Design und Aufbau eines Experiments zur Untersuchung der Unterkühlung und Nukleation von Phasenwechselmaterialien für thermische Speicher

Abstract

Diese Arbeit befasst sich mit dem Design und Aufbau eines Experiments zur Untersuchung der Unterkühlung und Nukleation von Phasenwechselmaterialien für thermische Speicher. Weiters sollen auf Grundlage der T-History Methode kalorimetrische Messungen ermöglicht werden, die die Phasenwechselenthalpie und spezi sche Wärmekapazitat des Material bestimmen können. Der Bau dieses Messgerätes ist notwendig, da die zu vermessenden Probenmassen eine weitaus größere Masse besitzen, als die in einem dynamischen Differenzkalorimeter (DSC) verwendeten. Dadurch kann der Grad der Unterkühlung, der von der Masse abhängt, für thermische Speicher genau bestimmt werden. Anhand eines Vorexperiment konnten wichtige Informationen für die Konzeptionierung des Messgerätes gesammelt werden. So entstanden die ersten Überlegungen zur Temperaturerfassung und zum Design des Probenraumes. Anhand einer Dymola-Simulation konnten wichtige Fuid- und thermodynamische Parameter berechnet werden. Diese geben Aufschluss über das thermische Verhalten der Probe während einer Messung, dessen Schmelzdauer und wie viel Leistung notwendig ist, um die Luft auf eine vorgegebene Temperatur zu erwärmen. Außerdem wurden Berechnungen angestellt für eine Lochplatte, zur Erzeugung eines Druckabfalls und einer homogenen Strömung im Probenraum. Das Ergebnis war, dass diese Platte für einen genügend großen Druckabfall zu wenige und zu kleine Löcher hatte - die Stromung wurde nicht gleichmaßig in den Probenraum fließen. Deswegen wurde ein Fluidisierungskissen gewählt, das einen vorgegebenen Druckverlustbeiwert besitzt. Aufbauend auf den Erkenntnissen durch das Vorexperiment und den errechneten Parametern in der Dymola-Simulation wurden die einzelnen Komponenten des Messgerätes und der allgemeine Aufbau präsentiert. Da die Messwertaufzeichnung einen wichtigen Bestandteil des Messgerätes darstellt, wurden die Eigenschaften einer Temperaturaufzeichnung und dessen Programmierung besprochen. Testmessungen und Untersuchungen gaben die Möglichkeit, Fehler in der Konstruktion bzw. bei der Temperaturaufzeichnung festzustellen. Dabei wurde besonderes Augenmerk auf die Temperaturaufzeichnung durch die Infrarot-Sensoren, die Verteilung der Probenraumtemperatur und dem Rauschen in der Aufzeichnung gelegt. Messungen an den Zuckeralkoholen Erythrit und Mannit, die sowohl aktiv als auch passiv gekühlt wurden, gaben erste Einsicht in die Unterkühlung der Phasenwechselmaterialien. Weiters wurde der Einfluss der thermischen Strahlung auf eine kalorimetrische Messung besprochen. Anhand den Testmessungen werden Verbesserungsvorschlage für die auftretenden Fehler und einem optimalen Messprozess aufgezählt. Das Messgerät eignet sich sehr gut zur Untersuchung der Unterkühlung, der Schmelzdauer und Temperaturerhöhung durch die Kristallisationswärme. Für eine kalorimetrische Messung müssen noch die im Kapitel Verbesserungsvorschläge erwähnten Probleme ausgebessert werden. Führt man dies durch, so erhält man wichtige Informationen über die Phasenwechselenthalpie und spezi sche Warmekapazität für inhomogene große Massen.

This thesis deals with the design and construction of an experiment for the investigation of the cooling and nucleation of phase-change materials for thermal storage. Furthermore, calorimetric measurements, based on the T-history method to determine the phase-change enthalpy and specific thermal capacitances of the material, should be able. The construction of this measuring instrument is necessary, since the sample masses to be measured have a much larger mass than those in a dynamic Differential scanning calorimetry (DSC). As a result, the degree of subcooling, which depends on the mass, can be exactly determined for thermal storage. On the basis of a preliminary experiment, important information for the conception of the Measuring instruments were optained. Thus, the first considerations about the temperature detection and the design of the sample chamber were developed. By means of a Dymola simulation, important fluid and thermodynamic parameters could be calculated. These provide information on the thermal behavior of the sample during a measurement the melting time and how much power is necessary to heat the air to a predetermined temperature. In addition, calculations were made adjusted for a perforated plate, for generating a pressure drop and a homogeneous flow in the sample chamber. The result was that this plate had too few and too small holes for a sufficiently large pressure drop - the flow would not flow smoothly into the sample chamber. Therefore, a fluidization cushion was selected, which had a predetermined pressure loss coefficient. Based on the findings of the preliminary experiment and the calculated parameters in the Dymola simulation, the individual components of the measuring instrument and the general design were presented. Since the recording of the measured value is an important component of the measuring instrument, the characteristics of a temperature recording and its programming were discussed. Test measurements and examinations gave the possibility of establishing errors in design and temperature recording. Particular attention was paid to the temperature recording by the infrared sensors, the distribution of the sample chamber temperature and the noise in the recording. Measurements on the sugar alcohols Erythritol and Mannitol, both active and passive cooled, showed significant subcooling for the phase-change material. Furthermore, the influence of the thermal radiation on a calorimetric measurement was discussed. On the basis of the test measurements, improvement suggestions for the occurring errors and an optimal measuring process are enumerated. The measuring device is very well suited for the investigation of subcooling, the melting time and the temperature increase by the crystallization heat.