Ügyfél SIKERES TÖRTÉNET
Hogyan határozzuk meg az energiatároló anyagok termofizikai tulajdonságait?
Dr. Daniel Lager, az AIT Osztrák Technológiai Intézet Energiaközpontjának fenntartható hőenergiarendszerekért felelős kutatómérnöke helyszíni beszámolója
Az AIT Austrian Institute of Technology(https://www.ait.ac.at/) Ausztria legnagyobb nem egyetemi kutatóintézete. Hét központjával az AIT az ipar magasan specializált kutatási és fejlesztési partnerének tekinti magát, és a jövő kulcsfontosságú infrastrukturális témáival foglalkozik.
“NETZSCH megbízható partnerré vált. A műszerek minősége és hosszú élettartama, valamint a mérőszoftver Proteus® használhatósága az összes mért változóra vonatkozóan fontos szempontok. Mindenekelőtt a jó kiszolgálás, valamint a NETZSCH fejlesztési és alkalmazási laboratóriummal folytatott jó párbeszéd már sok kényes helyzetet megoldott.”
Az AIT termofizikai laboratóriumáról
A termofizikai laboratórium mint akkreditált vizsgáló laboratórium (EN ISO/IEC 17025) az Energiaközpontban az anyagok, folyamatok és termékek termikus jellemzőinek mérését, valamint termofizikai tulajdonságok és átmeneti paraméterek meghatározását kínálja magas színvonalú és specifikus laboratóriumi infrastruktúrájával és sokéves tapasztalatával. A vizsgált termofizikai tulajdonságok közé tartozik a λ(T) Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képesség, a(T) hővezetési tényező, a(T) hővezetési tényező, a Fajlagos hőkapacitás (cp)A hőkapacitás egy anyagspecifikus fizikai mennyiség, amelyet a mintadarabba juttatott hőmennyiség és az ebből eredő hőmérséklet-emelkedés hányadosa határoz meg. A fajlagos hőkapacitás a minta egységnyi tömegére vonatkozik.cp(T) Fajlagos hőkapacitás (cp)A hőkapacitás egy anyagspecifikus fizikai mennyiség, amelyet a mintadarabba juttatott hőmennyiség és az ebből eredő hőmérséklet-emelkedés hányadosa határoz meg. A fajlagos hőkapacitás a minta egységnyi tömegére vonatkozik.fajlagos hőkapacitás, ΔL(T)/L0 hő tágulás, α(T) hőtágulási együttható Lineáris hőtágulási együttható (CLTE/CTE)A lineáris hőtágulási együttható (CLTE) az anyag hosszváltozását írja le a hőmérséklet függvényében.CTE és ρ(T) SűrűségA tömegsűrűséget a tömeg és a térfogat arányaként határozzák meg. sűrűség a -180°C és 1600°C közötti hőmérséklet-tartományban. A termofizikai tulajdonságok mellett infravörös- és tömegspektrometriával végzett egyidejű hőelemzéssel meghatározzák a jellemző hőmérsékleteket, entalpiakülönbségeket és tömegváltozásokat, valamint azonosítják a fejlődő gázokat.
.
NETZSCH megbízható partnerré vált berendezésgyártóként. A műszerek minősége és hosszú élettartama, valamint a mérőszoftver használhatósága az összes mért változóra vonatkozóan fontos szempontok. Mindenekelőtt azonban a jó kiszolgálás, valamint a fejlesztési és alkalmazási laboratóriummal folytatott jó párbeszéd már sok kényes helyzetet megoldott. Proteus® NETZSCH
Az AIT-nél jelenleg használt legrégebbi műszer a Laser-Flash LFA 427, amely már több mint 20 éve üzemel:
Fázisváltó anyagok (PCM) hőenergia-tárolási alkalmazásokhoz
Az érzékelhető hőenergia-tárolás (STES) jelenleg a legelterjedtebb módja a hő tárolásának a felhasznált tárolóanyag hőkapacitásának felhasználásával, amely az uralkodó hőmérsékletkülönbségből adódik (pl. melegvíztároló). A legújabb technológiák közé tartozik a látens hőenergia-tárolás (LTES), amely az anyag fázisváltozásából származó hőt használja fel. A fő különbség a PCM-ek és az STES-anyagok hőtárolási alkalmazásban való alkalmazása között az, hogy az előbbi esetében a tárolt hő egy szűk hőmérsékleti tartományon belül van, és a fázisátalakulási hőmérséklet állandó. Ezt a tulajdonságot speciális alkalmazásokban, pl. építési alkalmazásokban használják ki. A mérési eljárás során kihívást jelent a fázisátalakulási vagy átmeneti hőmérséklet, Tt, a tényleges fázisátalakulási entalpiák, Δht, és a különböző fázisok Fajlagos hőkapacitás (cp)A hőkapacitás egy anyagspecifikus fizikai mennyiség, amelyet a mintadarabba juttatott hőmennyiség és az ebből eredő hőmérséklet-emelkedés hányadosa határoz meg. A fajlagos hőkapacitás a minta egységnyi tömegére vonatkozik.fajlagos hőkapacitásának, Fajlagos hőkapacitás (cp)A hőkapacitás egy anyagspecifikus fizikai mennyiség, amelyet a mintadarabba juttatott hőmennyiség és az ebből eredő hőmérséklet-emelkedés hányadosa határoz meg. A fajlagos hőkapacitás a minta egységnyi tömegére vonatkozik.cp(T), pontos mérése.
A vizsgált PCM egy kereskedelmi forgalomban kapható paraffinviasz volt, amelynek olvadási hőmérséklettartománya 69°C és 71°C között van, entalpiakülönbség Δh = 260 kJ kg-1 62°C és 77°C között, és a Fajlagos hőkapacitás (cp)A hőkapacitás egy anyagspecifikus fizikai mennyiség, amelyet a mintadarabba juttatott hőmennyiség és az ebből eredő hőmérséklet-emelkedés hányadosa határoz meg. A fajlagos hőkapacitás a minta egységnyi tömegére vonatkozik.fajlagos hőkapacitás Fajlagos hőkapacitás (cp)A hőkapacitás egy anyagspecifikus fizikai mennyiség, amelyet a mintadarabba juttatott hőmennyiség és az ebből eredő hőmérséklet-emelkedés hányadosa határoz meg. A fajlagos hőkapacitás a minta egységnyi tömegére vonatkozik.cp = 2 kJ kg-1 K-1a gyártó specifikációja szerint.
A következő DSC-kísérleteket egy E-típusú DSC-érzékelővel felszerelt NETZSCH 204 F1 DSC-vel végeztük. A 25 μl térfogatú alumíniumtégelyeket megtöltöttük a PCM-mel, és hideghegesztett fedelekkel láttuk el. A szilárd szerves mintákat úgy vágtuk le, hogy egy lapos oldaluk legyen, így biztosítva a minta és a tégely alja közötti jó érintkezést. A DSC-kísérleteket két különböző fűtési sebességgel végeztük, β = 0,25 K min-1 és β = 10 K min-1, valaminttömegáram-szabályozott nitrogéngáz atmoszférával.
3. ábra (a): A paraffinviasszal végzett DSC-mérésekből származó látszólagos Fajlagos hőkapacitás (cp)A hőkapacitás egy anyagspecifikus fizikai mennyiség, amelyet a mintadarabba juttatott hőmennyiség és az ebből eredő hőmérséklet-emelkedés hányadosa határoz meg. A fajlagos hőkapacitás a minta egységnyi tömegére vonatkozik.cp(T) eredmények β = 0,25 K min-1 és β = 10 K min-1 mellett
A 3. ábra a szerves PCM-en végzett DSC-mérések eredményeit mutatja két különböző fűtési sebesség mellett. Az alacsony, β = 0,25 K min-1 fűtési sebességre vonatkozó eredmények éles csúcsot mutattak, de a szilárd vagy folyékony fázisban nagy bizonytalanságot is eredményeztek a tényleges Fajlagos hőkapacitás (cp)A hőkapacitás egy anyagspecifikus fizikai mennyiség, amelyet a mintadarabba juttatott hőmennyiség és az ebből eredő hőmérséklet-emelkedés hányadosa határoz meg. A fajlagos hőkapacitás a minta egységnyi tömegére vonatkozik.fajlagos hőkapacitás, Fajlagos hőkapacitás (cp)A hőkapacitás egy anyagspecifikus fizikai mennyiség, amelyet a mintadarabba juttatott hőmennyiség és az ebből eredő hőmérséklet-emelkedés hányadosa határoz meg. A fajlagos hőkapacitás a minta egységnyi tömegére vonatkozik.cp(T) tekintetében. A gyorsabb, β = 10 K min-1 fűtési sebesség a szilárd vagy folyékony fázisban a tényleges cp(T) fajlagos hőkapacitásra vonatkozó sokkal pontosabb eredmények mellett az olvadási tartomány elmosódott ábrázolását jelzi.
Ezekből az eredményekből arra a következtetésre jutottunk, hogy a jellemző hőmérsékletek és az átalakulási entalpiák értékeléséhez több DSC-mérésre van szükség különböző fűtési sebességek mellett, hogy a fázisátalakulási hőmérsékletre és entalpiára, valamint a fajlagos hőkapacitásra vonatkozóan értelmezhető eredményeket kapjunk, kizárva a mintán belüli hőszállítási folyamatokat.
Az effektív Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képesség és a Fajlagos hőkapacitás (cp)A hőkapacitás egy anyagspecifikus fizikai mennyiség, amelyet a mintadarabba juttatott hőmennyiség és az ebből eredő hőmérséklet-emelkedés hányadosa határoz meg. A fajlagos hőkapacitás a minta egységnyi tömegére vonatkozik.fajlagos hőkapacitás mérése akkumulátorcellákon
Az akkumulátorcellák különböző irányokban mért hatékony hővezető képessége λeff(T), valamint a cp(T) fajlagos hőkapacitásuk alapvető fontosságú az akkumulátorok termikus viselkedésének és hőkezelésének megértéséhez.
A következő kísérletek a NETZSCH Lézervillogó LFA 427, a NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix® és a NETZSCH Hőáramlásmérő HFM 446 használatára összpontosítottak e tulajdonságok értékelésére. Az LFA 427 és a DSC 204 F1 készüléket egy feldarabolt lítiumionos tasakcella anód, katód, szeparátor és tasak anyagainak síkbeli irányú a(T) hődiffúziós képességének és cp(T) értékének meghatározására használták. A HFM-módszert alkalmaztuk a lítium-ionos tasakcella cp(T) és λeff(T)értékelésére a tasak felületére merőlegesen, különböző töltöttségi állapot (SoC) mellett.
Ábra: LFA (jobbra) és DSC mérések (balra) egy tasakos cella tasakanyagán
A 4. ábra a vizsgált tasakos akkumulátorcella tasakanyagának cp(T) és a(T) eredményeit mutatja. Ezt a mérési eljárást a tasakos akkumulátorcella összes szilárd komponensén elvégeztük a síkbeli irányú effektív hővezetés értékeléséhez további végeselemes számítások alapján.
5. ábra: balra: HFM 446-ban egymásra helyezett tasakos sejtek; jobbra: Hatékony Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képesség a HFM 446 mérései alapján
Az 5. ábra az effektív hővezetési tényező síkbeli méréséhez használt mérési elrendezést ábrázolja a HFM 446 készülékkel és a tasakcellák halmazával a bal oldalon, valamint a kapott eredményeket a jobb oldalon.
A HFM 446 mérési módszeren alapuló mérési eljárás az alkalmazott kiterjesztéskészlettel és a tasakcellás halmazzal jó reprodukálhatóságot mutatott λeff(T)λeff = 0 mellett.715 W m-1 K-1T = 25°C-on és U(k=2) = 0,02 W m-1 K-1 kiterjesztett kombinált bizonytalansággal. A λeff(T)- ben a SoC miatt fennálló különbségeket nem lehetett feloldani az eredményekben.
Aáltal meghatározott cp(T) és a(T) adatokat a tasak alkatrész síkbeli irányában egy végeselemes (FE) modellben dolgoztuk fel, hogy kiszámítsuk a teljes tasakcellának a síkbeli Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képességét λeff = 52,54 W m-1 K-1 értékkel.
Az értékelt eredmények azt mutatják, hogy a HFM alkalmas roncsolásmentes módszer a tasakcellák síkbeli irányú effektív hővezetési tényezőjének elemzésére. A síkbeli irányban mért effektív Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képesség meghatározható a cella alkotóelemeire való felbontásával, a síkbeli Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képesség, valamint a Fajlagos hőkapacitás (cp)A hőkapacitás egy anyagspecifikus fizikai mennyiség, amelyet a mintadarabba juttatott hőmennyiség és az ebből eredő hőmérséklet-emelkedés hányadosa határoz meg. A fajlagos hőkapacitás a minta egységnyi tömegére vonatkozik.fajlagos hőkapacitás és a SűrűségA tömegsűrűséget a tömeg és a térfogat arányaként határozzák meg. sűrűség meghatározásához. Ezeket az adatokat egy FE-modellben fel lehet dolgozni a síkbeli effektív Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képesség értékeléséhez.
A szerzőről:
Dr. Daniel Lager, MSc 2007 óta dolgozik a termofizika és a hőelemzés területén. 2019-től az AIT Austrian Institute of Technology GmbH társult akkreditált laboratóriumának vezetője. A Bécsi Műszaki Egyetemen (TU Wien) 2017-ben PhD fokozatot szerzett a hőtároló anyagok termofizikai jellemzéséről szóló disszertációjával. Számos publikáció szerzője és társszerzője.
2005-ben a Technikum-Wieni Alkalmazott Tudományok Egyetemén elektronika szakon szerzett diplomát, majd 2008-ban biomérnöki mérnöki tudományokból szerzett mesterdiplomát.
Az AIT-nél végzett munkájával párhuzamosan a Burgenlandi Alkalmazott Tudományok Egyetemének külső oktatója. Szakmai pályafutása során Daniel Lager az ionterápiához használt részecskegyorsító rendszerfizikusaként, közbiztonsági alkalmazásokban alkalmazott adatátviteli rendszerek rendszermérnökeként, kárfelismerő rendszerek szoftverfejlesztőjeként és az elektromágneses kompatibilitás hatásának kutatójaként is tapasztalatot szerzett.
Nézze meg a kapcsolódó webináriumot!
Ezen a webináriumon Dr. Daniel Lager bemutatja az energiatároló anyagok termofizikai tulajdonságainak legkorszerűbb mérési módszereit. A cp(T) fajlagos hőkapacitásra, a Htfázisátalakulási entalpiára, a Hr reakcióentalpiára, az a(T) hővezető képességre, a λ(T) hővezető képességre és a T jellemző hőmérsékletekre összpontosítva különböző szabványosított, de a rendelkezésre álló mérési módszereken alapuló új mérési technikákat is elvégez, összehasonlít és értékel. Vigyázzon most!