Povestea de succes a clientului
Cum să determinați proprietățile termofizice ale materialelor de stocare a energiei
Un raport de teren realizat de Dr. Daniel Lager, inginer de cercetare pentru sisteme energetice termice durabile la Centrul pentru Energie, AIT Institutul Austriac de Tehnologie
Institutul Austriac de Tehnologie AIT(https://www.ait.ac.at/) este cea mai mare instituție de cercetare neuniversitară din Austria. Cu cele șapte centre ale sale, AIT se consideră un partener de cercetare și dezvoltare extrem de specializat pentru industrie și se preocupă de subiectele-cheie de infrastructură ale viitorului.
“NETZSCH s-a impus ca un partener de încredere. Calitatea instrumentelor și longevitatea acestora, precum și ușurința de utilizare a software-ului de măsurare Proteus® pentru toate variabilele măsurate constituie aspecte importante ale imaginii. Mai presus de toate, serviciile bune, precum și dialogul bun cu laboratorul de dezvoltare și aplicații de la NETZSCH au rezolvat deja multe situații dificile.”
Despre laboratorul de termofizică de la AIT
Laboratorul de termofizică, în calitate de laborator de testare acreditat (EN ISO/IEC 17025) din cadrul Centrului pentru Energie, oferă măsurători ale caracteristicilor termice ale materialelor, proceselor și produselor, precum și determinări ale proprietăților termofizice și ale parametrilor de tranziție, cu ajutorul infrastructurii sale de laborator specifice și de înaltă calitate și al multor ani de experiență. Proprietățile termofizice analizate includ conductivitatea termică λ(T), difuzivitatea termică a(T), capacitatea termică specifică Capacitate termică specifică (cp)Capacitatea termică este o mărime fizică specifică materialului, determinată de cantitatea de căldură furnizată specimenului, împărțită la creșterea de temperatură rezultată. Capacitatea termică specifică este raportată la o unitate de masă a specimenului.cp(T), dilatarea termică ΔL(T)/L0, coeficientul de dilatare termică Coeficient de dilatare termică liniară (CLTE/CTE)Coeficientul de dilatare termică liniară (CLTE) descrie modificarea în lungime a unui material în funcție de temperatură. CTE α(T) și densitatea ρ (T) într-un interval de temperatură de la -180°C la 1600°C. În plus față de proprietățile termofizice, analiza termică simultană cu spectrometrie în infraroșu și de masă este utilizată pentru a determina temperaturile caracteristice, diferențele de entalpie și modificările de masă, precum și pentru a identifica gazele evoluate.
NETZSCH s-a impus ca un partener de încredere în calitate de producător de echipamente. Calitatea instrumentelor și longevitatea acestora, precum și ușurința de utilizare a software-ului de măsurare pentru toate variabilele măsurate constituie aspecte importante ale imaginii. Mai presus de toate, însă, serviciile bune, precum și dialogul cu laboratorul de dezvoltare și aplicații de la au rezolvat deja multe situații dificile. Proteus® NETZSCH
Cel mai vechi instrument utilizat în prezent la AIT este Laser-Flash LFA 427, care este în funcțiune de peste 20 de ani:
Materiale cu schimbare de fază (PCM) pentru aplicații de stocare a energiei termice
Stocarea sensibilă a energiei termice (STES) este în prezent cea mai comună modalitate de stocare a căldurii prin utilizarea capacității termice a materialului de stocare utilizat care rezultă dintr-o diferență de temperatură predominantă (de exemplu, un rezervor de apă caldă). Tehnologia recentă include stocarea latentă a energiei termice (LTES), care utilizează căldura schimbării de fază a unui material. Principala diferență între utilizarea PCM-urilor și a materialelor STES într-o aplicație de stocare a căldurii este că, în cazul primelor, căldura stocată se află într-un interval îngust de temperatură, iar temperatura de tranziție de fază este constantă. Această caracteristică este utilizată pentru aplicații specifice, de exemplu, în aplicații pentru clădiri. Provocările procedurii de măsurare sunt măsurarea exactă a schimbării de fază sau a temperaturii de tranziție, Tt, a entaliilor reale de tranziție de fază, Δht, și a capacității termice specifice, Capacitate termică specifică (cp)Capacitatea termică este o mărime fizică specifică materialului, determinată de cantitatea de căldură furnizată specimenului, împărțită la creșterea de temperatură rezultată. Capacitatea termică specifică este raportată la o unitate de masă a specimenului.cp(T), a diferitelor faze.
PCM investigat a fost o ceară de parafină disponibilă în comerț cu o Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). temperatură de topire cuprinsă între 69°C și 71°C, o diferență de entalpie Δh = 260 kJ kg-1 de la 62°C la 77°C și o capacitate termică specifică Capacitate termică specifică (cp)Capacitatea termică este o mărime fizică specifică materialului, determinată de cantitatea de căldură furnizată specimenului, împărțită la creșterea de temperatură rezultată. Capacitatea termică specifică este raportată la o unitate de masă a specimenului.cp = 2 kJ kg-1 K-1în conformitate cu specificațiile producătorului.
Următoarele experimente DSC au fost efectuate cu un NETZSCH 204 F1 DSC echipat cu un senzor DSC de tip E. Creuzetele din aluminiu cu un volum de 25 μl au fost umplute cu PCM și sudate la rece cu capace. Probele organice solide au fost tăiate astfel încât să aibă o parte plană, pentru a asigura un contact bun între probă și fundul creuzetului. Experimentele DSC au fost efectuate la două viteze de încălzire diferite, cu β = 0,25 K min-1 și β = 10 K min-1, șicu o atmosferă de azot gazos cu debit masic controlat.
Figura 3 (a): Rezultatele Capacitate termică specifică (cp)Capacitatea termică este o mărime fizică specifică materialului, determinată de cantitatea de căldură furnizată specimenului, împărțită la creșterea de temperatură rezultată. Capacitatea termică specifică este raportată la o unitate de masă a specimenului.cp(T) aparentă din măsurătorile DSC cu o ceară de parafină la β = 0,25 K min-1 și β = 10 K min-1
Figura 3 prezintă rezultatele măsurătorilor DSC asupra PCM organic la două viteze de încălzire diferite. Rezultatele pentru rata scăzută de încălzire cu β = 0,25 K min-1 au condus la un vârf ascuțit, dar și la incertitudini ridicate în faza solidă sau lichidă privind capacitatea termică specifică reală, Capacitate termică specifică (cp)Capacitatea termică este o mărime fizică specifică materialului, determinată de cantitatea de căldură furnizată specimenului, împărțită la creșterea de temperatură rezultată. Capacitatea termică specifică este raportată la o unitate de masă a specimenului.cp(T). Rata de încălzire mai rapidă cu β = 10 K min-1 indică o reprezentare neclară a intervalului de Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire, dar rezultate mult mai precise pentru capacitatea termică specifică reală cp(T) în faza solidă sau lichidă.
Din aceste rezultate, am concluzionat că o evaluare a temperaturilor caracteristice și a entalpiei de transformare necesită măsurători DSC multiple la viteze de încălzire diferite pentru a obține rezultate semnificative privind temperatura și entalpia de tranziție de fază și, de asemenea, privind capacitatea termică specifică, excluzând în același timp procesele de transport termic din cadrul probei.
Măsurarea conductivității termice efective și a capacității termice specifice pe celule de baterii
Conductivitatea termică efectivă λeff(T)în direcții diferite ale celulelor bateriei, precum și capacitatea termică specifică cp(T) a acestora sunt de o importanță esențială pentru înțelegerea comportamentului termic și a gestionării termice a pachetelor de baterii.
Următoarele experimente s-au axat pe utilizarea NETZSCH Laser Flash LFA 427, NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix® și NETZSCH Heat Flow Meter HFM 446 pentru evaluarea acestor proprietăți. LFA 427 și DSC 204 F1 au fost utilizate pentru a determina difuzivitatea termică a(T) în direcția în plan și cp(T) a anodului, catodului, separatorului și materialelor din punga unei celule litiu-ion disecate. Metoda HFM a fost aplicată pentru a evalua cp(T) și λeff(T)ale unei celule litiu-ion în pungă perpendicular pe suprafața pungii la o stare de încărcare (SoC) diferită.
Figura 4: Măsurători LFA (dreapta) și DSC (stânga) pe materialul de pungă al unei celule de pungă
Figura 4 reprezintă rezultatele cp(T) și a(T) pentru materialul din pungă al celulei de baterie în pungă investigate. Această procedură de măsurare a fost efectuată cu toate componentele solide ale celulei de baterie de tip pouch pentru a evalua conductivitatea termică efectivă în direcția planului interior pe baza calculelor suplimentare cu elemente finite.
Figura 5: stânga: Celule de pungă stivuite în HFM 446; dreapta: Conductivitatea termică efectivă bazată pe măsurătorile HFM 446
Figura 5 prezintă configurația de măsurare pentru măsurarea conductivității termice efective prin plan cu HFM 446 și stiva de celule-pungă în partea stângă, precum și rezultatele primite în partea dreaptă.
Procedura de măsurare bazată pe metoda de măsurare HFM 446 cu setul de extensie aplicat și stiva de celule de tip pouch a arătat o reproductibilitate bună pentru λeff(T)cu λeff = 0.715 W m-1 K-1 la T = 25°C și o incertitudine combinată extinsă de U(k=2) = 0,02 W m-1 K-1. Diferențele în λeff(T) datorate SoC nu au putut fi rezolvate în rezultate.
Datele determinate depentru cp(T) și a(T) în direcția în plan a componentei pungii au fost prelucrate într-un model cu elemente finite (FE) pentru a calcula conductivitatea termică în plan a întregii celule a pungii cu λeff = 52,54 W m-1 K-1.
Rezultatele evaluate arată că HFM este o metodă nedistructivă adecvată pentru analizarea conductivității termice efective în direcția prin plan pentru celulele de tip pouch. Conductivitatea termică efectivă în direcția în plan poate fi determinată prin disecarea celulei în componentele sale pentru a determina difuzivitatea termică în plan, precum și capacitatea termică specifică și densitatea. Aceste date pot fi prelucrate într-un model FE pentru a evalua conductivitatea termică efectivă în plan.
Despre autor:
Dr. Daniel Lager, MSc lucrează în domeniul termofizicii și analizei termice din 2007. Din 2019 este șeful laboratorului acreditat asociat la AIT Austrian Institute of Technology GmbH. În 2017, a primit titlul de doctor de la Universitatea de Tehnologie din Viena (TU Wien) pentru teza sa privind caracterizarea termofizică a materialelor de stocare a căldurii. Este autorul și coautorul a numeroase publicații.
În 2005, a obținut o diplomă în electronică de la Universitatea de Științe Aplicate Technikum-Wien, urmată de un masterat în științe inginerești biomedicale în 2008.
În paralel cu activitatea sa la AIT, este lector extern la Universitatea de Științe Aplicate Burgenland. Pe parcursul carierei sale profesionale, Daniel Lager a putut, de asemenea, să acumuleze experiență ca fizician de sistem pentru un accelerator de particule pentru terapie Ionică, ca inginer de sistem pentru sisteme de transmisie de date în aplicații de siguranță publică, ca dezvoltator de software pentru sisteme de detectare a daunelor și ca cercetător în domeniul efectului compatibilității electromagnetice.
Urmăriți webinarul corespunzător!
În cadrul acestui webinar, Dr. Daniel Lager prezintă cele mai moderne metodologii de măsurare a proprietăților termofizice ale materialelor de stocare a energiei. Concentrându-se pe capacitatea termică specificăcp(T), entalpia de tranziție de fazăHt, entalpia de reacție Hr, difuzivitatea termică a(T), conductivitatea termică λ(T) și temperaturile caracteristice T, el efectuează, compară și evaluează diverse tehnici de măsurare standardizate, dar și noi, pe baza metodelor de măsurare disponibile. Fiți atenți acum!