História de sucesso do cliente
Como determinar as propriedades termofísicas dos materiais de armazenamento de energia
arcUm relatório de campo do Dr. Daniel Lager, engenheiro de pesquisa de sistemas de energia térmica sustentável do Center for Energy, AIT Austrian Institute of Technology
O AIT Austrian Institute of Technology(https://www.ait.ac.at/) é a principal instituição de pesquisa não universitária da Áustria largearc h.arcCom seus sete centros, o AIT se considera um parceiro de pesquisa e desenvolvimento altamente especializado para o setor e se preocupa com os principais tópicos de infraestrutura do futuro.
„NETZSCH estabeleceu-se como um parceiro confiável. A qualidade dos instrumentos e sua longevidade, bem como a facilidade de uso do software de medição Proteus® em todas as variáveis medidas, constituem aspectos importantes da imagem. Acima de tudo, o bom atendimento e o bom diálogo com o laboratório de desenvolvimento e aplicação em NETZSCH já resolveram muitas situações complicadas.“
Sobre o laboratório de termofísica do AIT
O laboratório de termofísica, como um laboratório de testes credenciado (EN ISO/IEC 17025) no Centro de Energia, oferece medições de características térmicas de materiais, processos e produtos, bem como determinações de propriedades termofísicas e parâmetros de transição com sua infraestrutura laboratorial específica e de alta qualidade e muitos anos de experiência. As propriedades termofísicas analisadas incluem Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica λ (T), Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica a(T), capacidade de calor específica Capacidade térmica específica (cp)A capacidade térmica é uma quantidade física específica do material, determinada pela quantidade de calor fornecida à amostra, dividida pelo aumento de temperatura resultante. A capacidade de calor específica está relacionada a uma unidade de massa do corpo de prova.cp(T), expansão térmica ΔL(T)/L0, coeficiente de expansão térmicaCoeficiente de Expansão Térmica Linear (CLTE/CTE)O coeficiente de expansão térmica linear (CLTE) descreve a mudança de comprimento de um material como uma função da temperatura. CTE α (T) e DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade ρ (T) em uma faixa de temperatura de -180°C a 1600°C. Além das propriedades termofísicas, a análise térmica simultânea com infravermelho e espectrometria de massa é usada para determinar as temperaturas características, as diferenças de entalpia e as alterações de massa, bem como para identificar os gases evoluídos.
NETZSCH estabeleceu-se como um parceiro confiável como fabricante de equipamentos. A qualidade dos instrumentos e sua longevidade, bem como a facilidade de uso do software de medição em todas as variáveis medidas, constituem aspectos importantes da imagem. Acima de tudo, porém, o bom atendimento e o bom diálogo com o laboratório de desenvolvimento e aplicação em já resolveram muitas situações complicadas. Proteus® NETZSCH
O instrumento mais antigo atualmente em uso na AIT é o Laser-Flash LFA 427, que está em operação há mais de 20 anos:
Materiais de mudança de fase (PCMs) para aplicações de armazenamento de energia térmica
O armazenamento de energia térmica sensível (STES) é atualmente a maneira mais comum de armazenar calor usando a capacidade de calor do material de armazenamento utilizado que resulta de uma diferença de temperatura predominante (por exemplo, tanque de água quente). Uma tecnologia recente inclui o armazenamento de energia térmica latente (LTES), que usa o calor de uma mudança de fase de um material. A principal diferença entre o uso de PCMs e de materiais STES em uma aplicação de armazenamento de calor é que, no primeiro caso, o calor armazenado está em uma faixa estreita de temperatura e a temperatura de Transições de faseO termo transição de fase (ou mudança de fase) é mais comumente usado para descrever transições entre os estados sólido, líquido e gasoso.transição de fase é constante. Essa característica é usada para aplicações específicas, por exemplo, em aplicações de construção. Os desafios no procedimento de medição são a medição precisa da mudança de fase ou da temperatura de transição, Tt, as entalpias reais de Transições de faseO termo transição de fase (ou mudança de fase) é mais comumente usado para descrever transições entre os estados sólido, líquido e gasoso.transição de fase, Δht, e a capacidade térmica específica, Capacidade térmica específica (cp)A capacidade térmica é uma quantidade física específica do material, determinada pela quantidade de calor fornecida à amostra, dividida pelo aumento de temperatura resultante. A capacidade de calor específica está relacionada a uma unidade de massa do corpo de prova.cp(T), das diferentes fases.
O PCM investigado foi uma cera de parafina disponível comercialmente com uma faixa deTemperaturas e entalpias de fusãoA entalpia de fusão de uma substância, também conhecida como calor latente, é uma medida da entrada de energia, normalmente calor, necessária para converter uma substância do estado sólido para o líquido. O ponto de fusão de uma substância é a temperatura na qual ela muda de estado, passando do sólido (cristalino) para o líquido (fusão isotrópica). temperatura de fusão de 69°C a 71°C, uma diferença de entalpia de Δh = 260 kJ kg-1 de 62°C a 77°C e uma capacidade térmica específica de Capacidade térmica específica (cp)A capacidade térmica é uma quantidade física específica do material, determinada pela quantidade de calor fornecida à amostra, dividida pelo aumento de temperatura resultante. A capacidade de calor específica está relacionada a uma unidade de massa do corpo de prova.cp = 2 kJ kg-1 K-1de acordo com a especificação do fabricante.
Os seguintes experimentos de DSC foram realizados com um DSC NETZSCH 204 F1 equipado com um sensor DSC tipo E. Cadinhos de alumínio com um volume de 25 μl foram preenchidos com o PCM e soldados a frio com tampas. As amostras orgânicas sólidas foram cortadas para ter um lado plano, de modo a garantir um bom contato entre a amostra e o fundo do cadinho. Os experimentos de DSC foram realizados em duas taxas de aquecimento diferentes, com β = 0,25 K min-1 e β = 10 K min-1, ecom uma atmosfera de gás nitrogênio controlada por fluxo de massa.
Figura 3 (a): Resultados de Capacidade térmica específica (cp)A capacidade térmica é uma quantidade física específica do material, determinada pela quantidade de calor fornecida à amostra, dividida pelo aumento de temperatura resultante. A capacidade de calor específica está relacionada a uma unidade de massa do corpo de prova.cp(T) aparente das medições de DSC com uma cera de parafina a β = 0,25 K min-1 e β = 10 K min-1
A Figura 3 mostra os resultados das medições de DSC no PCM orgânico em duas taxas de aquecimento diferentes. Os resultados da baixa taxa de aquecimento com β = 0,25 K min-1 levaram a um pico acentuado, mas também a grandes incertezas na fase sólida ou líquida em relação à capacidade de calor específica real, Capacidade térmica específica (cp)A capacidade térmica é uma quantidade física específica do material, determinada pela quantidade de calor fornecida à amostra, dividida pelo aumento de temperatura resultante. A capacidade de calor específica está relacionada a uma unidade de massa do corpo de prova.cp(T). A taxa de aquecimento mais rápida com β = 10 K min-1 indica uma representação manchada da faixa deTemperaturas e entalpias de fusãoA entalpia de fusão de uma substância, também conhecida como calor latente, é uma medida da entrada de energia, normalmente calor, necessária para converter uma substância do estado sólido para o líquido. O ponto de fusão de uma substância é a temperatura na qual ela muda de estado, passando do sólido (cristalino) para o líquido (fusão isotrópica). fusão, mas resultados muito mais precisos para a capacidade de calor específica real cp(T) na fase sólida ou líquida.
A partir desses resultados, concluímos que uma avaliação das temperaturas características e das entalpias de transformação requer várias medições de DSC em diferentes taxas de aquecimento para obter resultados significativos com relação à temperatura e à entalpia de Transições de faseO termo transição de fase (ou mudança de fase) é mais comumente usado para descrever transições entre os estados sólido, líquido e gasoso.transição de fase e também com relação à capacidade térmica específica, excluindo os processos de transporte térmico dentro da amostra.
Medições de Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica efetiva e capacidade térmica específica em células de bateria
A Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica efetiva λeff(T)em diferentes direções das células da bateria, bem como sua capacidade de calor específica cp(T), são de importância essencial para compreender o comportamento térmico e o gerenciamento térmico das baterias.
Os experimentos a seguir se concentraram no uso do Laser Flash LFA 427 NETZSCH, do DSC 204 F1 Phoenix® NETZSCH e do medidor de fluxo de calor HFM 446 NETZSCH para avaliar essas propriedades. O LFA 427 e o DSC 204 F1 foram usados para determinar a Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica a(T) na direção do plano interno e o cp(T) dos materiais do ânodo, do cátodo, do separador e da bolsa de uma célula de bolsa de íons de lítio dissecada. O método HFM foi aplicado para avaliar cp(T) e λeff(T)de uma célula de bolsa de íons de lítio perpendicular à superfície da bolsa em um estado de carga (SoC) diferente.
Figura 4: Medições de LFA (direita) e DSC (esquerda) no material da bolsa de uma célula de bolsa
A Figura 4 representa os resultados de cp(T) e a(T) para o material da bolsa da célula de bateria em bolsa investigada. Esse procedimento de medição foi realizado com todos os componentes sólidos da célula de bateria tipo bolsa para avaliar a Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica efetiva na direção do plano com base em cálculos adicionais de elementos finitos.
Figura 5: esquerda: Células da bolsa empilhadas no HFM 446; direita: Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.Condutividade térmica efetiva com base nas medições do HFM 446
A Figura 5 mostra a configuração da medição da Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica efetiva através do plano com o HFM 446 e a pilha de células de bolsa no lado esquerdo, bem como os resultados recebidos no lado direito.
O procedimento de medição baseado no método de medição do HFM 446 com o conjunto de extensão aplicado e a pilha de células de bolsa mostrou boa reprodutibilidade para λeff(T)com λeff= 0.715 W m-1 K-1 a T = 25°C e uma incerteza combinada expandida de U(k=2) = 0,02 W m-1 K-1. As diferenças em λeff(T) devido ao SoC não puderam ser resolvidas nos resultados.
Os dados determinados no sitepara cp(T) e a(T) na direção no plano do componente da bolsa foram processados em um modelo de elementos finitos (FE) para calcular a Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica no plano de toda a célula da bolsa com λeff= 52,54 W m-1 K-1.
Os resultados avaliados mostram que o HFM é um método adequado e não destrutivo para analisar a Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica efetiva na direção do plano de passagem das células da bolsa. A Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica efetiva na direção no plano pode ser determinada dissecando a célula em seus componentes para determinar a Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica no plano, bem como a capacidade de calor e a DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade específicas. Esses dados podem ser processados em um modelo FE para avaliar a Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica efetiva no plano.
Sobre o autor:
O Dr. Daniel Lager, MSc, trabalha na área de Termofísica e Análise Térmica desde 2007. Ele é chefe do laboratório credenciado associado no AIT Austrian Institute of Technology GmbH desde 2019. Em 2017, recebeu o título de PhD da Universidade de Tecnologia de Viena (TU Wien) por sua dissertação sobre a caracterização termofísica de materiais de armazenamento de calor. Ele é autor e coautor de várias publicações.
Em 2005, obteve um diploma em eletrônica pela Universidade de Ciências Aplicadas Technikum-Wien, seguido de um mestrado em ciências da engenharia biomédica em 2008.
Paralelamente ao seu trabalho na AIT, ele é professor externo na Universidade de Ciências Aplicadas de Burgenland.arcNo decorrer de sua carreira profissional, Daniel Lager também adquiriu experiência como físico de sistemas para um acelerador de partículas para terapia de íons, como engenheiro de sistemas para sistemas de transmissão de dados em aplicações de segurança pública, como desenvolvedor de software para sistemas de detecção de danos e como pesquisador no campo do efeito da compatibilidade eletromagnética.
Assista ao webinar correspondente!
Neste webinar, o Dr. Daniel Lager apresenta metodologias de medição de última geração para propriedades termofísicas de materiais de armazenamento de energia. Com foco na capacidade de calor específicacp(T), entalpia de transição de faseHt, entalpia de reação Hr, Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica a(T), Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica λ(T) e temperaturas características T, ele realiza, compara e avalia várias técnicas de medição padronizadas, mas também novas, com base nos métodos de medição disponíveis. Fique atento agora!