ИСТОРИЯ ЗА УСПЕХ НА КЛИЕНТА
Как да определим термофизичните свойства на материалите за съхранение на енергия
Доклад от д-р Даниел Лагер, инженер-изследовател по устойчиви системи за топлинна енергия в Центъра по енергетика, Австрийски технологичен институт AIT
Австрийският технологичен институт AIT(https://www.ait.ac.at/) е най-голямата изследователска институция в Австрия, която не е университетска. Със своите седем центъра AIT се счита за високоспециализиран партньор на индустрията в областта на научните изследвания и развойната дейност и се занимава с ключови инфраструктурни теми на бъдещето.
“NETZSCH се е утвърдила като надежден партньор. Качеството на инструментите и тяхната дълготрайност, както и удобството за използване на софтуера за измерване Proteus® за всички измервани променливи са важни аспекти на картината. Преди всичко доброто обслужване, както и добрият диалог с лабораторията за разработка и приложение на NETZSCH вече са разрешили много сложни ситуации.”
За лабораторията по термофизика в AIT
Лабораторията по термофизика като акредитирана изпитвателна лаборатория (EN ISO/IEC 17025) в Центъра по енергетика предлага измервания на топлинни характеристики на материали, процеси и продукти, както и определяне на термофизични свойства и параметри на преход с висококачествената си и специфична лабораторна инфраструктура и дългогодишен опит. Анализираните термофизични свойства включват топлопроводност λ(T), топлинна дифузия a(T), специфичен топлинен капацитет Специфичен топлинен капацитет (cp)Топлинният капацитет е физична величина, специфична за материала, която се определя от количеството топлина, подадено на образеца, разделено на полученото увеличение на температурата. Специфичният топлинен капацитет се отнася за единица маса на образеца.cp(T), топлинно разширение ΔL(T)/L0, коефициент на топлинно разширение Коефициент на линейно топлинно разширение (CLTE/CTE)Коефициентът на линейно термично разширение (КЛТЕ) описва изменението на дължината на даден материал като функция на температурата.CTE α(T) и плътност ρ (T) в температурния диапазон от -180°C до 1600°C. В допълнение към термофизичните свойства се използва едновременен термичен анализ с инфрачервена и масспектрометрия за определяне на характерни температури, разлики в енталпията и промени в масата, както и за идентифициране на отделящите се газове.
NETZSCH се е утвърдила като надежден партньор в качеството си на производител на оборудване. Качеството на уредите и тяхната дълготрайност, както и използваемостта на софтуера за измерване за всички измервани променливи са важни аспекти на картината. Преди всичко обаче доброто обслужване, както и добрият диалог с развойната и приложната лаборатория на вече са разрешили много сложни ситуации. Proteus® NETZSCH
Най-старият инструмент, който се използва в момента в AIT, е лазерният светкавица LFA 427, който работи повече от 20 години:
Материали с фазова промяна (PCM) за съхранение на топлинна енергия
Чувствителното съхраняване на топлинна енергия (STES) понастоящем е най-разпространеният начин за съхраняване на топлина чрез използване на топлинния капацитет на използвания материал за съхранение, който се получава в резултат на преобладаваща температурна разлика (напр. резервоар за гореща вода). Най-новата технология включва латентно съхранение на топлинна енергия (LTES), при което се използва топлината от фазовата промяна на даден материал. Основната разлика между използването на PCM спрямо STES материали в приложение за съхранение на топлина е, че при първите съхранената топлина се намира в тесен температурен диапазон и температурата на фазовия преход е постоянна. Тази характеристика се използва за специфични приложения, напр. в строителството. Предизвикателствата в процедурата на измерване са точното измерване на температурата на фазовата промяна или прехода, Tt, действителните енталпии на фазовия преход, Δht, и специфичния топлинен капацитет, Специфичен топлинен капацитет (cp)Топлинният капацитет е физична величина, специфична за материала, която се определя от количеството топлина, подадено на образеца, разделено на полученото увеличение на температурата. Специфичният топлинен капацитет се отнася за единица маса на образеца.cp(T), на различните фази.
Изследваният PCM е наличен в търговската мрежа парафин с температура на топене от 69°C до 71°C, разлика в енталпиите Δh = 260 kJ kg-1 от 62°C до 77°C и специфичен топлинен капацитет Специфичен топлинен капацитет (cp)Топлинният капацитет е физична величина, специфична за материала, която се определя от количеството топлина, подадено на образеца, разделено на полученото увеличение на температурата. Специфичният топлинен капацитет се отнася за единица маса на образеца.cp = 2 kJ kg-1 K-1съгласно спецификацията на производителя.
Следващите DSC експерименти са проведени с DSC NETZSCH 204 F1 , оборудван с DSC сензор тип-E. Алуминиеви тигли с обем 25 μl бяха напълнени с PCM и студено заварени с капаци. Твърдите органични проби бяха изрязани така, че да имат една плоска страна, за да се осигури добър контакт между пробата и дъното на тигела. Експериментите с DSC бяха проведени при две различни скорости на нагряване, с β = 0,25 K min-1 и β = 10 K min-1, ис контролиран масов поток на азотна газова атмосфера.
Фигура 3 (а): Резултати за видимото Специфичен топлинен капацитет (cp)Топлинният капацитет е физична величина, специфична за материала, която се определя от количеството топлина, подадено на образеца, разделено на полученото увеличение на температурата. Специфичният топлинен капацитет се отнася за единица маса на образеца.cp(T) от DSC измервания с парафин при β = 0,25 K min-1 и β = 10 K min-1
На фигура 3 са представени резултатите от DSC измерванията на органичния PCM при две различни скорости на нагряване. Резултатите за ниската скорост на нагряване с β = 0,25 K min-1 водят до рязък пик, но и до големи неопределености в твърдата или течната фаза по отношение на действителния специфичен топлинен капацитет, Специфичен топлинен капацитет (cp)Топлинният капацитет е физична величина, специфична за материала, която се определя от количеството топлина, подадено на образеца, разделено на полученото увеличение на температурата. Специфичният топлинен капацитет се отнася за единица маса на образеца.cp(T). По-високата скорост на нагряване с β = 10 K min-1 показва размазано представяне на диапазона на топене, но много по-точни резултати за действителния специфичен топлинен капацитет cp(T) в твърда или течна фаза.
От тези резултати стигнахме до заключението, че оценката на характерните температури и трансформационните енталпии изисква многократни DSC измервания при различни скорости на нагряване, за да се постигнат значими резултати по отношение на температурата и енталпията на фазовия преход, а също и по отношение на специфичния топлинен капацитет, като се изключат термичните транспортни процеси в пробата.
Измервания на ефективната топлопроводимост и специфичния топлинен капацитет на батерийни клетки
Ефективната топлопроводимост λeff(T)в различни посоки на акумулаторните клетки, както и техният специфичен топлинен капацитет cp(T) са от съществено значение за разбирането на топлинното поведение и топлинното управление на акумулаторните батерии.
Следващите експерименти се фокусират върху използването на NETZSCH Laser Flash LFA 427, NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix® и NETZSCH Heat Flow Meter HFM 446 за оценка на тези свойства. LFA 427 и DSC 204 F1 бяха използвани за определяне на топлинната дифузия a(T) в посока в равнината и cp(T) на анод, катод, сепаратор и материали от торбичка на разрязана литиево-йонна торбичка. Методът HFM е приложен за оценка на cp(T) и λeff(T)на литиево-йонна торбична клетка, перпендикулярна на повърхността на торбичката при различно състояние на заряда (SoC).
Фигура 4: Измервания на LFA (вдясно) и DSC (вляво) на материала на торбичка от клетка с торбичка
На фигура 4 са представени резултатите от cp(T) и a(T) за материала на торбичката на изследваната торбичка на акумулаторна клетка. Тази процедура на измерване е проведена с всички твърди компоненти на торбичката на акумулаторната клетка, за да се оцени ефективната топлопроводимост в посока в равнината въз основа на допълнителни изчисления по метода на крайните елементи.
Фигура 5: вляво: Клетки от торбички, подредени в HFM 446; вдясно: Ефективна топлопроводимост въз основа на измерванията в HFM 446
На фигура 5 е представена измервателната уредба за измерване на ефективната топлопроводимост през равнината с HFM 446 и подреждането на клетките в торбички отляво, както и получените резултати отдясно.
Процедурата за измерване, базирана на метода за измерване на HFM 446 с приложен набор от разширения и пакетна клетка, показва добра възпроизводимост за λeff(T)с λeff = 0.715 W m-1 K-1 при T = 25 °C и разширена комбинирана неопределеност от U(k=2) = 0,02 W m-1 K-1. Разликите в λeff(T), дължащи се на SoC, не могат да бъдат разрешени в резултатите.
Определените наданни за cp(T) и a(T) в посока в равнината на компонента на торбичката бяха обработени в модел на крайните елементи (МКЕ), за да се изчисли равнинната топлопроводимост на цялата клетка на торбичката с λeff = 52,54 W m-1 K-1.
Оценяваните резултати показват, че HFM е подходящ безразрушителен метод за анализ на ефективната топлопроводимост в посока през равнината за клетките на торбичките. Ефективната топлопроводимост в равнинна посока може да се определи чрез разчленяване на клетката на нейните компоненти, за да се определи равнинната топлодифузия, както и специфичният топлинен капацитет и плътност. Тези данни могат да бъдат обработени в FE модел, за да се оцени ефективната топлопроводимост в равнината.
За автора:
Д-р Даниел Лагер, MSc, работи в областта на термофизиката и термичния анализ от 2007 г. От 2019 г. той е ръководител на асоциираната акредитирана лаборатория в AIT Austrian Institute of Technology GmbH. През 2017 г. получава докторска степен от Виенския технологичен университет (TU Wien) за дисертацията си върху термофизичното охарактеризиране на материали за съхранение на топлина. Той е автор и съавтор на множество публикации.
През 2005 г. получава диплома по електроника от Университета за приложни науки (Technikum-Wien), а през 2008 г. - магистърска степен по биомедицински инженерни науки.
Успоредно с работата си в AIT той е външен преподавател в Университета за приложни науки в Бургенланд. По време на професионалната си кариера Даниел Лагер успява да натрупа опит и като системен физик за ускорител на частици за йонна терапия, като системен инженер за системи за предаване на данни в приложения за обществена безопасност, като разработчик на софтуер за системи за откриване на повреди и като изследовател в областта на ефекта на електромагнитната съвместимост.
Гледайте съответния уебинар!
В този уебинар д-р Даниел Лагер представя най-съвременните методики за измерване на термофизичните свойства на материалите за съхранение на енергия. Фокусирайки се върху специфичния топлинен капацитетcp(T), енталпията на фазовия преходHt, реакционната енталпия Hr, термичната дифузия a(T), топлопроводимостта λ(T) и характерните температури T, той извършва, сравнява и оценява различни стандартизирани, но и нови техники за измерване въз основа на наличните методи за измерване. Внимавайте сега!