История успеха клиента
Как определить теплофизические свойства материалов для хранения энергии
arcПолевой отчет д-ра Даниэля Лагера, инженера по устойчивым тепловым энергетическим системам в Центре энергетики Австрийского технологического института AIT
Австрийский технологический институт AIT(https://www.ait.ac.at/) является самым крупным largeнеуниверситетским исследовательскимarch учреждением Австрии.arcБлагодаря своим семи центрам AIT рассматривает себя как высокоспециализированного партнера по исследованиям и разработкам для промышленности и занимается ключевыми инфраструктурными темами будущего.
„NETZSCH зарекомендовала себя как надежный партнер. Качество приборов и их долговечность, а также удобство использования измерительного программного обеспечения Proteus® для всех измеряемых величин составляют важные аспекты картины. Прежде всего, хороший сервис, а также хороший диалог с лабораторией разработки и применения на сайте NETZSCH уже позволили решить множество сложных ситуаций.“
О лаборатории теплофизики в AIT
Лаборатория теплофизики как аккредитованная испытательная лаборатория (EN ISO/IEC 17025) в Центре энергетики предлагает измерения тепловых характеристик материалов, процессов и продуктов, а также определение теплофизических свойств и параметров перехода с помощью высококачественной и специфической лабораторной инфраструктуры и многолетнего опыта. Анализируемые теплофизические свойства включают теплопроводность λ (T), температуропроводность a(T), удельную теплоемкость Удельная теплоемкость (cp)Теплоемкость - это специфическая для каждого материала физическая величина, определяемая количеством тепла, подведенного к образцу, деленным на полученное повышение температуры. Удельная теплоемкость относится к единице массы образца.cp(T), тепловое расширение ΔL(T)/L0, коэффициент теплового расширения CTE α (T) и плотность ρ (T) в диапазоне температур от -180°C до 1600°C. В дополнение к теплофизическим свойствам используется одновременный термический анализ с инфракрасной и масс-спектрометрией для определения характерных температур, разности энтальпий и изменения массы, а также для идентификации выделившихся газов.
NETZSCH зарекомендовала себя как надежный партнер в качестве производителя оборудования. Качество приборов и их долговечность, а также удобство использования измерительного программного обеспечения для всех измеряемых величин составляют важные аспекты картины. Однако, прежде всего, хороший сервис, а также хороший диалог с лабораторией разработки и применения на сайте уже разрешили многие сложные ситуации. Proteus® NETZSCH
Самым старым прибором, используемым в настоящее время в AIT, является Laser-Flash LFA 427, который работает уже более 20 лет:
Материалы с фазовыми изменениями (PCM) для хранения тепловой энергии
В настоящее время наиболее распространенным способом аккумулирования тепловой энергии (STES) является использование теплоемкости используемого материала накопителя, возникающей в результате преобладающей разницы температур (например, бак с горячей водой). Новейшая технология включает в себя скрытое хранение тепловой энергии (LTES), которое использует тепло фазового изменения материала. Основное различие между использованием ПКМ и материалов STES для хранения тепла заключается в том, что в первом случае аккумулируемое тепло находится в узком диапазоне температур, а температура фазового перехода постоянна. Эта характеристика используется для конкретных применений, например, в строительстве. Сложности в процедуре измерения заключаются в точном измерении температуры фазового перехода, Tt, фактической энтальпии фазового перехода, Δht, и удельной теплоемкости, Удельная теплоемкость (cp)Теплоемкость - это специфическая для каждого материала физическая величина, определяемая количеством тепла, подведенного к образцу, деленным на полученное повышение температуры. Удельная теплоемкость относится к единице массы образца.cp(T), различных фаз.
В качестве исследуемого ПКМ использовался коммерчески доступный парафин с температурой плавления от 69°C до 71°C, разностью энтальпий Δh = 260 кДж кг-1 от 62°C до 77°C и удельной теплоемкостью Удельная теплоемкость (cp)Теплоемкость - это специфическая для каждого материала физическая величина, определяемая количеством тепла, подведенного к образцу, деленным на полученное повышение температуры. Удельная теплоемкость относится к единице массы образца.cp = 2 кДж кг-1 K-1в соответствии со спецификацией производителя.
Следующие эксперименты по ДСК проводились на ДСК NETZSCH 204 F1 , оснащенном датчиком ДСК типа Е. Алюминиевые тигли объемом 25 мкл заполняли ПКМ и закрывали крышками. Твердые органические образцы вырезали с одной плоской стороны, чтобы обеспечить хороший контакт между образцом и дном тигля. Эксперименты ДСК проводились при двух различных скоростях нагрева, β = 0,25 К мин-1 и β = 10 К мин-1, ив газовой атмосфере азота с регулируемым массовым расходом.
Рисунок 3 (а): Результаты измерений кажущегося Удельная теплоемкость (cp)Теплоемкость - это специфическая для каждого материала физическая величина, определяемая количеством тепла, подведенного к образцу, деленным на полученное повышение температуры. Удельная теплоемкость относится к единице массы образца.cp(T) при ДСК с парафином при β = 0,25 K мин-1 и β = 10 K мин-1
На рисунке 3 представлены результаты измерений ДСК органического ПКМ при двух различных скоростях нагрева. Результаты для низкой скорости нагрева с β = 0,25 K мин-1 привели к резкому пику, но также к большой неопределенности в твердой или жидкой фазе относительно фактической удельной теплоемкости, Удельная теплоемкость (cp)Теплоемкость - это специфическая для каждого материала физическая величина, определяемая количеством тепла, подведенного к образцу, деленным на полученное повышение температуры. Удельная теплоемкость относится к единице массы образца.cp(T). Более быстрая скорость нагрева с β = 10 K мин-1 показывает размытое представление диапазона плавления, но гораздо более точные результаты для фактической удельной теплоемкости cp(T) в твердой или жидкой фазе.
На основании этих результатов мы пришли к выводу, что для оценки характерных температур и энтальпий превращения необходимо провести несколько измерений ДСК при различных скоростях нагрева, чтобы получить значимые результаты по температуре и энтальпии фазового перехода, а также по удельной теплоемкости, исключая при этом процессы теплопереноса внутри образца.
Измерения эффективной теплопроводности и удельной теплоемкости аккумуляторных элементов
Эффективная теплопроводность λeff(T)в различных направлениях элементов батареи, а также их удельная теплоемкость cp(T) имеют существенное значение для понимания теплового поведения и терморегулирования батарейных блоков.
NETZSCH NETZSCH NETZSCH В следующих экспериментах для оценки этих свойств использовались лазерная вспышка LFA 427, прибор DSC 204 F1 Phoenix® и измеритель теплового потока HFM 446. Приборы LFA 427 и DSC 204 F1 использовались для определения теплопроводности a(T) в плоскостном направлении и cp(T) материалов анода, катода, сепаратора и чехла препарированного литий-ионного чехла. Метод HFM был применен для оценки cp(T) и λeff(T)литий-ионного мешочного элемента в направлении, перпендикулярном поверхности мешочка, при различных состояниях заряда (SoC).
Рисунок 4: Измерения LFA (справа) и DSC (слева) на материале ячейки пакета
На рисунке 4 представлены результаты измерений cp(T) и a(T) для материала чехла исследуемого ячейки pouch-батареи. Эта процедура измерения была проведена со всеми твердыми компонентами ячейки для батарей pouch, чтобы оценить эффективную теплопроводность в направлении в плоскости на основе дополнительных расчетов методом конечных элементов.
Рисунок 5: слева: Ячейки пакета, сложенные в HFM 446; справа: Эффективная теплопроводность на основе измерений HFM 446
На рисунке 5 показана измерительная установка для измерения эффективной теплопроводности в сквозной плоскости с помощью HFM 446 и стопки ячеек-пакетов слева, а также полученные результаты справа.
Процедура измерения, основанная на методе измерения HFM 446 с примененным набором удлинителей и штабелем ячеек-пакетов, показала хорошую воспроизводимость для λeff(T)с λeff= 0.715 Вт м-1 K-1 при T = 25°C и расширенной комбинированной неопределенностью U(k=2) = 0,02 Вт м-1 K-1. Различия в λeff(T), обусловленные SoC, не удалось устранить в результатах.
Данные, полученные на сайтедля cp(T) и a(T) в направлении плоскости компонента чехла, были обработаны в модели конечных элементов (FE) для расчета теплопроводности всей ячейки чехла в плоскости с λeff= 52,54 Вт м-1 К-1.
Полученные результаты показывают, что HFM является подходящим неразрушающим методом для анализа эффективной теплопроводности в направлении сквозной плоскости для ячеек чехла. Эффективную теплопроводность в плоскостном направлении можно определить, расчленив ячейку на составляющие, чтобы определить теплопроводность в плоскости, а также удельную теплоемкость и плотность. Эти данные могут быть обработаны в FE-модели для оценки эффективной теплопроводности в плоскости.
Об авторе:
Доктор Даниэль Лагер, магистр наук, работает в области теплофизики и термического анализа с 2007 года. С 2019 года он является руководителем аккредитованной лаборатории AIT Австрийского технологического института ГмбХ. В 2017 году получил степень доктора философии Венского технологического университета (TU Wien) за диссертацию, посвященную теплофизическим характеристикам теплоаккумулирующих материалов. Является автором и соавтором многочисленных публикаций.
В 2005 году он получил диплом в области электроники в Университете прикладных наук Техникум-Вена, а в 2008 году - степень магистра в области биомедицинских инженерных наук.
Параллельно с работой в AIT он является внешним преподавателем в Университете прикладных наук Бургенланда. В ходе своей профессиональной карьеры Даниэль Лагер также успел получить опыт работы системным физиком для ускорителя частиц для ионной терапии, системным инженером для систем передачи данных в области общественной безопасности, разработчиком программного обеспечения для систем обнаружения повреждений и исследователемarcв области влияния электромагнитной совместимости.
Смотрите соответствующий вебинар!
На этом вебинаре доктор Даниэль Лагер представляет современные методики измерения теплофизических свойств материалов для хранения энергии. Сосредоточив внимание на удельной теплоемкостиcp(T), энтальпии фазового переходаHt, энтальпии реакции Hr, теплопроводности a(T), теплопроводности λ(T) и характеристических температурах T, он выполняет, сравнивает и оценивает различные стандартизированные, а также новые методики измерений на основе имеющихся методов измерения. Осторожно!