Asiakkaan menestystarina
Miten määritetään energiavarastomateriaalien termofysikaaliset ominaisuudet?
Tohtori Daniel Lagerin, kestävän lämpöenergian tutkimusinsinöörin tutkimusraportti Itävallan teknillisen instituutin AIT:n energiakeskuksesta
AIT Austrian Institute of Technology(https://www.ait.ac.at/) on Itävallan suurin ei-yliopistollinen tutkimuslaitos. Seitsemän keskuksensa avulla AIT pitää itseään erittäin erikoistuneena tutkimus- ja kehityskumppanina teollisuudelle ja keskittyy tulevaisuuden keskeisiin infrastruktuuriaiheisiin.
“NETZSCH on vakiinnuttanut asemansa luotettavana kumppanina. Laitteiden laatu ja pitkäikäisyys sekä mittausohjelmiston Proteus® käytettävyys kaikissa mitatuissa muuttujissa ovat tärkeitä tekijöitä. Ennen kaikkea hyvä palvelu sekä hyvä vuoropuhelu kehitys- ja sovelluslaboratorion kanssa osoitteessa NETZSCH ovat jo ratkaisseet monia hankalia tilanteita.”
Tietoa AIT:n termofysiikan laboratoriosta
AIT:n lämpöfysiikan laboratorio on akkreditoitu testauslaboratorio (EN ISO/IEC 17025) energiakeskuksessa ja tarjoaa materiaalien, prosessien ja tuotteiden lämpöominaisuuksien mittauksia sekä lämpöfysikaalisten ominaisuuksien ja siirtymäparametrien määrityksiä laadukkaan ja spesifisen laboratorioinfrastruktuurin ja monivuotisen kokemuksen avulla. Analysoitavia termofysikaalisia ominaisuuksia ovat LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus λ(T), lämpödiffuusiokyky a(T), ominaislämpökapasiteetti Ominaislämpökapasiteetti (cp)Lämpökapasiteetti on materiaalikohtainen fysikaalinen suure, joka määräytyy näytteeseen syötetyn lämmön määrän ja siitä aiheutuvan lämpötilan nousun perusteella. Ominaislämpökapasiteetti suhteutetaan näytteen massayksikköön.cp(T), lämpölaajeneminen ΔL(T)/L0, lämpölaajenemiskerroin Lineaarinen lämpölaajenemiskerroin (CLTE/CTE)Lineaarinen lämpölaajenemiskerroin (CLTE) kuvaa materiaalin pituuden muutosta lämpötilan funktiona.CTE α(T) ja TiheysMassatiheys määritellään massan ja tilavuuden suhteena. tiheys ρ(T) lämpötila-alueella -180 °C:sta 1600 °C:een. Lämpöfysikaalisten ominaisuuksien lisäksi käytetään samanaikaista lämpöanalyysiä infrapuna- ja massaspektrometrialla ominaislämpötilojen, entalpiaerojen ja massanmuutosten määrittämiseksi sekä Identify kehittyneiden kaasujen määrittämiseksi.
NETZSCH on vakiinnuttanut asemansa luotettavana kumppanina laitevalmistajana. Laitteiden laatu ja pitkäikäisyys sekä mittausohjelmiston käytettävyys kaikissa mitatuissa muuttujissa ovat tärkeitä tekijöitä. Ennen kaikkea hyvä palvelu sekä hyvä vuoropuhelu kehitys- ja sovelluslaboratorion kanssa osoitteessa ovat kuitenkin ratkaisseet jo monta hankalaa tilannetta. Proteus® NETZSCH
AIT:n vanhin tällä hetkellä käytössä oleva laite on Laser-Flash LFA 427, joka on ollut käytössä jo yli 20 vuotta:
Faasimuutosmateriaalit (PCM) lämpöenergian varastointisovelluksiin
Aistittava lämpöenergian varastointi (STES) on tällä hetkellä yleisin tapa varastoida lämpöä käyttämällä varastointimateriaalin lämpökapasiteettia, joka johtuu vallitsevasta lämpötilaerosta (esim. lämminvesivaraaja). Viimeaikaiseen tekniikkaan kuuluu myös latentti lämpöenergian varastointi (LTES), jossa käytetään materiaalin faasimuutoksen lämpöä. Tärkein ero PCM- ja STES-materiaalien käytön välillä lämmönvarastointisovelluksessa on se, että ensin mainitussa tapauksessa varastoitu lämpö on kapealla lämpötila-alueella ja faasimuutoslämpötila on vakio. Tätä ominaisuutta käytetään erityissovelluksissa, esimerkiksi rakennussovelluksissa. Mittausmenettelyn haasteena on Vaiheen siirtymätTermiä faasimuutos (tai faasimuutos) käytetään yleisimmin kuvaamaan siirtymiä kiinteän, nestemäisen ja kaasumaisen tilan välillä.faasimuutos- tai siirtymälämpötilan Tt, faasimuutoksen todellisten entalpioiden Δht ja eri faasien ominaislämpökapasiteetin Ominaislämpökapasiteetti (cp)Lämpökapasiteetti on materiaalikohtainen fysikaalinen suure, joka määräytyy näytteeseen syötetyn lämmön määrän ja siitä aiheutuvan lämpötilan nousun perusteella. Ominaislämpökapasiteetti suhteutetaan näytteen massayksikköön.cp(T) tarkka mittaaminen.
Tutkittu PCM oli kaupallisesti saatavilla oleva parafiini, jonka Sulamislämpötilat ja lämpöarvotAineen fuusioentalpia, joka tunnetaan myös latenttina lämpönä, on mitta, jolla mitataan energiapanosta, yleensä lämpöä, joka tarvitaan aineen muuttamiseksi kiinteästä olomuodosta nestemäiseksi. Aineen sulamispiste on lämpötila, jossa aine vaihtaa olomuotoaan kiinteästä olomuodosta (kiteinen) nestemäiseksi olomuodoksi (isotrooppinen sula).sulamislämpötila vaihteli 69 °C:sta 71 °C:een, entalpiaero Δh = 260 kJ kg-1 62 °C:sta 77 °C:een ja ominaislämpökapasiteetti Ominaislämpökapasiteetti (cp)Lämpökapasiteetti on materiaalikohtainen fysikaalinen suure, joka määräytyy näytteeseen syötetyn lämmön määrän ja siitä aiheutuvan lämpötilan nousun perusteella. Ominaislämpökapasiteetti suhteutetaan näytteen massayksikköön.cp = 2 kJ kg-1 K-1valmistajan spesifikaation mukaan.
Seuraavat DSC-kokeet suoritettiin NETZSCH 204 F1 DSC-laitteella, joka oli varustettu E-tyypin DSC-anturilla. Alumiiniset upokkaat, joiden tilavuus oli 25 μl, täytettiin PCM:llä ja kylmähitsattiin kannella. Kiinteät orgaaniset näytteet leikattiin niin, että niillä oli yksi tasainen sivu, jotta varmistettiin hyvä kosketus näytteen ja upokkaan pohjan välillä. DSC-kokeet suoritettiin kahdella eri lämmitysnopeudella, β = 0,25 K min-1 ja β = 10 K min-1, jamassavirtaohjatussa typpikaasuilmakehässä.
Kuva 3 (a): Näennäinen Ominaislämpökapasiteetti (cp)Lämpökapasiteetti on materiaalikohtainen fysikaalinen suure, joka määräytyy näytteeseen syötetyn lämmön määrän ja siitä aiheutuvan lämpötilan nousun perusteella. Ominaislämpökapasiteetti suhteutetaan näytteen massayksikköön.cp(T)-tulos DSC-mittauksista parafiinivahalla β = 0,25 K min-1 ja β = 10 K min-1 -tiloissa
Kuvassa 3 esitetään orgaanisen PCM:n DSC-mittausten tulokset kahdella eri lämmitysnopeudella. Alhaisella lämmitysnopeudella β = 0,25 K min-1 saadut tulokset johtivat jyrkkään piikkiin mutta myös suuriin epävarmuustekijöihin kiinteässä tai nestemäisessä faasissa todellisen ominaislämpökapasiteetin Ominaislämpökapasiteetti (cp)Lämpökapasiteetti on materiaalikohtainen fysikaalinen suure, joka määräytyy näytteeseen syötetyn lämmön määrän ja siitä aiheutuvan lämpötilan nousun perusteella. Ominaislämpökapasiteetti suhteutetaan näytteen massayksikköön.cp(T) suhteen. Nopeampi lämmitysnopeus β = 10 K min-1 osoittaa sulamisalueen epäselvän kuvauksen, mutta paljon tarkemmat tulokset kiinteän tai nestemäisen faasin todellisesta ominaislämpökapasiteetista cp(T) .
Näistä tuloksista päättelimme, että ominaislämpötilojen ja muutosentalpioiden arviointi edellyttää useita DSC-mittauksia eri lämmitysnopeuksilla, jotta saadaan merkityksellisiä tuloksia faasimuutoslämpötilasta ja -entalpiasta sekä myös ominaislämpökapasiteetista, kun samalla suljetaan pois näytteen sisäiset lämpökuljetusprosessit.
Akkukennojen tehollisen lämmönjohtavuuden ja ominaislämpökapasiteetin mittaukset
Tehollinen LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus λeff(T) akkukennojen eri suunnissa sekä niiden ominaislämpökapasiteetti cp(T) ovat olennaisen tärkeitä akkupakettien lämpökäyttäytymisen ja lämmönhallinnan ymmärtämisen kannalta.
Seuraavissa kokeissa keskityttiin NETZSCH Laser Flash LFA 427, NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix® ja NETZSCH Heat Flow Meter HFM 446 -lämpövirtamittarin käyttöön näiden ominaisuuksien arvioimiseksi. LFA 427 ja DSC 204 F1 -laitteita käytettiin määrittämään anodin, katodin, separaattorin ja pussin materiaalien lämpödiffuusiokyky a(T) tasonsuunnassa ja cp(T) litiumioni-pussikennon paloitellusta materiaalista. HFM-menetelmää sovellettiin arvioimaan cp(T) ja λeff(T)litium-ionipussikennon cp(T) ja λeff(T) kohtisuorassa pussin pintaa vastaan eri varaustilassa (SoC).
Kuva 4: LFA- (oikealla) ja DSC-mittaukset (vasemmalla) pussikennon pussimateriaalista
Kuvassa 4 esitetään tutkittavan pussiparistokennon pussimateriaalin cp(T)- ja a(T) -tulokset. Tämä mittausmenetelmä suoritettiin pussiparistokennon kaikille kiinteille komponenteille, jotta voitiin arvioida tehokasta lämmönjohtavuutta tason sisäisessä suunnassa täydentävien äärellisten elementtien laskelmien perusteella.
Kuva 5: vasemmalla: HFM 446:ssa pinottuja pussisoluja; oikealla: Tehollinen LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus HFM 446:n mittausten perusteella
Kuvassa 5 on esitetty tehollisen lämmönjohtavuuden tasomittauksen mittausjärjestely HFM 446:lla ja pussikennopinolla vasemmalla puolella sekä oikealla puolella saadut tulokset.
HFM 446 -mittausmenetelmään perustuva mittausmenettely, jossa on käytetty laajennussarjaa ja pussikennopinoa, osoitti hyvää toistettavuutta λeff(T)λeff = 0:n kanssa.715 W m-1 K-1 lämpötilassa T = 25 °C ja laajennettu yhdistetty epävarmuus U(k=2) = 0,02 W m-1 K-1. SoC:stä johtuvia eroja λeff(T): ssä ei pystytty poistamaan tuloksista.
määritetyt tiedot cp(T): lle ja a(T): lle pussin osan tasonsuunnassa käsiteltiin äärellisten elementtien (FE) mallissa, jotta voitiin laskea koko pussikennon tasonsuuntainen LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus λeff = 52,54 W m-1 K-1.
Arvioidut tulokset osoittavat, että HFM on sopiva rikkomukseton menetelmä pussikennojen tehokkaan lämmönjohtavuuden analysoimiseksi tasonsuunnassa. Tehollinen LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus tason sisäisessä suunnassa voidaan määrittää purkamalla kenno osiinsa tason sisäisen lämmönjohtavuuden sekä ominaislämpökapasiteetin ja tiheyden määrittämiseksi. Näitä tietoja voidaan käsitellä FE-mallissa tasossa olevan tehollisen lämmönjohtavuuden arvioimiseksi.
Kirjoittajasta:
Daniel Lager, MSc on työskennellyt lämpöfysiikan ja lämpöanalyysin alalla vuodesta 2007. Hän on vuodesta 2019 alkaen AIT Austrian Institute of Technology GmbH:n assosioituneen akkreditoidun laboratorion johtaja. Vuonna 2017 hän sai tohtorin tutkinnon Wienin teknillisestä yliopistosta (TU Wien) väitöskirjastaan, joka käsitteli lämmönvarastointimateriaalien termofysikaalista karakterisointia. Hän on kirjoittanut ja ollut mukana kirjoittamassa lukuisia julkaisuja.
Vuonna 2005 hän suoritti diplomi-insinöörin tutkinnon elektroniikan alalla Technikum-Wienin ammattikorkeakoulussa, minkä jälkeen hän suoritti maisterin tutkinnon biolääketieteellisissä insinööritieteissä vuonna 2008.
AIT:ssä tekemänsä työn ohella hän toimii ulkopuolisena luennoitsijana Burgenlandin ammattikorkeakoulussa. Ammattiuransa aikana Daniel Lager on saanut kokemusta myös ioniterapiaan tarkoitetun hiukkaskiihdyttimen järjestelmäfyysikkona, julkisten turvallisuussovellusten tiedonsiirtojärjestelmien järjestelmäinsinöörinä, vahinkojen havaitsemisjärjestelmien ohjelmistokehittäjänä ja sähkömagneettisen yhteensopivuuden vaikutusten tutkijana.
Katso vastaava webinaari!
Tässä webinaarissa tohtori Daniel Lager esittelee energiavarastomateriaalien termofysikaalisten ominaisuuksien uusimpia mittausmenetelmiä. Hän keskittyy ominaislämpökapasiteettiincp(T), faasimuutosentalpiaHt:hen, reaktioentalpia Hr:hen, lämpödiffuusiokykyyn a(T), lämmönjohtavuuteen λ(T) ja ominaislämpötiloihin T. Hän suorittaa, vertailee ja arvioi erilaisia standardoituja mutta myös uusia mittaustekniikoita saatavilla olevien mittausmenetelmien pohjalta. Varo nyt!