Einleitung
PCM (engl. Phase Change Materials) sind Materialien, die als Latentwärmespeicher genutzt werden. Dabei wird die Phasenumwandlungsenthalpie fest-flüssig zur Speicherung von Wärme genutzt. Das Anwendungsgebiet der Latentwärmespeicher erstreckt sich von Taschenwärmern über Funktionstextilien bis hin zu Wand- und Deckenelementen im Gebäudebau.
Die thermophysikalischen Eigenschaften einer PCM-Probe aus pflanzlichen Extrakten wurden mit Hilfe der LFA 467 HyperFlash® und der DSC 204 F1 Phoenix® untersucht.
Testbedingungen
LFA:
- 30 °C bis 150 °C Feststoffprobe im Standardprobenhalter (Aufheizung)
- 220 °C bis 30 °C flüssige Probe im PEEK-Probenhalter (Abkühlung), siehe Abbildung 1
DSC:
- -10 °C bis 225 °C Aufheizung und Abkühlung
Messergebnisse
Abbildung 2 zeigt die Aufheizung und Abkühlung der PCM-Probe mittels DSC. Der Schmelzbeginn der Probe liegt bei ca. 165 °C (Onset), die Kristalisation beim Abkühlen beginnt allerdings erst wieder bei ca. 123 °C. Dieser Effekt ist auch bei den LFA-Messungen zu erkennen. Die roten Quadrate in Abbildung 3 zeigen die TemperaturleitfähigkeitDie Temperaturleitfähigkeit (a mit der Einheit mm2/s) ist eine materialabhängige Stoffeigenschaft zur Charakterisierung des instationären Wärmetransports. Sie gibt an, wie schnell ein Material auf eine Temperaturänderung reagiert.Temperaturleitfähigkeit der PCM-Probe beim Abkühlen (von flüssig zu fest). Die Stufe in der Temperaturleitfähigkeit wird der Phasenumwandlung / PhasenänderungDer Begriff Phasenumwandlung (oder Phasenänderung) wird am häufigsten verwendet, um Übergänge zwischen dem festen, flüssigen und gasförmigen Zustand zu beschreiben. Eine Phase eines thermodynamischen Systems und die Zustände haben einheitliche physikalische Eigenschaften.Phasenumwandlung zugeordnet. Da die Messpunkte während der Abkühlung aufgenommen wurden, wird der Phasenübergang zwischen 120 °C und 150 °C sichtbar. Die roten Dreiecke in Abbildung 3 stellen die Temperaturleitfähigkeit bei der Aufheizung der festen PCM-Probe dar. Beide Messungen sind in guter Übereinstimmung. Nur bei 150 °C ist ein deutlicher Unterschied erkennbar, was durch den unterschiedlichen Zustand der Proben (fest bzw. flüssig) aufgrund der unterschiedlichen Schmelz- bzw. Kristallisationstemperaturen zu erklären ist.
Abbildung 4 zeigt die thermophysikalischen Eigenschaften beim Aufheizen der PCM-Probe zwischen 30 °C und 220 °C als Kombination aus beiden Messungen. Die Phasenumwandlung fest-flüssig wird sowohl in der Temperaturleitfähigkeit als auch in der spezifischen Wärmekapazität und der WärmeleitfähigkeitDie Wärmeleitfähigkeit (λ mit der Einheit W/(m•K)) beschreibt den Transport von Energie - in Form von Wärme - durch einen Körper aufgrund eines Temperaturgefälles.Wärmeleitfähigkeit durch eine Stufe zwischen 150 °C und 180 °C sichtbar.
Fazit
Mit dem Spezialprobenhalter für Flüssigkeiten und Pasten (PEEK-Probenhalter) kann die Temperaturleitfähigkeit von PCM-Proben mittels LFA auch in der Schmelze untersucht werden. Vergleichsmessungen mit und ohne Flüssigkeitsprobenhalter im festen Bereich zeigen eine gute Übereinstimmung, solange ein guter Kontakt zwischen Probe und Probenhalter gegeben ist (3-Schichtanalyse). DSC-Messungen geben Aufschluss über das Schmelz- und Kristallisationsverhalten der Proben und liefern Daten zur spezifischen Wärmekapazität. Aus den Messungen beider Methoden kann anschließend eine zuverlässige Aussage über die Wärmeleitfähigkeit der PCM-Probe im festen und im flüssigen Bereich getroffen werden.