TY - THES A1 - Reis, Bruno Henrique T1 - Development of a novel thermodynamic database for salt systems with potential as phase change materials T1 - Entwicklung einer neuen thermodynamischen Datenbank für Salzsysteme mit Potenzial als Phasenwechselmaterialien N2 - Research on energy saving technologies surged in the last decades. One especially relevant technology regards thermal energy storage via phase change materials, or PCM. These materials function as regenerative thermal batteries that can absorb and release thermal energy via the latent heat associated with a phase change, while temperature is kept constant. The advantage of this technology is that due to the latent heat effect the energy density is very high, which reduces the required size of the medium and makes it easier to be coupled with heat loss sources, both in industrial and household applications. The challenge lies, however, in identifying correct PCMs for specific operation temperatures. The goal of the thesis is, then, to develop a novel thermodynamic database that describes the thermodynamic properties of salt mixtures with potential as phase change materials, both for high (up to 800 ℃) and low temperature (up to 100 ℃) applications; and, then, to perform a screening to identify potential PCM compositions in the database. The database is created with FactSage, a Calphad software, and the systems covered are the CaCl₂-Ca(NO₃)₂-KCl-KNO₃-NaCl-NaNO₃, for high temperature PCMs, and the hydrated Mn(NO₃)₂-H₂O, Zn(NO₃)₂-H₂O, MgSO₄-H₂O and ZnSO₄-H₂O for low temperature PCMs. The liquid solution in all systems is modelled with the non-ideal associates model and, therefore, no aqueous solution model is required. The experimental data used for the assessments come from the literature and from new measurements performed by the partners of the PCM-Screening project (FKZ 03ET1441). A new program called DataOptimizer has been developed to assist with the optimisation of thermodynamic databases. Relying on the ChemApp software and the NOMAD optimizer, DataOptimizer overcomes many shortcomings of similar database optimisation programs. A graphical user interface featuring a real-time plotting output is also implemented, which allows for a much easier and user-friendly experience. Details about the implementation and features of the program are given. Finally, the identification of PCM candidates is performed using both phase diagrams calculated with FactSage and a new numerical screening algorithm, which relies on ChemApp. The screening algorithm proves to be capable of identifying eutectics in multicomponent systems automatically without the need for phase diagrams. As a result, twenty-two PCM candidates are identified for high temperature applications within the anhydrous system and, fourteen candidates, for low temperature applications within the hydrated systems. N2 - Die Forschung zu Energiespartechnologien hat in den letzten Jahrzehnten stark zugenommen. Eine besonders relevante Technologie ist die Speicherung von Wärmeenergie mittels Phasenwechselmaterialien (PCM). Diese Materialien fungieren als regenerative Wärmebatterien, die Wärmeenergie über die mit einem Phasenwechsel verbundene latente Wärme aufnehmen und wieder abgeben können, während die Temperatur konstant gehalten wird. Der Vorteil dieser Technologie besteht darin, dass die Energiedichte aufgrund des Latentwärmeeffekts sehr hoch ist, was die erforderliche Größe des Mediums verringert und die Kopplung mit Wärmeverlustquellen erleichtert, sowohl in industriellen als auch in Haushaltsanwendungen. Die Herausforderung besteht jedoch darin, die richtigen PCMs für bestimmte Betriebstemperaturen zu identifizieren. Ziel dieser Arbeit ist es daher, eine neuartige thermodynamische Datenbank zu entwickeln, die die thermodynamischen Eigenschaften von Salzmischungen mit Potenzial als Phasenwechselmaterialien sowohl für Anwendungen bei hohen (bis 800 ℃) als auch bei niedrigen Temperaturen (bis 100 ℃) beschreibt, und anschließend ein Screening durchzuführen, um potenzielle PCM-Zusammensetzungen in der Datenbank zu identifizieren. Die Datenbank wurde mit FactSage, einer Calphad-Software, erstellt, und die abgedeckten Systeme sind das wasserfreie CaCl₂-Ca(NO₃) ₂-KCl-KNO₃-NaCl-NaNO₃ für Hochtemperatur-PCMs und das hydratisierte Mn(NO₃)2-H₂O, Zn(NO₃)₂-H₂O, MgSO₄-H₂O und ZnSO₄-H₂O für Niedertemperatur-PCMs. Die flüssige Lösung wird in allen Systemen mit dem Modell der nicht idealen Assoziaten modelliert, so dass kein Modell der wässrigen Lösung erforderlich ist. Die für die Bewertungen verwendeten experimentellen Daten stammen aus der Literatur und aus neuen Messungen, die von den Partnern des PCM-Screening-Projekts (FKZ 03ET1441) durchgeführt wurden. Ein neues Programm namens DataOptimizer wurde entwickelt, um die Optimierung von thermodynamischen Datenbanken zu unterstützen. Basierend auf der ChemApp-Software und dem NOMAD-Optimierer überwindet DataOptimizer viele Schwächen ähnlicher Datenbank-Optimierungsprogramme. Außerdem wurde eine grafische Benutzeroberfläche mit Echtzeit-Plotausgabe implementiert, die eine wesentlich einfachere und benutzerfreundlichere Bedienung ermöglicht. Es werden Einzelheiten zur Implementierung und zu den Funktionen des Programms erläutert. Schließlich wird die Identifizierung von PCM-Kandidaten sowohl mit Phasendiagrammen, die mit FactSage berechnet wurden, als auch mit einem neuen numerischen Screening-Algorithmus, der auf ChemApp basiert, durchgeführt. Der Screening-Algorithmus erweist sich als geeignet, Eutektika in Mehrkomponentensystemen automatisch zu identifizieren, ohne dass Phasendiagramme benötigt werden. Im Ergebnis werden zweiundzwanzig PCM-Kandidaten für Hochtemperaturanwendungen im wasserfreien System und vierzehn Kandidaten für Niedrigtemperaturanwendungen im hydratisierten System identifiziert. KW - Phase change materials KW - Salt mixtures KW - Calphad KW - Thermodynamic database KW - Screening of eutectics KW - Phasenwechselmaterialien KW - Salzmischungen KW - Calphad KW - Thermodynamische Datenbank KW - Screening von Eutektika KW - Latentwärmespeicher KW - Phasenübergangswerkstoff KW - Salz KW - Gemisch KW - Thermochemie KW - Phasendiagramm KW - Eutektikum Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-55902 ER -