Problemstellung
Da bekannte Messgeräte zur Bestimmung von Speicherkapazitäten sehr kostenintensiv und nur für geringe Probemengen ausgelegt sind, stellten sich die Mitarbeiter der Firma w&a die Aufgabe, eine praxisorientierte, praxistaugliche und preiswerte Mess- und Auswertemethode zu entwickeln. Da Phasenwechselmaterialien (PCM) nur im begrenzten Maße Wärmeleistungen durch die Umkristallisation aufnehmen und abgeben können, sind für die Bestimmung der Speicherkapazität auch geringe Heiz- und Kühlraten erforderlich.
Um diese Probleme auszugleichen, wurde die wärmestromoptimierte Temperaturkurvenanalyse (WOTKA) für das 3-Schicht-Kalorimeter entwickelt. Proben von 100 ml werden mit einer Kühl- und Heizrate von ca. 0,2 K/min vermessen. Die Probenmenge von 100 ml stellt bei der Bestimmung der Speicherkapazität von Salzhydraten sicher, dass alle Komponenten wie z.B. Keimbilder und benötigte Kristalle in der Probe enthalten sind. Die Proben können nach der Bestimmung der Speicherkapazität auch anderen Prüfungen, wie die Bestimmung der Zyklenstabilität unterzogen werden.
Das Messprinzip
Die erforderlichen Temperaturniveaus werden in einem handelsüblichen Klimaschrank eingestellt. Darin wird das 3-Schicht-Kalorimeter mit der Probe vermessen. Die Außenhülle des Kalorimeters ist so gestaltet, dass eine repräsentative Hüllen-Temperatur gemessen werden kann (alle Seiten werden mit der gleichen, festzulegenden Temperatur beaufschlagt). Im Inneren befindet sich eine Schicht, die bei definiert gedämpfter Wärmeübertragung gleichzeitig unerwünschte Effekte durch Konvektion im Probenraum vermeidet. Der Probenraum ist ebenfalls so gekapselt, dass die Probe einer homogene Temperaturverteilung ausgesetzt ist. Damit ist die in der Mitte des Probenraumes gemessene Temperatur repräsentativ für die gesamte Probe. Die Geometrie des Probenraumes ist so ausgelegt, dass die unterschiedlichen Wärmeleitungseigenschaften der Probensubstanzen nur einen geringen Einfluss auf die Temperaturkurven nehmen.
Das Auswertungsprinzip
Die Auswertung erfolgt nach allgemein bekannten Gesetzmäßigkeiten der Wärmelehre. Durch Abgleich mit einer Vergleichssubstanz, deren Enthalpieverlauf bekannt ist, kann sehr einfach die Speicherkapazität der Probe berechnet und der jeweiligen Temperatur zugeordnet werden.
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.
Referenzübersicht
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