Motivation
Latentwärmespeicher repräsentieren eine effektive Wärmespeichertechnologie und nutzen den Phasenwechsel fest/flüssig eines sog. Phasenwechselmateriales (engl. Phase Change Material, PCM). Beim Beladen des Speichers mit Wärme schmilzt das PCM und erstarrt beim Entladen wieder, so dass pro Volumeneinheit eine große Menge Wärme bei nahezu konstanter (Schmelz-) Temperatur gespeichert werden kann. Die möglichst genaue Kenntnis der thermophysikalischen Stoff- und Transportgrößen dieser PCM als Speichermedien ist eine wichtige Voraussetzung für die wärmetechnische Auslegung dieser innovativen Wärmespeicher. Die Hersteller der PCM liefern diesbezüglich meist nur wenige Daten.
Ziele
Typische PCM in Latentwärmespeichern sind organische Stoffe wie Paraffine, Fettsäuren und Zuckeralkohole bzw. anorganische Substanzen wie Salzhydrate und Salze. Für die zuverlässige wärmetechnische Auslegung von Latentwärmespeichern werden die Dichte, die spezifische Wärmekapazität und die Wärmeleitfähigkeit der flüssigen und festen Phase, die spezifische Schmelzwärme und die Viskosität der Flüssigphase benötigt. Im Rahmen der Projekte PCM-Prop 1 bis 3 wurde und wird die messtechnische Ausrüstung zur Bestimmung dieser Stoff- und Transportgrößen beschafft oder entwickelt. Damit erfolgt dann die systematische Untersuchung von PCM-Proben verschiedener Hersteller und auch anderer als PCM geeigneter Stoffe (z.B. Kunststoffe). Die Messergebnisse werden systematisiert und in Form empirischer Gleichungen bzw. in Datenbankform dokumentiert.
Methoden
Zur Messung der Dichte fester PCM werden geometrische definierte Proben gefertigt, deren Volumen berechnet und deren Masse mit einer Feinmesswaage bestimmt. Mittels der Feinmesswaage, kalibrierter Pipetten und des Umluftofens kann auch die temperaturabhängige Dichte der Flüssigphase ermittelt werden. Das Hotdisk-Messsystem (Bild oben links) kann sowohl zur Messung der Wärmeleitfähigkeit (oben Mitte) als auch der spezifischen Wärmekapazität (oben rechts, sog. cp-Messzelle) genutzt werden. Die Wärmeleitfähigkeit ist eine substanzielle Transportgröße zur Berechnung der Leistung eines Latentwärmespeichers.
Mit Hilfe eines sog. 3-Schicht-Kalorimeters (unten links) und des Umluftofens (unten Mitte) sind die spezifische Schmelzwärme und die spezifische Wärmekapazität der festen und flüssigen Phase der PCM bestimmbar – wichtige Stoffgrößen zur Ermittlung des Wärmeinhaltes eines Latentwärmespeichers. Ein Quarzviskosimeter sowie ein Heißdraht-Messgerät (unten rechts) dienen der Bestimmung der Viskosität und der Wärmeleitfähigkeit der Flüssigphase der PCM. Die Kenntnis der Dichte und der Viskosität der flüssigen PCM erlaubt eine Abschätzung des nicht zu unterschätzenden Einflusses von Konvektionsströmungen auf den Wärmetransport in der Flüssigphase der PCM beim Beladen der Latentwärmespeicher.
Ergebnisse und Ausblick
Die oben genannte Messtechnik wurde beschafft und bereits für zahlreiche systematische Untersuchungen verschiedenster PCM genutzt. Außer in eigenen Forschungsprojekten kommen messtechnisch bestimmte Stoff- und Transportgrößen ausgewählter PCM auch bereits in kommerzieller Software zur Auslegung komplexer energietechnischer Systeme zur Anwendung. Das Labor Thermodynamik und Wärmetechnik an der Hochschule Zittau/Görlitz verfügt im Ergebnis der Projekte PCM-Prop 1 bis 3 über eine exzellente und unikale messtechnische Ausstattung zur Bestimmung thermophysikalischer Stoff- und Transportgrößen nicht nur von Phasenwechselmaterialien. Nächste Schritte bestehen in der Entwicklung und Umsetzung entsprechender Messverfahren für PCM im Hochtemperaturbereich.
keine
