhareva M., Vaidyanathan R. A Thermal, Mechanical, and Materials Framework for a Shape Memory Alloy Heat Engine for Thermal Management. Nanomaterials. 2023. Vol. 13(15). DOI: https://doi.org/10.3390/nano13152159.
19. Sivasanghari Karunakaran, Dayang Laila Abang Abdul Majid, Che Nor Aiza Jaafar, Muhammad Hussain Ismail, Husam Yahya Imran. Heating Techniques of Shape Memory Alloy (SMA) – A Review. Journal of Advanced Research in Fluid Mechanics and Thermal Sciences. 2022. Vol. 99(2). Pp. 207-220. DOI: https://doi.org/10.37934/arfmts.99.2.207220.
20. Adrian Petru Teodoriu, Bogdan Pricop, Leandru-Gheorghe Bujoreanu. Development of an alternating heat engine, actuated by shape memory alloys. Materials Today: Proceedings. 2023. Vol. 72. Part 2. Pp. 607-614. DOI: https://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.10.226.
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
Авторське право (c) 2026 ТЕХНІЧНА ЕЛЕКТРОДИНАМІКА