TY - THES A1 - Donath, Ines T1 - Evaluierung eutektischer Gemische für den Einsatz als PCM : Entwicklung und Anwendung einer thermografischen Hochdurchsatzmethode T1 - Evaluation of eutectic mixtures for use as PCM : development and application of a thermographic high-throughput method N2 - Energie kommt in vielfältigen Formen vor und kann zu den bedeutendsten Resssourcen gezählt werden. Großes Interesse besteht an thermischer Energie, wie sie bei Verbrennungsprozessen fossiler Rohstoffe oder als ungenutztes Nebenprodukt in der Industrie entsteht. Die so erzeugte Wärme wird u.a. weiter in elektrische Energie umgewandelt. Die Gewinnung und die Weiterverarbeitung fossiler Energiequellen ist endlich und deren Abbau wird durch permanent größeren Aufwand immer teurer. Erneuerbare Energiequellen sind größtenteils überall verfügbar und deren Kosten langfristig kalkulierbar. Eine Möglichkeit der Speicherung, bei einem temporären Überangebot, kann in Form von latenter Wärme erfolgen. Mit Latenwärmespeichermaterialien wird thermische Energie reversibel gespeichert und es wird angestrebt, diese annähernd verlustfrei wiederzugewinnen. Die Speicherung erfolgt dabei durch einen Phasenwechsel, oftmals von fest zu flüssig. Während dieses Vorgangs ändert sich die sensible Wärme des Materials nicht. Kommerziell werden zurzeit vorwiegend Paraffine und Fettsäuren eingesetzt, aber auch anorganische Materialien werden immer häufiger verwendet. Im Rahmen der Arbeit wurde mittels eines Hochdurchsatz-Screenings auf Grundlage der Infrarot-Thermografie das Schmelz- und Kristallisationsverhalten von Latentwärmespeichermaterialien untersucht. Anhand der erhaltenen Daten konnten Phasendiagramme erstellt und hinsichtlich der Lage eines Eutektikums ausgewertet werden, um eine weitere Bestimmung nur weniger Zusammensetzungen mittels dynamischer Differenzkalorimetrie vornehmen zu können. Für diese Untersuchungen musste ein geeigneter Versuchsaufbau geplant, konstruiert und gebaut werden. In diesem werden die Proben einem kontrollierten Temperaturprogramm unterworfen und deren Verhalten mit einer mittig über der Probenmatrix befindlichen Infrarot-Kamera detektiert. Der Messraum wurde hierfür verschlossen, um die Effekte von äußeren Einflüssen minimieren zu können. Es wurden unterschiedliche Substanzklassen und Systeme untersucht: Fettsäuren, Salz-Wasser-Systeme und Salzhydrate. Anhand der ermittelten Daten konnten binäre Phasendiagramme und die Lage des Eutektikums bestimmt und diese Daten zur genaueren Ermittlung mittels DSC genutzt werden. Anhand von Zyklenmessungen ist es möglich eine Aussage zur Dauerstabilität zu treffen. Die untersuchten Systeme zeigen dabei ein unterschiedliches Verhalten. Während die Fettsäuren ein stabiles Verhalten aufwiesen, war bei den anorganischen Systemen eine deutliche Instabilität erkennbar. Sowohl Salz-Wasser-Systeme als auch Salzhydratschmelzen können als wässrige Lösungen angesehen werden und neigen zum Verlust von Wasser und unterliegen daher einer Zersetzungsreaktion. Die Ergebnisse zeigen, dass das chemische Verhalten der Substanzen einen entscheidenden Einfluss auf die Messungen und deren möglichen Einsatz hat. Die bisherigen Erkenntnisse sind eine gute Grundlage für weitergehende Forschung und Optimierung. N2 - Energy comes in many forms and can be counted among the most important resources. There is great interest in thermal energy, which is generated during the combustion of fossil fuels or as an unused by-product in industry. The heat generated in this way is further converted into electrical energy, among other things. The extraction and further processing of fossil energy sources is finite and their extraction is becoming increasingly expensive due to the ever-increasing costs involved. Renewable energy sources are largely available everywhere and their costs can be calculated in the long term. One way of storing energy in the event of a temporary oversupply is in the form of latent heat. With latent heat storage materials, thermal energy is stored reversibly and the aim is to recover it with virtually no loss. Storage takes place through a phase change, often from solid to liquid. During this process, the sensible heat of the material does not change. At present, kerosenes and fatty acids are mainly used commercially, but inorganic materials are also being used more and more frequently. As part of the work, the melting and crystallization behaviour of latent heat storage materials was investigated using high-throughput screening based on infrared thermography. Based on the data obtained, phase diagrams could be created and evaluated with regard to the position of a eutectic in order to be able to further determine only a few compositions by means of dynamic differential calorimetry. A suitable experimental setup had to be planned, designed and built for these investigations. In this, the samples are subjected to a controlled temperature program and their behaviour is detected with an infrared camera located centrally above the sample matrix. The measuring room was closed for this purpose in order to minimize the effects of external influences. Different substance classes and systems were examined: Fatty acids, salt-water systems and salt hydrates. Based on the data obtained, binary phase diagrams and the position of the eutectic could be determined and these data used for more precise determination using DSC. Based on cycle measurements, it is possible to make a statement on the long-term stability. The investigated systems show different behavior. While the fatty acids exhibited stable behavior, the inorganic systems showed clear instability. Both salt-water systems and salt hydrate melts can be regarded as aqueous solutions and tend to lose water and are therefore subject to a decomposition reaction. The results show that the chemical behavior of the substances has a decisive influence on the measurements and their possible use. The findings to date provide a good basis for further research and optimization. KW - Latentwärmespeicher KW - Infrarot-Thermografie KW - Hochdurchsatzmethode KW - Latent heat storage KW - Infrared thermography KW - High throughput method KW - Latentwärmespeicher KW - Infrarotthermographie KW - Schmelzen KW - Kristallisation KW - Phasendiagramm KW - Eutektikum KW - Differential scanning calorimetry Y1 - 2025 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-70141 ER - 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 -