Charakterisierung von Speichermaterialien mit einer wärmetechnischen Apparatur

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1 Charakterisierung von Speichermaterialien mit einer wärmetechnischen Apparatur Deutsches Zentrum für Luft- und aumfahrt e.v. DL Institut für Technische Thermodynamik Arbeitskreis Thermophysik Sitzung, Berlin am 4/5. März Folie

2 Arbeitsgebiet Wärmespeicher Folie

3 Thermal Energy Storage Key component for sustainable energy supply Heat supply Thermal Energy Storage Thermal Energy Consumer Efficient and economic storage technology needed to meet energy demand and required operation conditions of a specific process Folie 3

4 Molten Salt Storage Available Storage Technology for Trough Plants with oil heat transfer fluid Indirect sensible heat storage - heat transfer fluid: oil - heat storage medium: molten salt - oil/salt heat exchanger - -tank concept Transfer of SolarTwo experience st commercial system at ANDASOL plant Folie 4

5 Thermal Energy Storage: Classification Sensible heat Solid Liquid Solid/Liquid mixture efractories Concrete Molten Salt Latent heat Solid-solid Salts Solid-liquid Salts Chemical heat Sorption Gaseous compounds for catalytic reaction Dissociating solids or liquids Folie 5

6 High-temperature thermal energy storage activities Focus at DL: Large-scale storage units from C Folie 6

7 Developmental Steps for PCM Storage Systems Screening System integration Phase change properties Stability, compatibility, corrosion Heat transfer enhancement Thermophysical properties Technical salts quality Thermo-mechanical design Folie 7

8 Wärmetechnische Apparatur Folie 8

9 Messprinzip der wärmetechnischen Apparatur # Betriebsart I ohne Druckluft Probe Heizstab Elektrische Heizung Adiabatisches Schild Betriebsart II mit Druckluft Kühlung Druckluft Zeitliche Probe Leistungsmessung Adiabatisches Schild Betriebsart III mit vorgewärmter Druckluft Probenmasse Elektrische Größenordnung kg Heizung Elektrische Heizung Druckluft mit Vorwärmung Vorgabe des Probe Temperatursprungs z.b. 5 K Adiabatisches Schild T Temperatur Wärme des Messsystems Wärmeverluste Messsystem Heizstab- Temperatur Temperatur Messsystem Elektrische Leistung T Heizstab-Temperatur Wärme des Messsystems Wärmeverluste Messsystem Kühlleistung Elektrische Leistung Heizstab-Temperatur Q = m c p T Wärme des Messsystems Wärmeverluste Messsystem Kühlleistung Berechnung T der Wärmekapazität Elektrische Leistung Messinterval Zeit Zeit Zeit t Folie 9

10 Messprinzip der wärmetechnischen Apparatur # Betriebsart I ohne Druckluft Elektrische Heizung Betriebsart II mit Druckluft Kühlung Druckluft Elektrische Heizung Betriebsart III mit vorgewärmter Druckluft Elektrische Heizung Druckluft mit Vorwärmung Probe Heizstab Probe Probe Adiabatisches Schild Adiabatisches Schild Adiabatisches Schild T Temperatur Wärme des Messsystems Wärmeverluste Messsystem Heizstab- Temperatur Temperatur Messsystem Elektrische Leistung T Heizstab-Temperatur Wärme des Messsystems Wärmeverluste Messsystem Kühlleistung Elektrische Leistung T Heizstab-Temperatur Wärme des Messsystems Wärmeverluste Messsystem Kühlleistung Elektrische Leistung Messinterval Zeit Zeit Zeit t Folie

11 Kalorimeter-Klassifizierung uhende oder bewegliche Probe z.b. Fallkalorimeter Einfach- oder Zwillingskalorimeter z.b. Differenzial-Scanning-Kalorimeter Kompensation des thermischen Effektes z.b. Peltier, elektrischer Heizer Thermisches Verhalten: Umgebung U Messsystem M Betriebsart: Anbindung Wärmewiderstand l : Temperaturen: Isotherm Umgebungs- und Betriebsbedingungen Grad der thermischen Anbindung: < isoth. << Wärmefluss T U T M konst. Wärmefluss Wärmefluss < isoper. T U t > T M t endotherm Isoperibol isoper. << adiabat. T U = konst.; T M t T U Adiabatisch T U t = T M t adiabat. Quelle: Sorai, M. 4 Comprehensive Handbook of Calorimetry and Thermal Analysis, Wiley. Hemminger, W., Höhne, G., 979 Grundlagen der Kalorimetrie, Weinheim: Verlag Chemie. Folie

12 Folie Theorie instationäre Wärmeleitung in Hohlzylinder + = =, m a t i m e A t r µ π ϑ ϑ ϑ i N J N J J J J A = r m m m = = = µ µ µ µ m sind die Nullstellen von:, t ϑ r ϑ ϑ ϑ +, t ϑ r, t ϑ r N J N J = Quelle: Tautz, H. 97 Wärmeleitung und Temperaturausgleich, Akademie Verlag. Carslaw, H.S.; Jaeger, J.C. 959 Conduction of heat in solids, Clarendon Press.

13 eferenzmessung: Natriumchlorid-Schüttung # Betriebsarten I, - C Probenmasse 398,5 g 5 5,5 g/cm³ Schüttdichte 4 Sprunghöhe 5 K Messzeit 4 h Leistung W 3 elektrische Leistung P el t Heizstabtemperatur T n mittlere Temperatur des Probenbehälters 5 Temperatur C Messzeit h Folie 3

14 eferenzmessung: Natriumchlorid-Schüttung # Betriebsarten I, II und III c p -Wert kj/kgk,6,5,4,3,,,,9,8,7 Literatur Landolt-Börnstein Betriebsart I ohne Druckluftkühlung Betriebsart II mit konstanter Lufteintrittstemperatur Betriebsart III mit konstanter Kühlleistung, Temperatur C Messwerte der Betriebsart I weichen um weniger als % von Literaturwerten ab für -45 C Folie 4

15 eferenzmessung: Quarzglaskörper Betriebsart I 5- C Literaturwert Experimentell: vollständiger Kontakt Spalt, mm Spalt,5 mm gespeicherte Wärme 6 85 J J J 65 8 J rel. Abweichung zum theoretischen Wert,4 %, %,8 % Folie 5

16 Zusammenfassung der bisherigen Arbeiten Messparameter: flüssige und feste Proben mit,5-3 Liter von -5 C Apparatur erfolgreich eingesetzt für Wärmespeichermaterial mit ohrregister: Kontaktwiderstand ohr-speichermaterial Zyklenstabilität des Speichermaterials Wärmetransportvorgänge von berippte ohren im Speichermaterial Bilanzierung zeigt Möglichkeit der Wärmekapazitätsmessung auf Folie 6

17 Lessons Learned und Potential der Messmethode Lessons Learned Geeignet großes Probenvolumen erforderlich Minimale Temperaturgradienten im Schild und Probenumfang erforderlich Betriebsart I für c p -Messungen sinnvoll ohne Luftkühlung Klare Definition des Bilanzierungsraum wichtig Geeignete egelungstechnik für adiabatisches Schild erforderlich Temperaturleitfähigkeit der Probe wirkt auf Schild-egelungstechnik Potential der Apparatur für Messungen der Wärmekapazität: Hygroskopie z.b. Hydratbildende Proben Kriechen z.b. Salze Druckbeaufschlagung z.b. Thermalöl Heterogenität z.b. Hochtemparaturbeton, Gestein Adiabatische Kalorimeter könnten für bestimmte Wärmekapazitätsmessungen besser geeignet sein als klassische DSC-Messungen Folie 7