STORIA DI SUCCESSO DEL CLIENTE
Come determinare le proprietà termofisiche dei materiali per l'accumulo di energia
Un rapporto sul campo del Dr. Daniel Lager, ingegnere di ricercaarcper i sistemi di energia termica sostenibile presso il Centro per l'energia dell'Istituto austriaco di tecnologia AIT
arcL'Istituto Austriaco di Tecnologia(https://www.ait.ac.at/) è la largeprima istituzione di ricerca non universitaria dell'Austria.arcCon i suoi sette centri, l'AIT si considera un partner altamente specializzato nella ricerca e nello sviluppo per l'industria e si occupa dei temi chiave delle infrastrutture del futuro.
„NETZSCH si è affermata come partner affidabile. La qualità degli strumenti e la loro longevità, così come l'usabilità del software di misura Proteus® per tutte le variabili misurate, costituiscono aspetti importanti del quadro. Soprattutto, il buon servizio e il dialogo con il laboratorio di sviluppo e applicazione di NETZSCH hanno già risolto molte situazioni difficili.“
Il laboratorio di termofisica dell'AIT
Il laboratorio di termofisica, in qualità di laboratorio di prova accreditato (EN ISO/IEC 17025) presso il Center for Energy, offre misurazioni delle caratteristiche termiche di materiali, processi e prodotti, nonché determinazioni delle proprietà termofisiche e dei parametri di transizione, grazie a un'infrastruttura di laboratorio specifica e di alta qualità e a molti anni di esperienza. Le proprietà termofisiche analizzate comprendono la Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica λ (T), la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica a(T), laCapacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione.cp(T), l'espansione termica ΔL(T)/L0, il coefficiente di espansione termicaCoefficiente di espansione termica lineare (CLTE/CTE)Il coefficiente di espansione termica lineare (CLTE) descrive la variazione di lunghezza di un materiale in funzione della temperatura. CTE α(T) e la densità ρ (T) in un intervallo di temperature compreso tra -180°C e 1600°C. Oltre alle proprietà termofisiche, l'analisi termica simultanea con infrarossi e spettrometria di massa viene utilizzata per determinare le temperature caratteristiche, le differenze entalpiche e le variazioni di massa, nonché per identificare i gas evoluti.
NETZSCH si è affermata come partner affidabile come produttore di apparecchiature. La qualità degli strumenti e la loro longevità, così come l'usabilità del software di misura per tutte le variabili misurate, costituiscono aspetti importanti del quadro. Soprattutto, però, il buon servizio e il buon dialogo con il laboratorio di sviluppo e applicazione di hanno già risolto molte situazioni difficili. Proteus® NETZSCH
Lo strumento più vecchio attualmente in uso presso l'AIT è il Laser-Flash LFA 427, in funzione da oltre 20 anni:
Materiali a cambiamento di fase (PCM) per applicazioni di stoccaggio dell'energia termica
L'accumulo di energia termica sensibile (STES) è attualmente il modo più comune di immagazzinare il calore sfruttando la capacità termica del materiale di accumulo utilizzato che risulta da una differenza di temperatura prevalente (ad esempio, un serbatoio di acqua calda). La tecnologia più recente include l'accumulo di energia termica latente (LTES), che utilizza il calore di un cambiamento di fase di un materiale. La differenza principale tra l'uso dei PCM e quello dei materiali STES in un'applicazione di accumulo di calore è che, nel primo caso, il calore immagazzinato si trova in un intervallo di temperatura ristretto e la temperatura diTransizioni di faseIl termine transizione di fase (o cambiamento di fase) è più comunemente usato per descrivere le transizioni tra gli stati solido, liquido e gassoso. transizione di fase è costante. Questa caratteristica è utilizzata per applicazioni specifiche, ad esempio nell'edilizia. Le sfide della procedura di misurazione sono la misura accurata del cambiamento di fase o della temperatura di transizione, Tt, le effettive entalpie diTransizioni di faseIl termine transizione di fase (o cambiamento di fase) è più comunemente usato per descrivere le transizioni tra gli stati solido, liquido e gassoso. transizione di fase, Δht, e laCapacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica, Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione.cp(T), delle diverse fasi.
Il PCM analizzato era una cera di paraffina disponibile in commercio con unaTemperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). temperatura di fusione compresa tra 69°C e 71°C, una differenza entalpica di Δh = 260 kJ kg-1 da 62°C a 77°C e unaCapacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica di Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione.cp = 2 kJ kg-1 K-1secondo le specifiche del produttore.
I seguenti esperimenti DSC sono stati condotti con un DSC NETZSCH 204 F1 dotato di un sensore DSC di tipo-E. I crogioli di alluminio con un volume di 25 μl sono stati riempiti con il PCM e saldati a freddo con coperchi. I campioni organici solidi sono stati tagliati per avere un lato piatto, in modo da garantire un buon contatto tra il campione e il fondo del crogiolo. Gli esperimenti DSC sono stati condotti a due diverse velocità di riscaldamento, con β = 0,25 K min-1 e β = 10 K min-1, econ un'atmosfera di azoto a flusso di massa controllato.
Figura 3 (a): Risultati del Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione.cp(T) apparente da misure DSC con una cera di paraffina a β = 0,25 K min-1 e β = 10 K min-1
La Figura 3 mostra i risultati delle misure DSC sul PCM organico a due diverse velocità di riscaldamento. I risultati per la bassa velocità di riscaldamento con β = 0,25 K min-1 hanno portato a un picco netto, ma anche a elevate incertezze nella fase solida o liquida per quanto riguarda l'effettivaCapacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica, Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione.cp(T). La velocità di riscaldamento più rapida con β = 10 K min-1 indica una rappresentazione sfumata dell'intervallo diTemperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione, ma risultati molto più accurati per l'effettivaCapacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica cp(T) nella fase solida o liquida.
Da questi risultati, abbiamo concluso che una valutazione delle temperature caratteristiche e delle entalpie di trasformazione richiede molteplici misure DSC a diverse velocità di riscaldamento per ottenere risultati significativi riguardo alla temperatura e all'entalpia diTransizioni di faseIl termine transizione di fase (o cambiamento di fase) è più comunemente usato per descrivere le transizioni tra gli stati solido, liquido e gassoso. transizione di fase e anche allaCapacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica, escludendo i processi di trasporto termico all'interno del campione.
Misure della Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica effettiva e dellaCapacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica delle celle delle batterie
La Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica effettiva λeff(T)in diverse direzioni delle celle delle batterie e la loroCapacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica cp(T) sono di fondamentale importanza per comprendere il comportamento termico e la gestione termica dei pacchi batteria.
NETZSCH I seguenti esperimenti si sono concentrati sull'uso del laser flash LFA 427 NETZSCH, del DSC 204 F1 Phoenix® e del misuratore di flusso di calore HFM 446 NETZSCH per valutare queste proprietà. L'LFA 427 e il DSC 204 F1 sono stati utilizzati per determinare la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica a(T) nella direzione in-plano e la cp(T) dei materiali dell'anodo, del catodo, del separatore e del sacchetto di una cella agli ioni di litio sezionata. Il metodo HFM è stato applicato per valutare cp(T) e λeff(T)di una cella a sacca agli ioni di litio perpendicolare alla superficie della sacca a un diverso stato di carica (SoC).
Figura 4: Misure LFA (a destra) e DSC (a sinistra) sul materiale della busta di una cella a sacca
La Figura 4 rappresenta i risultati di cp(T) e a(T) per il materiale del sacchetto della pouch battery cell analizzata. Questa procedura di misurazione è stata condotta con tutti i componenti solidi della pouch battery cell per valutare l'effettiva Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica nella direzione in-plane sulla base di ulteriori calcoli agli elementi finiti.
Figura 5: a sinistra: Celle a sacchetto impilate in HFM 446; a destra: Conducibilità termica effettiva basata sulle misure dell'HFM 446
La Figura 5 illustra l'impostazione della misura della Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica effettiva attraverso il piano con l'HFM 446 e la pila di celle a sacchetto sul lato sinistro e i risultati ricevuti sul lato destro.
La procedura di misura basata sul metodo di misura HFM 446 con il set di estensione applicato e la pila di celle a sacchetto ha mostrato una buona riproducibilità per λeff(T)con λeff= 0.715 W m-1 K-1 a T = 25°C e un'incertezza combinata estesa di U(k=2) = 0,02 W m-1 K-1. Le differenze di λeff(T) dovute al SoC non hanno potuto essere risolte nei risultati.
I dati determinati super cp(T) e a(T) nella direzione in-plan del componente della busta sono stati elaborati in un modello a elementi finiti (FE) per calcolare la Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica in-plan dell'intera cella della busta con λeff= 52,54 W m-1 K-1.
I risultati valutati mostrano che l'HFM è un metodo non distruttivo adatto per analizzare la Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica effettiva nella direzione del piano passante delle celle a sacca. La Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica effettiva nella direzione del piano può essere determinata sezionando la cella nei suoi componenti per determinare la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica nel piano, nonché laCapacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica e la densità. Questi dati possono essere elaborati in un modello FE per valutare la Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica effettiva nel piano.
Informazioni sull'autore:
Il Dr. Daniel Lager, MSc, lavora nel campo della termofisica e dell'analisi termica dal 2007. Dal 2019 è responsabile del laboratorio associato accreditato presso l'AIT Austrian Institute of Technology GmbH. Nel 2017 ha conseguito un dottorato di ricerca presso l'Università di Tecnologia di Vienna (TU Wien) per la sua tesi sulla caratterizzazione termofisica dei materiali per l'accumulo di calore. È autore e coautore di numerose pubblicazioni.
Nel 2005 ha conseguito un diploma in elettronica presso l'Università di Scienze Applicate di Technikum-Wien, seguito da un master in scienze ingegneristiche biomediche nel 2008.
Parallelamente al suo lavoro presso l'AIT, è docente esterno presso l'Università di Scienze Applicate del Burgenland. Nel corso della sua carriera professionale, Daniel Lager ha potuto fare esperienza anche come fisico di sistema per un acceleratore di particelle per la terapia ionica, come ingegnere di sistema per sistemi di trasmissione dati in applicazioni di sicurezza pubblica, come sviluppatore di software per sistemi di rilevamento dei danni e come ricercatorearclei nel campo degli effetti della compatibilità elettromagnetica.
Guardate il webinar corrispondente!
In questo webinar, il Dr. Daniel Lager presenta lo stato dell'arte delle metodologie di misurazione delle proprietà termofisiche dei materiali per l'accumulo di energia. Concentrandosi sulla capacità termica specificacp(T), sull'entalpia di transizione di faseHt, sull'entalpia di reazione Hr, sulla Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica a(T), sulla conducibilità termica λ(T) e sulle temperature caratteristiche T, esegue, confronta e valuta varie tecniche di misurazione standardizzate ma anche nuove, basate sui metodi di misurazione disponibili. Attenzione!