Kalorische Messungen mit der Longitudinal Heat Flow Methode · ©ZAE Bayern • Jahressitzung Arbeitskreis Thermophysik • 25.-26.04.16 3 Motivation Unterscheidliche Probengrößen

© ZAE Bayern • Jahressitzung Arbeitskreis Thermophysik • 25.-26.04.16 1

Kalorische Messungen mit der Longitudinal Heat

Flow Methode

M. Brütting, T. Hagen, S. Vidi, F. Hemberger Jahrestagung des Arbeitskreises Thermophysik

25.-26.4.2016

© ZAE Bayern

Bayerisches Zentrum für Angewandte

Energieforschung e.V.


Outline

1. Kalorimetrie an großen Proben

2. Prinzip und Versuchsaufbau

3. Korrekturverfahren

4. Experimentelle Validierung

5. Fazit und Ausblick


Motivation Unterscheidliche Probengrößen

Material

PCM Wasser / Eis,

Paraffine, Salz-hydrate

Komponenten

Verkapselte

PCM, Material-

komposite

System

Einsatz im Gebäude

© Rubitherm © Rubitherm © Hella


Longitudinal Heat Flow Technique Prinzip: Wärmeleitfähigkeit

Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit

q

q

q


Longitudinal Heat Flow Technique Prinzip: Kalorimetrie

• Anpassung des Messverfahrens zu einem

Temperatursprung (transientes Verfahren).

• Start bei isothermen Bedingungen

• Temperatur der Heizelemente wird

sprunghaft erhöht

• Wärmestrom in die Probe wird

aufgezeichnet

q

q


Longitudinal Heat Flow Technique Herausforderungen

• Nichtlineares Temperaturprofil;

deswegen ist die Berechnung des

Wärmestromes nicht korrekt

• Wärmekapazität der

Referenzelemente muss

berücksichtigt werden

• Radiale Verluste müssen


q

q

?


Korrektur durch Leermessung Simulationsergebnisse

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Inte

gra

ted

he

at

flu

x q

/ 1

06 J

m-2

Time / s

Apparent heat q*

Real heat q

Apparent heat empty q*

e

Corrected heat qc=q

*- q

*

e

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Inte

gra

ted

he

at

flu

x q

/ 1

06 J

m-2

Time / s

Apparent heat q*

Real heat q


e

Corrected heat qc=q

*- q

*

e

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Inte

gra

ted

he

at

flu

x q

/ 1

06 J

m-2

Time / s

Apparent heat q*

Real heat q


e

Corrected heat qc=q

*- q

*

e

𝜕𝑇

𝜕𝑥

Δ𝑇

Δ𝑥

Δ𝑇

Δ𝑥

Δ𝑇

Δ𝑥

Δ𝑇

Δ𝑥


Korrektur durch Leermessung Analytische Berechnung

𝑞𝑒 𝑡 =𝑧1 + 𝑧22𝑅

∙ 𝑞𝑟 ≡ 𝐵 ∙ 𝑞𝑟

Analytische Lösung des Wärmeleitungsproblems

M. Brütting, et al., Determination of heat capacity by means of

longitudinal guarded comparative calorimeter – Correction

methods, International Journal of Thermal Sciences (2015),

http://dx.doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2015.10.022

𝑞𝑃𝑟𝑜𝑏𝑒 = 𝑞𝑚𝑒𝑠𝑠 − 𝐵 · 𝑞𝑟



Nichtlineares Temperaturprofil;



Wärmekapazität der



• Radiale Verluste müssen


q

q

?


Korrekturverfahren Wärmeverluststrom

40000 45000 50000 55000 60000 65000 70000

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

Wä

rme

str

om

/ W

Zeit / s

Wärmestrom scheinbar

Wärmeverlust abhängig von Temperaturdifferenz ΔT

Δ𝑇𝑆𝑅 = 𝑇𝑆𝑡𝑎𝑐𝑘 − 𝑇𝑅𝑎𝑢𝑚

𝑞 𝑉𝑒𝑟𝑙𝑢𝑠𝑡 = 𝑓(Δ𝑇𝑆𝑅)



40000 50000 60000 70000

0,00

0,04

0,08

0,12

0,16

0,20

0,24

Wä

rme

str

om

/ W

Zeit / s

Wärmestrom gesamt

𝑞 𝑉𝑒𝑟𝑙𝑢𝑠𝑡 Anfang 𝑞 𝑉𝑒𝑟𝑙𝑢𝑠𝑡 Ende

𝑞 𝑉𝑒𝑟𝑙𝑢𝑠𝑡 = 𝑓(Δ𝑇𝑆𝑅)



Wärmestrom mit Verluststrom Wärmestrom korrigiert

40000 45000 50000 55000 60000

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

Wä

rme

str

om

/ W

Zeit / s

Wärmestrom scheinbar

Wärmestrom korrigiert

20000 40000 60000 80000

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

60

65

70

75

80

Wä

rme

str

om

/ W

Zeit / s

Verluststrom

Te

mp

era

tur

/ °C



Nichtlineares Temperaturprofil;



Wärmekapazität der



Radiale Verluste müssen


q

q

?


Experimentelle Validierung Verwendete Materialien

Kupfergefäß

Referenzen aus Poly-

etheretherkethon (PEEK)

RT50

Edelstahl


Experimentelle Validierung Messung Edelstahl

Abweichung zu Differential Scanning Calorimetry (DSC):

Max. -4%

35 55 65 75 90 110

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

W

ärm

eka

pazi

tät /

J/(

g*K

)

Mitteltemperatur / °C

DSC

LHFM


Experimentelle Validierung Messung Kupfergefäß

Abweichung zu Literaturwert:

-8,1% 0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

Wä

rme

ka

pa

zitä

t / J/(

g*K

)

Literatur

gemessen

Literaturwert Kupfer aus:

KOTZ, John; TREICHEL, Paul; TOWNSEND, John. Chemistry and chemical

reactivity. Cengage Learning, 2011.


Experimentelle Validierung Messung RT50 in Kupfergefäß

24 - 59 45 - 54

0

50

100

150

200

250

300

350

En

tha

lpie

/ J

/g

Temperatursprung / °C

DSC

LHFMRT50

Kupfergefäß


Fazit

• Enthalpiebestimmung prinzipiell möglich

• Korrektur des Wärmeverluststroms und der Leermessung nötig

• Genauigkeit der Enthalpiebestimmung abhängig von:

- Betrag des Wärmestroms (Enthalpie der Probe)

- Bei PCMs: Verhältnis Oberfläche / Volumen (interne WÜ-Fläche)

- Messrauschen (Reglerschwankungen)


Ausblick

• Genauere Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit und –kapazität der

Referenzen

• Berücksichtigung der Korrelation der Temperatursensoren

• Kalibrierung Regelungs-Temperatursensoren

• Optimierung Regelparameter der Heizelemente

• Optimierung der Probenkammer-Geometrie

• Optimierung der Schutzringeinstellung

© ZAE Bayern • Jahressitzung Arbeitskreis Thermophysik • 25.-26.04.16 20 © ZAE Bayern


Longitudinal Heat Flow Technique Simulation setup

Simplifications:

• Symmetry

• One-dimensional conduction

Calculation of:

• Apparent heat flux

(Temperature difference)

• Real heat flux through

interface

(Temperature gradient)

Goal: Quantification of deviation from the real values


Simulation Results Correction with empty measurement

Integrated heat flux

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Inte

gra

ted

he

at

flu

x q

/ 1

06 J

m-2

Time / s

Apparent heat q*

Real heat q


e

Corrected heat qc=q

*- q

*

e

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Kalorische Messungen mit der Longitudinal Heat Flow Methode · ©ZAE Bayern • Jahressitzung Arbeitskreis Thermophysik • 25.-26.04.16 3 Motivation Unterscheidliche Probengrößen