Historia sukcesu klienta
Jak określić właściwości termofizyczne materiałów magazynujących energię?
arcRaport terenowy sporządzony przez dr Daniela Lagera, inżyniera ds. zrównoważonych systemów energii cieplnej w Centrum Energii Austriackiego Instytutu Technologii AIT
arcA IT Austrian Institute of Technology(https://www.ait.ac.at/) jest austriacką largeinstytucją badawczą niebędącą uniwersytetem.arcZe swoimi siedmioma ośrodkami, AIT uważa się za wysoce wyspecjalizowanego partnera badawczo-rozwojowego dla przemysłu i zajmuje się kluczowymi tematami infrastruktury przyszłości.
„NETZSCH stała się niezawodnym partnerem. Jakość przyrządów i ich trwałość, a także użyteczność oprogramowania pomiarowego Proteus® we wszystkich mierzonych zmiennych stanowią ważne aspekty tego obrazu. Przede wszystkim dobra obsługa, a także dobry dialog z laboratorium rozwoju i aplikacji w NETZSCH rozwiązały już wiele trudnych sytuacji.“
Informacje o laboratorium termofizyki w AIT
Laboratorium termofizyki jako akredytowane laboratorium badawcze (EN ISO/IEC 17025) w Centrum Energetyki oferuje pomiary właściwości termicznych materiałów, procesów i produktów, a także wyznaczanie właściwości termofizycznych i parametrów przejściowych dzięki wysokiej jakości i specyficznej infrastrukturze laboratoryjnej oraz wieloletniemu doświadczeniu. Analizowane właściwości termofizyczne obejmują przewodność cieplną λ(T ), dyfuzyjność cieplną a(T), pojemność cieplną właściwą Pojemność cieplna właściwa (cp)Pojemność cieplna jest wielkością fizyczną specyficzną dla materiału, określoną przez ilość ciepła dostarczonego do próbki, podzieloną przez wynikający z tego wzrost temperatury. Pojemność cieplna właściwa jest związana z jednostką masy próbki.cp(T), rozszerzalność cieplną ΔL(T)/L0, współczynnik rozszerzalności cieplnejWspółczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej (CLTE/CTE)Współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej (CLTE) opisuje zmianę długości materiału w funkcji temperatury. CTE α(T) oraz gęstość ρ (T ) w zakresie temperatur od -180°C do 1600°C. Oprócz właściwości termofizycznych, jednoczesna analiza termiczna z wykorzystaniem podczerwieni i spektrometrii masowej jest wykorzystywana do określania charakterystycznych temperatur, różnic entalpii i zmian masy, a także do identyfikacji ulatniających się gazów.
NETZSCH stała się niezawodnym partnerem jako producent sprzętu. Jakość przyrządów i ich trwałość, a także użyteczność oprogramowania pomiarowego we wszystkich mierzonych zmiennych stanowią ważne aspekty tego obrazu. Przede wszystkim jednak dobra obsługa, a także dobry dialog z laboratorium rozwojowym i aplikacyjnym w rozwiązały już wiele trudnych sytuacji. Proteus® NETZSCH
Najstarszym przyrządem używanym obecnie w AIT jest Laser-Flash LFA 427, który działa od ponad 20 lat:
Materiały zmiennofazowe (PCM) do magazynowania energii cieplnej
Zmysłowe magazynowanie energii cieplnej (STES) jest obecnie najpopularniejszym sposobem przechowywania ciepła poprzez wykorzystanie pojemności cieplnej wykorzystywanego materiału magazynowego, która wynika z dominującej różnicy temperatur (np. zbiornik ciepłej wody). Najnowsza technologia obejmuje utajone magazynowanie energii cieplnej (LTES), które wykorzystuje ciepło przemiany fazowej materiału. Główna różnica między wykorzystaniem PCM a materiałów STES w zastosowaniach magazynowania ciepła polega na tym, że w pierwszym przypadku magazynowane ciepło mieści się w wąskim zakresie temperatur, a temperatura przejścia fazowego jest stała. Ta cecha jest wykorzystywana w konkretnych zastosowaniach, np. w budownictwie. Wyzwaniem w procedurze pomiarowej jest dokładny pomiar zmiany fazy lub temperatury przejścia, Tt, rzeczywistych entalpii przejścia fazowego, Δht i pojemności cieplnej właściwej, Pojemność cieplna właściwa (cp)Pojemność cieplna jest wielkością fizyczną specyficzną dla materiału, określoną przez ilość ciepła dostarczonego do próbki, podzieloną przez wynikający z tego wzrost temperatury. Pojemność cieplna właściwa jest związana z jednostką masy próbki.cp(T), różnych faz.
Badanym PCM był dostępny w handlu wosk parafinowy o zakresie temperatur topnienia od 69°C do 71°C, różnicy entalpii Δh = 260 kJ kg-1 od 62°C do 77°C i pojemności cieplnej właściwej Pojemność cieplna właściwa (cp)Pojemność cieplna jest wielkością fizyczną specyficzną dla materiału, określoną przez ilość ciepła dostarczonego do próbki, podzieloną przez wynikający z tego wzrost temperatury. Pojemność cieplna właściwa jest związana z jednostką masy próbki.cp = 2 kJ kg-1 K-1zgodnie ze specyfikacją producenta.
Poniższe eksperymenty DSC przeprowadzono na urządzeniu NETZSCH 204 F1 DSC wyposażonym w czujnik DSC typu E. Aluminiowe tygle o objętości 25 μl zostały wypełnione PCM i przyspawane na zimno z pokrywkami. Stałe próbki organiczne zostały przycięte tak, aby miały jedną płaską stronę, tak aby zapewnić dobry kontakt między próbką a dnem tygla. Eksperymenty DSC przeprowadzono przy dwóch różnych szybkościach ogrzewania, z β = 0,25 K min-1 i β = 10 K min-1, orazw atmosferze azotu o kontrolowanym przepływie masowym.
Rysunek 3 (a): Pozorne wyniki Pojemność cieplna właściwa (cp)Pojemność cieplna jest wielkością fizyczną specyficzną dla materiału, określoną przez ilość ciepła dostarczonego do próbki, podzieloną przez wynikający z tego wzrost temperatury. Pojemność cieplna właściwa jest związana z jednostką masy próbki.cp(T) z pomiarów DSC z woskiem parafinowym przy β = 0,25 K min-1 i β = 10 K min-1
Rysunek 3 przedstawia wyniki pomiarów DSC organicznego PCM przy dwóch różnych szybkościach ogrzewania. Wyniki dla niskiej szybkości ogrzewania z β = 0,25 K min-1 doprowadziły do ostrego piku, ale także do dużej niepewności w fazie stałej lub ciekłej w odniesieniu do rzeczywistej pojemności cieplnej właściwej, Pojemność cieplna właściwa (cp)Pojemność cieplna jest wielkością fizyczną specyficzną dla materiału, określoną przez ilość ciepła dostarczonego do próbki, podzieloną przez wynikający z tego wzrost temperatury. Pojemność cieplna właściwa jest związana z jednostką masy próbki.cp(T). Szybsze tempo ogrzewania z β = 10 K min-1 wskazuje na rozmazaną reprezentację zakresu topnienia, ale znacznie dokładniejsze wyniki dla rzeczywistej pojemności cieplnej właściwej cp(T) w fazie stałej lub ciekłej.
Na podstawie tych wyników doszliśmy do wniosku, że ocena charakterystycznych temperatur i entalpii przemiany wymaga wielokrotnych pomiarów DSC przy różnych szybkościach ogrzewania, aby uzyskać znaczące wyniki dotyczące temperatury i entalpii przemiany fazowej, a także pojemności cieplnej właściwej, przy jednoczesnym wykluczeniu procesów transportu termicznego w próbce.
Pomiary efektywnego przewodnictwa cieplnego i pojemności cieplnej właściwej ogniw akumulatorowych
Efektywna Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.przewodność cieplna λeff(T)w różnych kierunkach ogniw baterii, jak również ichPojemność cieplna właściwa (cp)Pojemność cieplna jest wielkością fizyczną specyficzną dla materiału, określoną przez ilość ciepła dostarczonego do próbki, podzieloną przez wynikający z tego wzrost temperatury. Pojemność cieplna właściwa jest związana z jednostką masy próbki. pojemność cieplna właściwa cp(T) mają zasadnicze znaczenie dla zrozumienia zachowania termicznego i zarządzania termicznego zestawami baterii.
NETZSCH Poniższe eksperymenty koncentrowały się na wykorzystaniu laserowej lampy błyskowej LFA 427 NETZSCH, DSC 204 F1 Phoenix® 1 i przepływomierza ciepła HFM 446 NETZSCH do oceny tych właściwości. Urządzenia LFA 427 i DSC 204 F1 zostały użyte do określenia dyfuzyjności cieplnej a(T) w kierunku płaszczyzny i cp(T) materiałów anody, katody, separatora i woreczka w rozciętym ogniwie litowo-jonowym. Metoda HFM została zastosowana do oceny cp (T) i λeff(T)ogniwa litowo-jonowego prostopadłego do powierzchni woreczka przy różnym stanie naładowania (SoC).
Rysunek 4: Pomiary LFA (po prawej) i DSC (po lewej) na materiale woreczka w komórce woreczkowej
Rysunek 4 przedstawia wyniki cp(T) i a(T ) dla materiału woreczka badanego ogniwa akumulatorowego. Ta procedura pomiarowa została przeprowadzona dla wszystkich stałych elementów ogniwa akumulatora typu pouch w celu oceny efektywnej przewodności cieplnej w kierunku płaszczyzny w oparciu o dodatkowe obliczenia metodą elementów skończonych.
Rysunek 5: po lewej: Komórki woreczka ułożone w HFM 446; po prawej: Efektywna Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.przewodność cieplna na podstawie pomiarów HFM 446
Rysunek 5 przedstawia konfigurację pomiarową do pomiaru efektywnej przewodności cieplnej w płaszczyźnie przelotowej za pomocą HFM 446 i stosu komórek woreczkowych po lewej stronie, a także otrzymane wyniki po prawej stronie.
Procedura pomiarowa oparta na metodzie pomiarowej HFM 446 z zastosowanym zestawem przedłużającym i stosem komórek woreczkowych wykazała dobrą odtwarzalność dla λeff(T)z λeff= 0.715 W m-1 K-1 przy T = 25°C i rozszerzonej niepewności łącznej U(k=2) = 0,02 W m-1 K-1. Różnice w λeff(T) ze względu na SoC nie mogły zostać uwzględnione w wynikach.
Daneokreślone dla cp(T) i a(T) w kierunku płaszczyzny elementu woreczka zostały przetworzone w modelu elementów skończonych (FE) w celu obliczenia przewodności cieplnej w płaszczyźnie całej komórki woreczka z λeff= 52,54 W m-1 K-1.
Ocenione wyniki pokazują, że HFM jest odpowiednią nieniszczącą metodą analizy efektywnej przewodności cieplnej w kierunku przelotowym dla komórek woreczków. Efektywną przewodność cieplną w kierunku płaszczyzny można określić poprzez rozłożenie komórki na części składowe w celu określenia dyfuzyjności cieplnej w płaszczyźnie, a także pojemności cieplnej właściwej i gęstości. Dane te mogą być przetwarzane w modelu ES w celu oceny efektywnej przewodności cieplnej w płaszczyźnie.
O autorze:
Dr Daniel Lager, MSc pracuje w dziedzinie termofizyki i analizy termicznej od 2007 roku. Od 2019 r. jest kierownikiem powiązanego akredytowanego laboratorium w AIT Austrian Institute of Technology GmbH. W 2017 r. uzyskał tytuł doktora na Politechnice Wiedeńskiej (TU Wien) za rozprawę doktorską na temat charakterystyki termofizycznej materiałów do magazynowania ciepła. Jest autorem i współautorem licznych publikacji.
W 2005 r. uzyskał dyplom z elektroniki na Uniwersytecie Nauk Stosowanych Technikum-Wien, a następnie w 2008 r. tytuł magistra inżynierii biomedycznej.
Równolegle do pracy w AIT jest zewnętrznym wykładowcą na Uniwersytecie Nauk Stosowanych Burgenland. W trakcie swojej kariery zawodowej Daniel Lager zdobył również doświadczenie jako fizyk systemowy w akceleratorze cząstek do terapii jonowej, jako inżynier systemowy systemów transmisji danych w zastosowaniach bezpieczeństwa publicznego, jako programista systemów wykrywania uszkodzeń oraz jako badaczarcjej w dziedzinie wpływu kompatybilności elektromagnetycznej.
Obejrzyj odpowiednie webinarium!
W tym webinarium dr Daniel Lager przedstawia najnowocześniejsze metodologie pomiaru właściwości termofizycznych materiałów magazynujących energię. Koncentrując się na pojemności cieplnej właściwejcp(T), entalpii przejścia fazowegoHt, entalpii reakcji Hr, dyfuzyjności cieplnej a(T), przewodności cieplnej λ(T) i temperaturach charakterystycznych T, wykonuje, porównuje i ocenia różne znormalizowane, ale także nowe techniki pomiarowe w oparciu o dostępne metody pomiarowe. Uwaga!