Müşteri BAŞARI HİKAYESİ
Enerji Depolama Malzemelerinin Termofiziksel Özellikleri Nasıl Belirlenir?
arcAIT Avusturya Teknoloji Enstitüsü Enerji Merkezi Sürdürülebilir Termal Enerji Sistemleri Mühendisi Dr. Daniel Lager tarafından hazırlanan bir saha raporu
AIT Avusturya Teknoloji Enstitüsü(https://www.ait.ac.at/) Avusturya'nın largeüniversite dışı en büyük araştırmaarch kurumudur. Yedi merkeziyle AIT, kendisini son derece uzmanlaşmış bir araştırmaarch ve endüstri için geliştirme ortağı olarak görmekte ve geleceğin kilit altyapı konularıyla ilgilenmektedir.
„NETZSCH güvenilir bir ortak olarak kendini kanıtlamıştır. Cihazların kalitesi ve uzun ömürlülüğünün yanı sıra ölçüm yazılımının kullanılabilirliği Proteus® ölçülen tüm değişkenlerde resmin önemli yönlerini oluşturmaktadır. Hepsinden önemlisi, iyi hizmetin yanı sıra NETZSCH adresindeki geliştirme ve uygulama laboratuvarı ile iyi diyalog birçok zorlu durumu çözmüştür.“
AIT'deki Termofizik laboratuvarı hakkında
Enerji Merkezi bünyesinde akredite bir test laboratuvarı (EN ISO/IEC 17025) olarak faaliyet gösteren termofizik laboratuvarı, yüksek kaliteli ve spesifik laboratuvar altyapısı ve uzun yıllara dayanan tecrübesi ile malzeme, proses ve ürünlerin termal karakteristiklerinin ölçümlerinin yanı sıra termofiziksel özelliklerin ve geçiş parametrelerinin belirlenmesini sağlamaktadır. Analiz edilen termofiziksel özellikler arasında -180°C ile 1600°C sıcaklık aralığında Termal İletkenlikTermal iletkenlik (W/(m-K) birimiyle λ), sıcaklık gradyanının bir sonucu olarak enerjinin - ısı şeklinde - kütleli bir cisim boyunca taşınmasını tanımlar (bkz. Şekil 1). Termodinamiğin ikinci yasasına göre, ısı her zaman düşük sıcaklık yönünde akar.termal iletkenlik λ (T), Termal DifüziviteTermal difüzivite (mm2/s birimiyle a), kararsız ısı iletimini karakterize etmek için malzemeye özgü bir özelliktir. Bu değer, bir malzemenin sıcaklıktaki bir değişikliğe ne kadar hızlı tepki verdiğini açıklar.termal difüzivite a(T), özgül ısı kapasitesi Özgül Isı Kapasitesi (cp)Isı kapasitesi, numuneye verilen ısı miktarının ortaya çıkan sıcaklık artışına bölünmesiyle belirlenen, malzemeye özgü fiziksel bir niceliktir. Özgül ısı kapasitesi, numunenin birim kütlesiyle ilişkilidir.cp(T), termal genleşme ΔL(T)/L0, termal genleşme katsayısı Doğrusal Termal Genleşme Katsayısı (CLTE/CTE)Doğrusal termal genleşme katsayısı (CLTE), sıcaklığın bir fonksiyonu olarak bir malzemenin uzunluk değişimini tanımlar.CTE α( T) ve YoğunlukKütle yoğunluğu, kütle ve hacim arasındaki oran olarak tanımlanır. yoğunluk ρ ( T) yer alıyor. Termofiziksel özelliklere ek olarak, kızılötesi ve kütle spektrometresi ile eşzamanlı termal analiz, karakteristik sıcaklıkları, entalpi farklılıklarını ve kütle değişikliklerini belirlemek ve ayrıca evrimleşmiş gazları tanımlamak için kullanılır.
NETZSCH ekipman üreticisi olarak güvenilir bir ortak olarak kendini kanıtlamıştır. Cihazların kalitesi ve uzun ömürlülüğünün yanı sıra ölçüm yazılımının kullanılabilirliği ölçülen tüm değişkenlerde resmin önemli yönlerini oluşturmaktadır. Ancak her şeyden önce, iyi hizmet ve adresindeki geliştirme ve uygulama laboratuvarı ile iyi diyalog birçok zorlu durumu çözmüştür. Proteus® NETZSCH
Şu anda AIT'de kullanılmakta olan en eski cihaz, 20 yılı aşkın süredir faaliyette olan Laser-Flash LFA 427'dir:
Termal Enerji Depolama Uygulamaları için Faz Değişim Malzemeleri (PCM'ler)
Hissedilebilir termal enerji depolama (STES) şu anda, kullanılan depolama malzemesinin mevcut sıcaklık farkından kaynaklanan ısı kapasitesini kullanarak ısı depolamanın en yaygın yoludur (örn. sıcak su deposu). Son teknoloji, bir malzemenin faz değişiminin ısısını kullanan gizli termal enerji depolamayı (LTES) içerir. Bir ısı depolama uygulamasında PCM'ler ile STES malzemelerinin kullanımı arasındaki temel fark, ilkinde depolanan ısının dar bir sıcaklık aralığında yer alması ve faz geçiş sıcaklığının sabit olmasıdır. Bu özellik, örneğin bina uygulamaları gibi belirli uygulamalar için kullanılır. Ölçüm prosedüründeki zorluklar, faz değişiminin veya geçiş sıcaklığının, Tt, gerçek faz geçiş entalpilerinin, Δht ve farklı fazların özgül ısı kapasitesinin, Özgül Isı Kapasitesi (cp)Isı kapasitesi, numuneye verilen ısı miktarının ortaya çıkan sıcaklık artışına bölünmesiyle belirlenen, malzemeye özgü fiziksel bir niceliktir. Özgül ısı kapasitesi, numunenin birim kütlesiyle ilişkilidir.cp(T), doğru ölçülmesidir.
İncelenen PCM, 69°C ila 71°CErime Sıcaklıkları ve EntalpileriGizli ısı olarak da bilinen bir maddenin füzyon entalpisi, bir maddeyi katı halden sıvı hale dönüştürmek için gerekli olan enerji girdisinin, tipik olarak ısının bir ölçüsüdür. Bir maddenin erime noktası, katı (kristal) halden sıvı (izotropik eriyik) hale geçtiği sıcaklıktır. erime sıcaklığı aralığına, 62°C ila 77°C arasında Δh = 260 kJ kg-1 entalpi farkına ve üretici spesifikasyonuna göre Özgül Isı Kapasitesi (cp)Isı kapasitesi, numuneye verilen ısı miktarının ortaya çıkan sıcaklık artışına bölünmesiyle belirlenen, malzemeye özgü fiziksel bir niceliktir. Özgül ısı kapasitesi, numunenin birim kütlesiyle ilişkilidir.cp = 2 kJ kg-1 K-1özgül ısı kapasitesine sahip ticari olarak temin edilebilen bir parafin mumudur.
Aşağıdaki DSC deneyleri, E tipi DSC sensörü ile donatılmış bir NETZSCH 204 F1 DSC ile gerçekleştirilmiştir. Hacmi 25 μl olan alüminyum krozeler PCM ile doldurulmuş ve kapaklarla soğuk kaynak yapılmıştır. Katı organik numuneler, numune ile kroze tabanı arasında iyi bir temas sağlamak için bir tarafı düz olacak şekilde kesilmiştir. DSC deneyleri, β = 0,25 K min-1 ve β = 10 K min-1 olmak üzere iki farklı ısıtma hızında vekütle akış kontrollü azot gazı atmosferinde gerçekleştirilmiştir.
Şekil 3 (a): Β = 0,25 K min-1 ve β = 10 K min-1 değerlerinde parafin mumu ile yapılan DSC ölçümlerinden elde edilen görünür Özgül Isı Kapasitesi (cp)Isı kapasitesi, numuneye verilen ısı miktarının ortaya çıkan sıcaklık artışına bölünmesiyle belirlenen, malzemeye özgü fiziksel bir niceliktir. Özgül ısı kapasitesi, numunenin birim kütlesiyle ilişkilidir.cp(T) sonuçları
Şekil 3, iki farklı ısıtma hızında organik PCM üzerinde yapılan DSC ölçümlerinin sonuçlarını göstermektedir. Β = 0,25 K min-1 ile düşük ısıtma hızının sonuçları keskin bir tepe noktasına yol açmış, ancak aynı zamanda katı veya sıvı fazda gerçek özgül ısı kapasitesi, Özgül Isı Kapasitesi (cp)Isı kapasitesi, numuneye verilen ısı miktarının ortaya çıkan sıcaklık artışına bölünmesiyle belirlenen, malzemeye özgü fiziksel bir niceliktir. Özgül ısı kapasitesi, numunenin birim kütlesiyle ilişkilidir.cp(T) ile ilgili yüksek belirsizliklere neden olmuştur. Β = 10 K min-1 ile daha hızlı ısıtma hızı, erime aralığının dağınık bir temsilini, ancak katı veya sıvı fazdaki gerçek özgül ısı kapasitesi cp(T) için çok daha doğru sonuçları gösterir.
Bu sonuçlardan, karakteristik sıcaklıkların ve dönüşüm entalpilerinin değerlendirilmesinin, numune içindeki termal taşıma süreçlerini hariç tutarken, faz geçiş sıcaklığı ve entalpisi ve ayrıca özgül ısı kapasitesi ile ilgili anlamlı sonuçlar elde etmek için farklı ısıtma hızlarında çoklu DSC ölçümleri gerektirdiği sonucuna vardık.
Pil Hücrelerinde Etkin Termal İletkenlikTermal iletkenlik (W/(m-K) birimiyle λ), sıcaklık gradyanının bir sonucu olarak enerjinin - ısı şeklinde - kütleli bir cisim boyunca taşınmasını tanımlar (bkz. Şekil 1). Termodinamiğin ikinci yasasına göre, ısı her zaman düşük sıcaklık yönünde akar.Termal İletkenlik ve Özgül Isı Kapasitesi Ölçümleri
Batarya hücrelerinin farklı yönlerdeki etkin termal iletkenliği λeff(T)ve özgül ısı kapasitesi cp(T), batarya paketlerinin termal davranışını ve termal yönetimini anlamak için büyük önem taşımaktadır.
Aşağıdaki deneyler, bu özellikleri değerlendirmek için NETZSCH Lazer Flaş LFA 427, NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix® ve NETZSCH Isı Akış Ölçer HFM 446 kullanımına odaklanmıştır. LFA 427 ve DSC 204 F1 düzlem içi yönde Termal DifüziviteTermal difüzivite (mm2/s birimiyle a), kararsız ısı iletimini karakterize etmek için malzemeye özgü bir özelliktir. Bu değer, bir malzemenin sıcaklıktaki bir değişikliğe ne kadar hızlı tepki verdiğini açıklar.termal difüzivite a(T ) ve parçalara ayrılmış bir lityum-iyon poşet hücresinin anot, katot, ayırıcı ve poşet malzemelerinin cp(T ) değerlerini belirlemek için kullanılmıştır. HFM yöntemi, farklı bir Şarj Durumunda (SoC) kese yüzeyine dik bir lityum-iyon kese hücresinin cp( T) ve λeff(T)değerlerini değerlendirmek için uygulanmıştır.
Şekil 4: Bir kese hücresinin kese malzemesi üzerinde LFA (sağda) ve DSC ölçümleri (solda)
Şekil 4, incelenen poşet pil hücresinin poşet malzemesi için cp(T) ve a(T ) sonuçlarını göstermektedir. Bu ölçüm prosedürü, ek Sonlu Elemanlar hesaplamalarına dayalı olarak düzlem içi yönde etkili termal iletkenliği değerlendirmek için kese pil hücresinin tüm katı bileşenleri ile gerçekleştirilmiştir.
Şekil 5: sol: HFM 446'da istiflenmiş kese hücreleri; sağ: HFM 446 ölçümlerine dayalı etkin Termal İletkenlikTermal iletkenlik (W/(m-K) birimiyle λ), sıcaklık gradyanının bir sonucu olarak enerjinin - ısı şeklinde - kütleli bir cisim boyunca taşınmasını tanımlar (bkz. Şekil 1). Termodinamiğin ikinci yasasına göre, ısı her zaman düşük sıcaklık yönünde akar.termal iletkenlik
Şekil 5, sol tarafta HFM 446 ve torba hücre yığını ile düzlem boyunca etkili Termal İletkenlikTermal iletkenlik (W/(m-K) birimiyle λ), sıcaklık gradyanının bir sonucu olarak enerjinin - ısı şeklinde - kütleli bir cisim boyunca taşınmasını tanımlar (bkz. Şekil 1). Termodinamiğin ikinci yasasına göre, ısı her zaman düşük sıcaklık yönünde akar.termal iletkenlik ölçümü için ölçüm kurulumunu ve sağ tarafta alınan sonuçları göstermektedir.
Uygulanan uzatma seti ve torba hücre yığını ile HFM 446 ölçüm yöntemine dayalı ölçüm prosedürü, λeff= 0 ile λeff(T)için iyi bir tekrarlanabilirlik göstermiştir. t = 25°C'de 715 W m-1 K-1 ve genişletilmiş birleşik belirsizlik U(k=2) = 0,02 W m-1 K-1. SoC nedeniyle λeff(T) 'deki farklılıklar sonuçlarda çözülememiştir.
Poşet bileşeninin düzlem içi yönünde cp( T) ve a(T ) içintarafından belirlenen veriler, λeff= 52,54 W m-1 K-1 ile tüm poşet hücresinin düzlem içi termal iletkenliğini hesaplamak için bir Sonlu Elemanlar (FE) Modelinde işlenmiştir.
Değerlendirilen sonuçlar, HFM'nin poşet hücreleri için düzlem boyunca etkili termal iletkenliği analiz etmek için uygun bir tahribatsız yöntem olduğunu göstermektedir. Düzlem içi yöndeki etkin Termal İletkenlikTermal iletkenlik (W/(m-K) birimiyle λ), sıcaklık gradyanının bir sonucu olarak enerjinin - ısı şeklinde - kütleli bir cisim boyunca taşınmasını tanımlar (bkz. Şekil 1). Termodinamiğin ikinci yasasına göre, ısı her zaman düşük sıcaklık yönünde akar.termal iletkenlik, düzlem içi termal difüzivitenin yanı sıra özgül ısı kapasitesi ve yoğunluğu belirlemek için hücreyi bileşenlerine ayırarak belirlenebilir. Bu veriler, düzlem içi etkin termal iletkenliği değerlendirmek için bir FE Modelinde işlenebilir.
Yazar Hakkında:
Dr. Daniel Lager, MSc 2007 yılından beri Termofizik ve Termal Analiz alanında çalışmaktadır. Lager, 2019 yılı itibariyle AIT Austrian Institute of Technology GmbH'de ilgili akredite laboratuvarın başkanıdır. 2017 yılında Viyana Teknoloji Üniversitesi'nden (TU Wien) ısı depolama malzemelerinin termofiziksel karakterizasyonu üzerine yaptığı tez çalışmasıyla doktora derecesi almıştır. Çok sayıda yayının yazarlığını ve ortak yazarlığını yapmıştır.
2005 yılında Technikum-Wien Uygulamalı Bilimler Üniversitesi'nden elektronik alanında diploma derecesi almış, ardından 2008 yılında biyomedikal mühendislik bilimleri alanında yüksek lisans derecesi almıştır.
AIT'deki çalışmalarına paralel olarak, Burgenland Uygulamalı Bilimler Üniversitesi'nde harici öğretim görevlisidir. Daniel Lager, profesyonel kariyeri boyunca iyon tedavisi için bir parçacık hızlandırıcıda sistem fizikçisi olarak, kamu güvenliği uygulamalarında veri iletim sistemleri için sistem mühendisi olarak, hasar tespit sistemleri için yazılım geliştiricisi olarak ve elektromanyetik uyumluluk etkisi alanında researcolarak deneyim kazanmıştır.
İlgili web seminerini izleyin!
Bu web seminerinde Dr. Daniel Lager, enerji depolama malzemelerinin termofiziksel özellikleri için son teknoloji ölçüm metodolojilerini sunmaktadır. Özgül ısı kapasitesicp(T), faz geçiş entalpisi Ht, reaksiyon entalpisi Hr, Termal DifüziviteTermal difüzivite (mm2/s birimiyle a), kararsız ısı iletimini karakterize etmek için malzemeye özgü bir özelliktir. Bu değer, bir malzemenin sıcaklıktaki bir değişikliğe ne kadar hızlı tepki verdiğini açıklar.termal difüzivite a(T), Termal İletkenlikTermal iletkenlik (W/(m-K) birimiyle λ), sıcaklık gradyanının bir sonucu olarak enerjinin - ısı şeklinde - kütleli bir cisim boyunca taşınmasını tanımlar (bkz. Şekil 1). Termodinamiğin ikinci yasasına göre, ısı her zaman düşük sıcaklık yönünde akar.termal iletkenlik λ(T) ve karakteristik sıcaklıklar T'ye odaklanarak, mevcut ölçüm yöntemlerine dayalı çeşitli standartlaştırılmış ve aynı zamanda yeni ölçüm tekniklerini uygulamakta, karşılaştırmakta ve değerlendirmektedir. Şimdi dikkat edin!