von Götz Lindenberg und Andreas Laube
Bei der Messung der Speicherkapazität von Latentwärmespeichermaterial (engl. "phase change material - PCM") ergeben sich derzeit noch unerwartet große Schwierigkeiten. Es erweist sich, dass die bisher verfügbaren Verfahren nicht für die geforderte Präzision geeignet sind. Insbesondere die Temperaturzuordnung der gemessenen Enthalpien führt zu verfälschten Ergebnissen.
Wenn man bedenkt, dass insbesondere in der Klimatechnik Abweichungen von 1K schon bis zu 50% der notwendigen Energie für die Raumtemperierung bedeuten, kommt der Genauigkeit der thermischen Charakterisierung des Wärmespeichermaterials eine sehr große Bedeutung zu.
Derzeitiger Stand der Technik:
Es werden zur Ermittlung der Speicherkapazität von Substanzen (PCM) bei allen damit befassten Instituten und Firmen handelsübliche und sehr teure DSC-Geräte verwendet. (DSC: differential scanning calorimetrie) Sie wurden ursprünglich für die Charakterisierung von Kunststoffen entwickelt. Die Probenmenge beträgt 0,01 - max. 1g, wobei auch nur unter speziellen Einstellungen PCM auf paraffinischer Basis relativ exakt vermessen werden können. Es treten starke Verschiebungen der gemessenen Phasenwechseltemperaturen auf.
Zum anderen gibt es ein T-History-Verfahren (Probenmenge bis ca. 5g), welches zwar besser für PCM auf Salzhydratbasis geeignet ist, trotzdem aber, wenn auch in geringerem Maße, zu den genannten Ungenauigkeiten neigt.
Ein besonderes Problem tritt auf, wenn Enthalpien von Salzhydraten gemessen werden sollen. Die dort regelmäßig auftretenden Unterkühlungen verfälschen die Enthalpiekurven noch mehr. Trotz Fortschritten bei den Keimbildnern hängt das Unterkühlungsverhalten immer noch sehr vom spezifischen Wärmefluss und von der Probenmenge (Teilchenzahl) ab.
Um diese Nachteile auszugleichen, wurde die wärmestromoptimierte Temperaturkurvenanalyse (WOTKA) für das 3-Schicht-Kalorimeter entwickelt, bei dem größere Probemengen (ca. 100g) bei geringem spezifischem Wärmefluss vermessen werden.
Messprinzip:
Die erforderlichen Temperaturniveaus werden in einem handelsüblichen Klimaschrank eingestellt. Darin wird das 3-Schicht-Kalorimeter mit der Probe gelagert.
Die Außenhülle des Kalorimeters besteht aus Metall, um durch die gute Wärmeleitung eine repräsentative Hüllen-Temperatur zu messen.
Innerhalb der Außenhülle befindet sich eine Isolierung, die bis an die Wand des Probenraumes reicht. Dadurch werden neben der gedämpften Wärmeübertragung gleichzeitig unerwünschte Effekte durch Konvektion in einer Messkammer vermieden.
Der Probenraum ist ebenfalls mit Metall gekapselt, damit auch dort eine homogene Temperaturverteilung stattfindet. So ist die in der Mitte des Probenraumes gemessene Temperatur repräsentativ für die gesamte Probe.
Damit die unterschiedlichen Wärmeleitungseigenschaften der Probensubstanzen keinen Einfluss auf die Temperaturkurven nehmen, ist der Probenraum flach ausgelegt.
Auswertungsprinzip:
Die Auswertung erfolgt nach allgemein bekannten Gesetzmäßigkeiten der Wärmelehre. Die Fläche der Kurven zwischen Hülle und Probe in der dafür gemessenen Zeit charakterisiert die Wärmemenge, die in der Probe gespeichert war. Durch Abgleich mit einer Vergleichssubstanz, deren Enthalpieverlauf bekannt ist, kann dann sehr einfach die Speicherkapazität der Probe errechnet und der jeweiligen Temperatur zugeordnet werden.
Messkurvenbeispiele:
Heiz - und Kühlkurven von 2 Beispielsubstanzen (PCM) mit Schmelzpunktangaben des jeweiligen Herstellers.
Beispiel 01:
Enthalpie in J/g vs. Temperatur in °C
Beispiel 02:
Enthalpie in J/g vs. Temperatur in °C
Zusammenfassung:
Durch eine optimierte Wärmestromführung sind mit dem 3-Schicht-Kalorimeter, unabhängig von den jeweiligen Wärmeleitungseigenschaften, präzise Messungen der Speicherkapazität von Latentwärmespeichermaterialien möglich. Diese Messungen sind eine zuverlässige Berechnungsgrundlage für die Auslegung von Wärmespeichersystemen, bei denen es auf eine hohe Genauigkeit der Temperaturzuordnung der Enthalpie ankommt.
Das 3-Schicht-Kalorimeter wird auf Anfrage geliefert, bestehend aus:
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Messbox (3-Schicht-Kalorimeter) |
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Messsystem |
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Datenlogger |
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Messfühler |
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Auswertesoftware |
