Refine
Document Type
- Doctoral thesis (2)
Has Fulltext
- yes (2)
Is part of the Bibliography
- no (2)
Keywords
- Gemisch (2) (remove)
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 anhydrous 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.
Grundlagenuntersuchungen zur Optimierung der technischen Kristallisation von Fettsäuregemischen
(2019)
Trotz der steigenden Nachfrage nach Fettsäuregemischen mit niedrigen gesättigten Anteilen liegen nur relativ wenige Untersuchungen und industrielle Umsetzungen zur Fraktionierung durch Kristallisationsverfahren vor. Die Reduzierung gesättigter Anteilen aus Gemischen gleicher Kettenlängen ist mittels Destillation nicht möglich ist. In dieser Arbeit wurde daher die lösemittelfreie Schmelzkristallisation in Form der Suspensionskristallisation untersucht.
Zur Auslegung und Optimierung von Kristallisationsprozessen ist die Kenntnis der Phasendiagramme und Kristallisationskinetiken von grundlegender Bedeutung.
Daher wurden die thermodynamischen Grundlagen der Kristallisation von Fettsäuregemischen untersucht. Nach der Erarbeitung der Untersuchungs- und Auswertemethoden wurden die zehn binären Systeme aus den fünf Hauptfettsäuren pflanzlicher Fette und Öle mittels DSC analysiert und die Phasendiagramme mit den metastabilen Bereichen sowie Enthalpiediagramme abgeleitet. Durch Modellierung wurden vier ternäre Phasendiagramme konstruiert, wesentliche Charakteristika abgeleitet und in ein Modell zur Berechnung der Phasenumwandlungstemperaturen von Systemen aus den fünf Hauptfettsäuren überführt, welches eine mittlere Abweichung von nur 0,4K und eine Standardabweichung von 0,7K liefert. Zudem konnte erstmals der komplexe Verlauf der Kristallisation von Fettsäuregemischen in den Phasendiagrammen aufgeklärt und beschrieben werden.
Die Kinetik des Kristallwachstums wurde an drei Fettsäuregemischen mit verschiedenen Kühlraten und Zieltemperaturen mittels Polarisationsmikroskopie untersucht. Die eingesetzte Kühlkammer zeigte mit ±0,003 K Temperaturgenauigkeit sehr lineare Temperaturprofile. Die Projektionsfläche der Kristalle wurde, neben den Kristalldichten, aufgrund einer Korrelation zu entsprechenden DSC-Wärmestromkurven als geeigneter Parameter zur Beschreibung des Kristallwachstums erkannt.
Es wurden kinetische Parameter, wie Induktionszeit, Keimbildungsrate, finale Kristalldichte und -fläche sowie die Wachstumsgeschwindigkeiten der Einzelkristalle und des Bulks, ermittelt. Für die zeitliche Entwicklung wurden Modelle für die Berechnung abgeleitet. Zudem erfolgte die Untersuchung der auftretenden Kristallmorphologien, wobei für alle Kristalle eine lanzettförmige Grundstruktur gefunden wurde.
Es wurden Versuche im größeren Maßstab in einem Laborreaktorsystem mit 40ml sowie einem Vibromix- und Wavemixer-System mit jeweils 2l Probenmenge durchgeführt. Zur Überwachung des Kristallwachstums in den Reaktoren wurde ein Laserscanner (FBRM) verwendet.
Versuche mit verschiedenen Kühlraten, Durchmischungsparametern und Zieltemperaturen zeigten den Vorteil einer scherarmen Durchmischung zur Erreichung gut trennbarer Kristallsuspensionen. Die Abtrennbarkeit wurde mittels Druckfiltration und Zentrifugation überprüft, wobei die Druckfiltration mit Ausbeuten an Mutterlauge von bis zu 98% die besten Resultate lieferte.