Příběh úspěchu zákazníka
Jak určit termofyzikální vlastnosti materiálů pro ukládání energie
Zpráva z terénu od Dr. Daniela Lagera, výzkumného inženýra pro udržitelné tepelné energetické systémy v Centru pro energetiku Rakouského technologického institutu AIT
Rakouský technologický institut AIT(https://www.ait.ac.at/) je největší neuniverzitní výzkumnou institucí v Rakousku. Se svými sedmi centry se AIT považuje za vysoce specializovaného výzkumného a vývojového partnera pro průmysl a zabývá se klíčovými tématy infrastruktury budoucnosti.
“NETZSCH se etablovala jako spolehlivý partner. Důležitým aspektem je kvalita přístrojů a jejich dlouhá životnost, stejně jako použitelnost měřicího softwaru Proteus® ve všech měřených veličinách. Především dobrý servis a dobrý dialog s vývojovou a aplikační laboratoří na NETZSCH již vyřešily mnoho zapeklitých situací.”
O laboratoři termofyziky na AIT
Laboratoř termofyziky jako akreditovaná zkušební laboratoř (EN ISO/IEC 17025) v Centru pro energetiku nabízí měření tepelných vlastností materiálů, procesů a výrobků a stanovení termofyzikálních vlastností a přechodových parametrů díky kvalitní a specifické laboratorní infrastruktuře a dlouholetým zkušenostem. Mezi analyzované termofyzikální vlastnosti patří Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.tepelná vodivost λ(T), Tepelná difuzivitaTepelná difuzivita (a s jednotkou mm2/s) je specifická vlastnost materiálu, která charakterizuje nestacionární vedení tepla. Tato hodnota popisuje, jak rychle materiál reaguje na změnu teploty.tepelná difuzivita a(T), Měrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.měrná tepelná kapacita Měrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.cp(T), tepelná roztažnost ΔL(T)/L0, koeficient tepelné roztažnosti Koeficient lineární tepelné roztažnosti (CLTE/CTE)Koeficient lineární teplotní roztažnosti (CLTE) popisuje změnu délky materiálu v závislosti na teplotě.CTE α(T) a HustotaHmotnostní hustota je definována jako poměr mezi hmotností a objemem. hustota ρ (T) v teplotním rozsahu od -180 °C do 1600 °C. Kromě termofyzikálních vlastností se ke stanovení charakteristických teplot, entalpických rozdílů a hmotnostních změn, jakož i k Identify vylučovaných plynů používá simultánní termická analýza s infračervenou a hmotnostní spektrometrií.
NETZSCH se jako výrobce zařízení etablovala jako spolehlivý partner. Kvalita přístrojů a jejich životnost, stejně jako použitelnost měřicího softwaru ve všech měřených veličinách, tvoří důležitý obraz. Především však dobrý servis a dobrý dialog s vývojovou a aplikační laboratoří na již vyřešily nejednu zapeklitou situaci. Proteus® NETZSCH
Nejstarším v současnosti používaným přístrojem v AIT je laserový blesk LFA 427, který je v provozu již více než 20 let:
Materiály s fázovou změnou (PCM) pro aplikace skladování tepelné energie
Citelné skladování tepelné energie (STES) je v současné době nejběžnějším způsobem skladování tepla s využitím tepelné kapacity použitého skladovacího materiálu, která je výsledkem převládajícího rozdílu teplot (např. zásobník teplé vody). Mezi nejnovější technologie patří latentní skladování tepelné energie (LTES), které využívá teplo z fázové změny materiálu. Hlavní rozdíl mezi použitím materiálů PCM oproti STES v aplikaci skladování tepla spočívá v tom, že v prvním případě leží uložené teplo v úzkém teplotním rozmezí a teplota fázového přechodu je konstantní. Tato vlastnost se využívá pro specifické aplikace, např. ve stavebnictví. Výzvou v postupu měření je přesné měření teploty fázové změny nebo přechodu, Tt, skutečné entalpie fázového přechodu, Δht, a měrné tepelné kapacity, Měrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.cp(T), různých fází.
Zkoumaným PCM byl komerčně dostupný parafín s teplotou tání v rozmezí od 69 °C do 71 °C, rozdílem entalpií Δh = 260 kJ kg-1 od 62 °C do 77 °C a měrnou tepelnou kapacitou Měrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.cp = 2 kJ kg-1 K-1podle specifikace výrobce.
Následující experimenty DSC byly provedeny na přístroji NETZSCH 204 F1 DSC vybaveném senzorem DSC typu E. Hliníkové kelímky o objemu 25 μl byly naplněny PCM a za studena svařeny víčky. Pevné organické vzorky byly seříznuty tak, aby měly jednu rovnou stranu, a byl tak zajištěn dobrý kontakt mezi vzorkem a dnem kelímku. DSC experimenty byly prováděny při dvou různých rychlostech ohřevu, β = 0,25 K min-1 a β = 10 K min-1, as atmosférou dusíku s řízeným hmotnostním průtokem.
Obrázek 3 (a): Výsledky zdánlivého Měrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.cp(T) z měření DSC s parafínem při β = 0,25 K min-1 a β = 10 K min-1
Na obrázku 3 jsou znázorněny výsledky měření DSC na organickém PCM při dvou různých rychlostech ohřevu. Výsledky pro nízkou rychlost ohřevu s β = 0,25 K min-1 vedly k ostrému píku, ale také k vysokým nejistotám v pevné nebo kapalné fázi, pokud jde o skutečnou měrnou tepelnou kapacitu, Měrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.cp(T). Rychlejší rychlost ohřevu s β = 10 K min-1 naznačuje rozmazané zobrazení rozsahu tání, ale mnohem přesnější výsledky pro skutečnou měrnou tepelnou kapacitu cp(T) v pevné nebo kapalné fázi.
Na základě těchto výsledků jsme dospěli k závěru, že vyhodnocení charakteristických teplot a transformačních entalpií vyžaduje více měření DSC při různých rychlostech ohřevu, aby bylo možné dosáhnout smysluplných výsledků týkajících se teploty a entalpie fázového přechodu a také specifické tepelné kapacity, přičemž je třeba vyloučit tepelné transportní procesy uvnitř vzorku.
Měření efektivní tepelné vodivosti a měrné tepelné kapacity bateriových článků
Efektivní Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.tepelná vodivost λeff(T)v různých směrech bateriových článků a jejich Měrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.měrná tepelná kapacita cp(T) mají zásadní význam pro pochopení tepelného chování a tepelného managementu bateriových sad.
Následující experimenty se zaměřily na použití NETZSCH Laser Flash LFA 427, NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix® a NETZSCH Heat Flow Meter HFM 446 k vyhodnocení těchto vlastností. Přístroje LFA 427 a DSC 204 F1 byly použity ke stanovení tepelné difuzivity a(T) v rovinném směru a cp(T) materiálů anody, katody, separátoru a vaku rozříznutého lithium-iontového vakuového článku. Metoda HFM byla použita k vyhodnocení cp(T) a λeff(T)lithium-iontového váčkového článku kolmo k povrchu váčku při různém stavu nabití (SoC).
Obrázek 4: Měření LFA (vpravo) a DSC (vlevo) na materiálu sáčku v sáčkové buňce
Obrázek 4 představuje výsledky cp(T) a a(T) pro materiál váčku zkoumaného bateriového článku. Tento postup měření byl proveden se všemi pevnými součástmi sáčkového bateriového článku, aby bylo možné vyhodnotit efektivní tepelnou vodivost v rovinném směru na základě dodatečných výpočtů metodou konečných prvků.
Obrázek 5: vlevo: Vpravo: buňky pouzdra naskládané v HFM 446; vpravo: Efektivní Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.tepelná vodivost na základě měření v HFM 446
Na obrázku 5 je zobrazeno uspořádání měření pro měření efektivní tepelné vodivosti skrz rovinu s HFM 446 a zásobníkem pouch cell na levé straně, stejně jako obdržené výsledky na pravé straně.
Postup měření založený na metodě měření HFM 446 s použitou sadou rozšíření a zásobníkem váčkových buněk vykázal dobrou reprodukovatelnost pro λeff(T)s λeff = 0.715 W m-1 K-1 při T = 25 °C a rozšířenou kombinovanou nejistotou U(k=2) = 0,02 W m-1 K-1. Rozdíly v λeff(T) způsobené SoC nebylo možné ve výsledcích vyřešit.
Údajeurčené pro cp(T) a a(T) v rovinném směru součásti vaku byly zpracovány v modelu konečných prvků (MKP) pro výpočet rovinné tepelné vodivosti celé buňky vaku s λeff = 52,54 W m-1 K-1.
Vyhodnocené výsledky ukazují, že HFM je vhodnou nedestruktivní metodou pro analýzu efektivní tepelné vodivosti v rovinném směru pro buňky vaku. Efektivní tepelnou vodivost v rovinném směru lze určit rozčleněním buňky na jednotlivé složky, aby bylo možné určit tepelnou difuzivitu v rovině, jakož i měrnou tepelnou kapacitu a hustotu. Tyto údaje lze zpracovat v modelu FE a vyhodnotit efektivní tepelnou vodivost v rovině.
O autorovi:
Daniel Lager, MSc, pracuje v oboru termofyziky a termické analýzy od roku 2007. Od roku 2019 je vedoucím přidružené akreditované laboratoře v AIT Austrian Institute of Technology GmbH. V roce 2017 získal na Technické univerzitě ve Vídni (TU Wien) titul PhD. za disertační práci na téma termofyzikální charakterizace materiálů pro akumulaci tepla. Je autorem a spoluautorem řady publikací.
V roce 2005 získal diplom v oboru elektroniky na Vysoké škole aplikovaných věd Technikum-Wien a následně v roce 2008 magisterský titul v oboru biomedicínských technických věd.
Souběžně s prací v AIT působí jako externí lektor na Vysoké škole aplikovaných věd v Burgenlandu. Během své profesní kariéry mohl Daniel Lager získat zkušenosti také jako systémový fyzik urychlovače částic pro iontovou terapii, jako systémový inženýr systémů pro přenos dat v aplikacích veřejné bezpečnosti, jako vývojář softwaru pro systémy detekce poškození a jako výzkumný pracovník v oblasti vlivu elektromagnetické kompatibility.
Podívejte se na příslušný webinář!
V tomto webináři představí Dr. Daniel Lager nejmodernější metodiky měření termofyzikálních vlastností materiálů pro skladování energie. Zaměřuje se na měrnou tepelnou kapacitucp(T), entalpii fázového přechoduHt, reakční entalpii Hr, tepelnou difuzivitu a(T), tepelnou vodivost λ(T) a charakteristické teploty T a na základě dostupných měřicích metod provádí, porovnává a hodnotí různé standardizované, ale i nové měřicí techniky. Dávejte si pozor!