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Cómo determinar las propiedades termofísicas de los materiales de almacenamiento de energía
Informe de campo del Dr. Daniel Lager, Ingeniero de Investigación de Sistemas Sostenibles de Energía Térmica del Centro de Energía del Instituto Austriaco de Tecnología AIT
El Instituto Austriaco de Tecnología AIT(https://www.ait.ac.at/) es la mayor institución de investigación no universitaria de Austria. Con sus siete centros, el AIT se considera un socio altamente especializado en investigación y desarrollo para la industria, y se ocupa de los temas clave de las infraestructuras del futuro.
“NETZSCH se ha consolidado como un socio fiable. La calidad de los instrumentos y su longevidad, así como la facilidad de uso del software de medición Proteus® en todas las variables medidas, constituyen aspectos importantes de la imagen. Sobre todo, el buen servicio y el buen diálogo con el laboratorio de desarrollo y aplicaciones de NETZSCH han resuelto ya muchas situaciones complicadas.”
Acerca del laboratorio de termofísica del AIT
El laboratorio de termofísica, como laboratorio de ensayos acreditado (EN ISO/IEC 17025) en el Centro de Energía, ofrece mediciones de características térmicas de materiales, procesos y productos, así como determinaciones de propiedades termofísicas y parámetros de transición con su infraestructura de laboratorio específica y de alta calidad y sus muchos años de experiencia. Las propiedades termofísicas analizadas incluyen la conductividad térmica λ (T), la difusividad térmica a(T), la Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.capacidad calorífica específica Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.cp(T), la expansión térmicaΔL(T)/L0, el coeficiente de expansión térmica Coeficiente lineal de expansión térmica (CLTE/CTE)The coefficient of linear thermal expansion (CLTE) describes the length change of a material as a function of the temperature.CTE α (T) y la DensidadThe mass density is defined as the ratio between mass and volume. densidad ρ (T) en un rango de temperaturas de -180°C a 1600°C. Además de las propiedades termofísicas, se utiliza el análisis térmico simultáneo con infrarrojos y espectrometría de masas para determinar las temperaturas características, las diferencias de entalpía y los cambios de masa, así como para identificar los gases evolucionados.
NETZSCH se ha consolidado como un socio fiable como fabricante de equipos. La calidad de los instrumentos y su longevidad, así como la facilidad de uso del software de medición en todas las variables medidas, constituyen aspectos importantes de la imagen. Pero, sobre todo, el buen servicio y el diálogo con el laboratorio de desarrollo y aplicaciones de han resuelto muchas situaciones complicadas. Proteus® NETZSCH
El instrumento más antiguo que se utiliza actualmente en AIT es el Laser-Flash LFA 427, que lleva en funcionamiento más de 20 años:
Materiales de cambio de fase (PCM) para aplicaciones de almacenamiento de energía térmica
El almacenamiento sensible de energía térmica (STES) es actualmente la forma más común de almacenar calor utilizando la capacidad calorífica del material de almacenamiento utilizado que resulta de una diferencia de temperatura predominante (por ejemplo, un depósito de agua caliente). La tecnología más reciente incluye el almacenamiento de energía térmica latente (LTES), que utiliza el calor de un cambio de fase de un material. La principal diferencia entre utilizar PCM y materiales STES en una aplicación de almacenamiento térmico es que, en los primeros, el calor almacenado se encuentra dentro de un estrecho margen de temperatura y la temperatura de Transiciones de faseEl término transición de fase (o cambio de fase) se utiliza más comúnmente para describir las transiciones entre los estados sólido, líquido y gaseoso.transición de fase es constante. Esta característica se utiliza para aplicaciones específicas, por ejemplo, en la construcción. Los retos en el procedimiento de medición son la medición precisa del cambio de fase o temperatura de transición, Tt, las entalpías de Transiciones de faseEl término transición de fase (o cambio de fase) se utiliza más comúnmente para describir las transiciones entre los estados sólido, líquido y gaseoso.transición de fase reales, Δht, y la Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.capacidad calorífica específica, Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.cp(T), de las diferentes fases.
El PCM investigado fue una cera de parafina comercial con un intervalo de Temperaturas y entalpías de fusiónLa entalpía de fusión de una sustancia, también conocida como calor latente, es una medida del aporte de energía, normalmente calor, que es necesario para convertir una sustancia del estado sólido al líquido. El punto de fusión de una sustancia es la temperatura a la que cambia de estado sólido (cristalino) a líquido (fusión isotrópica).temperatura de fusión de 69°C a 71°C, una diferencia de entalpía de Δh = 260 kJ kg-1 de 62°C a 77°C, y una Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.capacidad calorífica específica de Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.cp = 2 kJ kg-1 K-1según la especificación del fabricante.
Los siguientes experimentos de DSC se realizaron con un DSC NETZSCH 204 F1 equipado con un sensor DSC de tipo E. Se llenaron crisoles de aluminio con un volumen de 25 μl con el PCM y se soldaron en frío con tapas. Las muestras orgánicas sólidas se cortaron para que tuvieran un lado plano, a fin de asegurar un buen contacto entre la muestra y el fondo del crisol. Los experimentos de DSC se realizaron a dos velocidades de calentamiento diferentes, con β = 0,25 K min-1 y β = 10 K min-1, ycon una atmósfera de gas nitrógeno de flujo másico controlado.
Figura 3 (a): Resultados de Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.cp(T) aparente a partir de mediciones DSC con una parafina a β = 0,25 K min-1 y β = 10 K min-1
La figura 3 muestra los resultados de las mediciones DSC del PCM orgánico a dos velocidades de calentamiento diferentes. Los resultados para la velocidad de calentamiento baja con β = 0,25 K min-1 dieron lugar a un pico agudo, pero también a grandes incertidumbres en la fase sólida o líquida con respecto a la Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.capacidad calorífica específica real, Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.cp(T). La velocidad de calentamiento más rápida con β = 10 K min-1 indica una representación difusa del intervalo de fusión, pero resultados mucho más precisos para la Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.capacidad calorífica específica real cp(T) en la fase sólida o líquida.
A partir de estos resultados, llegamos a la conclusión de que una evaluación de las temperaturas características y las entalpías de transformación requiere múltiples mediciones DSC a diferentes velocidades de calentamiento para obtener resultados significativos con respecto a la temperatura y entalpía de Transiciones de faseEl término transición de fase (o cambio de fase) se utiliza más comúnmente para describir las transiciones entre los estados sólido, líquido y gaseoso.transición de fase y también con respecto a la capacidad calorífica específica, excluyendo al mismo tiempo los procesos de transporte térmico dentro de la muestra.
Mediciones de la conductividad térmica efectiva y la capacidad calorífica específica en celdas de baterías
La conductividad térmica efectiva λeff(T)en diferentes direcciones de las celdas de las baterías, así como su capacidad calorífica específica cp(T) son de importancia esencial para comprender el comportamiento térmico y la gestión térmica de los paquetes de baterías.
Los siguientes experimentos se centraron en el uso del NETZSCH Laser Flash LFA 427, el NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix® y el NETZSCH Heat Flow Meter HFM 446 para evaluar estas propiedades. El LFA 427 y el DSC 204 F1 se utilizaron para determinar la difusividad térmica a(T) en la dirección en el plano y la cp(T) de los materiales ánodo, cátodo, separador y bolsa de una célula de bolsa de iones de litio diseccionada. El método HFM se aplicó para evaluar cp(T) y λeff(T)de una pila de iones de litio perpendicular a la superficie de la pila en diferentes estados de carga (SoC).
Figura 4: Mediciones de LFA (derecha) y DSC (izquierda) en el material de una célula de bolsa
La figura 4 representa los resultados de cp(T) y a(T) para el material de la bolsa de la célula de batería de bolsa investigada. Este procedimiento de medición se llevó a cabo con todos los componentes sólidos de la célula de la batería de petaca para evaluar la conductividad térmica efectiva en la dirección en el plano basándose en cálculos adicionales de elementos finitos.
Figura 5: izquierda: Celdas de bolsa apiladas en el HFM 446; derecha: Conductividad térmica efectiva basada en las mediciones del HFM 446
La figura 5 muestra la configuración de medición de la conductividad térmica efectiva a través del plano con el HFM 446 y la pila de células de bolsa en el lado izquierdo, así como los resultados recibidos en el derecho.
El procedimiento de medición basado en el método de medición HFM 446 con el conjunto de extensión aplicado y la pila de celdas de bolsa mostró una buena reproducibilidad para λeff(T)con λeff= 0.715 W m-1 K-1 a T = 25°C y una incertidumbre combinada expandida de U(k=2) = 0,02 W m-1 K-1. Las diferencias en λeff(T) debidas al SoC no pudieron resolverse en los resultados.
Los datos determinados enpara cp(T) y a(T) en la dirección en el plano del componente de la bolsa se procesaron en un modelo de elementos finitos (FE) para calcular la conductividad térmica en el plano de toda la célula de la bolsa con λeff= 52,54 W m-1 K-1. Los resultados evaluados muestran que el HFM es un modelo de elementos finitos.
Los resultados evaluados muestran que el HFM es un método no destructivo adecuado para analizar la conductividad térmica efectiva en el plano de paso de las células de bolsa. La conductividad térmica efectiva en la dirección en el plano puede determinarse diseccionando la célula en sus componentes para determinar la difusividad térmica en el plano, así como la capacidad calorífica específica y la densidad. Estos datos pueden procesarse en un modelo de EF para evaluar la conductividad térmica efectiva en el plano.
Sobre el autor:
El Dr. Daniel Lager, MSc ha estado trabajando en el campo de la Termofísica y el Análisis Térmico desde 2007. Es jefe del laboratorio acreditado asociado en el AIT Austrian Institute of Technology GmbH a partir de 2019. En 2017, recibió un título de doctorado de la Universidad Tecnológica de Viena (TU Wien) por su disertación sobre la caracterización termofísica de los materiales de almacenamiento de calor. Es autor y coautor de numerosas publicaciones.
En 2005, obtuvo un diploma en electrónica por la Universidad de Ciencias Aplicadas Technikum-Wien, seguido de un máster en ciencias de ingeniería biomédica en 2008.
Paralelamente a su trabajo en el AIT, es profesor externo en la Universidad de Ciencias Aplicadas de Burgenland. A lo largo de su carrera profesional, Daniel Lager también ha podido adquirir experiencia como físico de sistemas para un acelerador de partículas para terapia iónica, como ingeniero de sistemas para sistemas de transmisión de datos en aplicaciones de seguridad pública, como desarrollador de software para sistemas de detección de daños y como investigador en el campo del efecto de la compatibilidad electromagnética.
Vea el seminario web correspondiente
En este seminario web, el Dr. Daniel Lager presenta las metodologías de medición más avanzadas para las propiedades termofísicas de los materiales de almacenamiento de energía. Centrándose en la capacidad calorífica específicacp(T), la entalpía de transición de faseHt, la entalpía de reacción Hr, la difusividad térmica a(T), la conductividad térmica λ(T) y las temperaturas características T, realiza, compara y evalúa diversas técnicas de medición estandarizadas, pero también nuevas, basadas en los métodos de medición disponibles. Atención: