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PCM4all - Wärmespeicher für Haushaltgeräte

BMWi

Dr. Jörg Waschull

+49-351-4081-771

abgeschlossen

Phasenstabile PCM im Test

Forschungsergebnisse

Entwicklungsziele des Projektes waren die Energieverbrauchsreduzierung und die Vergrößerung von Lastverschiebungspotenzialen von Haushaltsgeräten. Dazu wurden spezielle polymergebundene PCM-Speichermaterialien entwickelt, charakterisiert sowie Gerätekomponenten aus diesen Materialien gefertigt. Die Speichermaterialien wurden in Wäschetrockner, Geschirrspüler und Kühlgeräte integriert und an Funktionsmustern die Wirksamkeit der PCM-Komponenten getestet. Die Materialentwicklung und Optimierung erfolgte beim Projektpartner TITK. Zu den Arbeitsaufgaben des ILK Dresden zählen im Verbundprojekt sowohl die Auslegung von Bauteilen, deren thermische und mechanische Charakterisierung, Zyklen- und Lebensdauertests als auch Arbeiten bei der konkreten Integration der wärmespeichernden Komponenten in die Geräte. Konkret wurden am ILK Dresden im Rahmen des Projektes unter anderem folgende Ergebnisse erzielt:

  • Entwicklung von Anwendungskonzepten für PCM im Geschirrspüler,
  • Optimierung des Luftströmungskonzeptes für die Speicherkomponente in Wäschetrocknern durch grundsätzliche Betrachtungen und CFD-Simulationen,
  • Nachweis der temperaturstabilisierenden Wirkung von PCM-Platten in Sonderlagerfächern von Kühlschränken durch CFD-Simulationen,
  • Entwicklung, Aufbau und Kalibrierung einer Messvorrichtung zur Bestimmung der Wärmekapazität makroskopischer, plattenförmiger Materialproben in frei wählbaren Temperaturbereichen (Wärmeflussplattenkalorimeter), Charakterisierung verschiedener PCM mit diesem Gerät,
  • Aufbau einer Temperierkammer für eine Universalprüfmaschine, Charakterisierung verschiedener PCM mit dieser Gerätekonfiguration,
  • Entwicklung und Aufbau eines Temperatur-Zyklenprüfstandes für plattenförmige PCM in Luft und Prüfflüssigkeiten, Test verschiedener PCM mit diesem Prüfstand,
  • Entwicklung von Konzepten für die Gestaltung von PCM-Plattenstapel-Speichern mit Flüssigkeitsdurchströmung für den Einsatz im Geschirrspüler,
  • Untersuchung und Optimierung des Strömungsverhaltens in flüssigkeitsdurchströmten, aus mehreren parallel geschalteten Platten bestehenden Wärmeübertragern (Strömungsvisualisierung mittels PIV),
  • Herstellung, Prüfung und Charakterisierung PCM-gefüllter Kunststoffröhrchen für Speichertemperaturen bis 70 °C,
  • Aufbau und Charakterisierung eines Tauchkalorimeters und Messung des Wärmespeichervermögens komplexer Baugruppen für den Wäschetrockner,
  • Aufbau eines Zyklenprüfstandes für die gleichzeitige Temperatur-Zyklierung von vier mit PCM ausgestatteten Kühlschrankverflüssigern unter anwendungsnahen Bedingungen bei Möglichkeit der visuellen Kontrolle, Prüfung von PCM-belegten Verflüssigern mit mehr als 5000 Zyklen,
  • Durchführung von Strömungsvisualisierungen mittels IR-Videographie,
  • Entwicklung eines Tools für die Berechnung der Erstarrungszeiten von PCM-Elementen in Abhängigkeit von geometrischen, stofflichen und thermischen Parametern.

Weitere Details zu einigen Projektergebnissen finden sie in diesem Konferenzbeitrag. Im Rahmen des Projektes wurden verschiedene Mess- und Prüfplätze zur Charakterisierung phasenstabilisierter Phasenwechselmaterialien aufgebaut, die nun auch für externe Prüfaufgaben zur Verfügung stehen.

Wärmeflussplattenkalorimeter

Das Wärmeflussplattenkalorimeter dient der Bestimmung der Wärmespeicherfähigkeit flächiger Materialproben (Verbundwerkstoffe, Baustoffe, Textilien, etc.) in frei wählbaren Temperaturintervallen. Die zu untersuchende Probe befinden sich dabei in einem Sandwichaufbau zwischen - und in engem thermischen Kontakt mit - zwei flüssigkeitsdurchströmten Temperierplatten. Beide Temperierplatten werden von einem Thermostaten über einen externen Fluidkreislauf auf der gleichen Temperatur gehalten. Jeweils zwischen Temperierplatte und Probe ist eine Wärmeflussplatte (WFP) angeordnet. Wird die Temperatur der Temperierplatten geändert, kommt es zu einem Wärmestrom zwischen den Temperierplatten und der Probe, der mit Hilfe der WFP gemessen wird. Aus dem integrierten Wärmeflusssignal lässt sich die der Probe im überstrichenen Temperaturintervall zu- oder abgeführte Wärmemenge bestimmen. Dieses Messverfahren ergänzt die für PCM gängige Untersuchung mittels DSC (differential scanning calorimetry) und besitzt gegenüber dieser folgende Vorteile:

  • Messung makroskopischer Proben (typische Abmessungen 120 mm x 120 mm), dadurch:

            - einfache Probenpräparation,
            - Berücksichtigung der Einflüsse möglicher Materialinhomogenitäten,
            - realistische Bewertung der Unterkühlung,

  • schnelle Messungen durch großflächigen direkten Kontakt zwischen Probe und Temperierplatten,
  • gemeinsame Messung des sensiblen und des latenten Anteils der Wärmespeicherkapazität,
  • Möglichkeit der Untersuchung von Sandwich-Strukturen (dabei Berücksichtigung des Einflusses von Kaschierungen oder Verkapselungen).

Zyklenprüfstand

Im Zyklenprüfstand werden die PCM-Proben thermischen Wechselbeanspruchungen unterzogen. Der dafür erstellte automatisierte Prüfaufbau besitzt folgende Eigenschaften:

  • Probenraumgröße ca. (25 x 25 x 15) cm³,
  • Temperaturbereich ca. -10 °C bis 85 °C,
  • Temperierung der Proben entweder an Luft (dabei Befeuchtungsmöglichkeit) oder in Prüfflüssigkeiten,
  • schnelle Temperaturwechsel durch Nutzung zweier Temperiereinrichtungen,
  • Zyklensteuerung durch Miniatur-Temperaturfühler am/im Prüfling; dadurch Sicherstellen vollständiger Phasenwechsel auch bei voluminösen Prüflingen,
  • Datenerfassung der Temperaturzyklen.

Zur Quantifizierung möglicher Eigenschaftsänderungen durch die thermischen Wechselbeanspruchungen verfügt das ILK Dresden über eine Vielzahl physikalisch-chemischer Analysemethoden.

Mechanische Prüfung

Um die Vorteile phasenstabilisierter Phasenwechselmaterialien umfassend nutzen zu können, müssen Bauteile aus diesen Materialien im gesamten Temperaturbereich gewissen mechanischen Anforderungen genügen. Zur temperaturabhängigen Prüfung dieser Eigenschaften wurde im Rahmen des Projektes eine Universalprüfmaschine um eine Temperierkammer erweitert. Mit dieser Einrichtung lassen sich nunmehr (nicht nur) Phasenwechselmaterialien in folgendem Umfeld  untersuchen:

  • Prüfungen im Temperaturbereich von -80 °C bis 180 °C, ca. 100 l Prüfraum
  • Biege-, Zug- und Druckprüfungen,
  • Möglichkeit laseroptischer Dehnungsmessungen,
  • Möglichkeit der definierten, zyklischen, mechanischen Beanspruchung von Prüflingen bei definierten Temperaturen.

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