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Latent storage for low temperature applications

David Kurmann

Titel

Latent storage for low temperature applications

Autor/in

Datierung

07.01.2019

Beschreibung

The Scottish company Sunamp Ltd produces latent thermal storage batteries in which heat or cold is stored using phase change materials (PCM). Sunamp manufactures a variety of batteries with storage temperatures from -5°C to 120°C. Sunamp together with the Lucerne University of Applied Sciences and Arts, have set themselves the goal of developing a latent storage system for cold storage at temperatures between -30°C and -5°C. For low temperature applications in this temperature range there is currently no product available on the market which uses latent storage. The most common way currently used for thermal cold storage at low temperatures, is sensible storage with water-glycol mixtures. The aim of this bachelor thesis is to find PCM which are suitable for use in a low-temperature latent storage.
At first a market analysis was carried out to find out at which temperatures a latent storage could be needed. Afterwards, materials were researched, and candidates were selected. At last the thermal properties of the selected materials were determined in various measurements and experiments.
In the market analysis it was investigated what temperatures are used in the food industry. It was found that temperatures between -30°C to -18°C are used for the transport, the storage and the retail of frozen food. Within this temperature range materials were researched with suitable phase change temperatures. The properties such as phase change enthalpy and toxicity of the found materials were compared, and the most suitable materials were selected for experimental analysis. The eight selected PCM candidates included three eutectic salt water solutions and five are organic compounds of different classes of materials. The selected eutectic water-salt solutions are aluminum nitrate solution (Al(NO3)3), Magnesium chloride solution (MgCl2), and sodium chloride solution (NaCl). The selected organic materials include 1,3-Dibromopropane, 1-Heptanol, n-Decane, Propionic acid and Nonaldehyde. DSC measurements, T-History experiments, and material compatibility experiments were performed with the selected materials. With the DSC measurements the phase change temperature, the melting enthalpy and the specific heat capacity were measured. With the help of the T-History experiment the subcooling could be determined and crystallization could be observed. With the material compatibility experiments, it was possible to determine how the materials behave in combination with copper, steel and aluminum. In addition, a setup was developed and constructed for future cycle stability measurements.
It was shown that the eutectic salt water mixtures have the best thermophysical properties such as enthalpy of fusion and specific heat, however they exhibit a poor compatibility with metals. The organic materials have good thermophysical properties. The organics have good compatibilities with aluminum. The compatibility with copper and steel depends on the material.

Die schottische Firma Sunamp Ltd verkauft und produziert thermische Wärmespeicher-Batterien in denen Wärme oder Kälte mit Phasenwechselmaterialien (PCM) gespeichert wird. Sunamp stellt verschiedene Batterien mit Speichertemperaturen von -5°C bis 120°C her. Sunamp zusammen mit der Hochschule Luzern haben sich das Ziel gesetzt einen Latent-speicher für Kältespeicherung im Temperaturbereich von -30°C bis -5°C zu entwickeln. Für Tieftemperaturanwendungen in diesem Temperaturbereich gibt es noch kein Produkt auf dem Markt, welches latente Speicherung verwendet. Zur Kältespeicherung im Tieftemperatur-bereich wird momentan hauptsächlich sensible Kältespeicherung mit Wasser-Glykol Mischungen eingesetzt. Ziel dieser Bachelor-Thesis ist es PCM zu finden welche für die Anwendung in einem Tieftemperatur Latentspeicher geeignet sind.
Als erstes wurde eine Marktanalyse durchgeführt um herauszufinden bei welchen Temperaturen ein Latentspeicher Anwendung finden könnte. Danach wurden Materialien recherchiert und geeignete Kandidaten wurden ausgewählt. Als letztes wurden die thermischen Eigenschaften der ausgewählten Materialien in verschiedenen Experimenten untersucht.
In der Marktanalyse wurden die Temperaturen in der Lebensmittelindustrie untersucht. Es konnte herausgefunden werden, dass für den Transport, die Lagerung und den Verkauf von tiefgekühlten Lebensmitteln Temperaturen im Bereich von -30°C bis -18°C verwendet werden. Von den Materialien die für diesen Temperaturbereich gefunden wurden, wurden acht ausgewählt die ungiftig sind, günstig sind und eine hohe Phasenwechselenthalpie aufweisen. Von den gewählten Materialien sind drei eutektische Salzwasser-Lösungen und fünf sind organische Verbindungen. Die ausgewählten eutektischen Salzwasser-Lösungen sind Aluminiumnitratlösung (Al(NO3)3), Magnesiumchloridlösung (MgCl2) und Natrium-chloridlösung (NaCl). Die ausgewählten organischen Materialien sind 1,3-Dibrompropan, 1-Heptanol, n-Decan, Propionsäure und Nonaldehyd. Mit den gewählten Materialien wurden DSC-Messungen, T-History Experimente und Materialverträglichkeits-Experimente durch-geführt. Durch DSC Messungen wurde die Phasenwechseltemperatur, die Schmelzenthalpie und die spezifische Wärmekapazität gemessen. Mithilfe des T-History-Experiments konnte das Subcooling bestimmt werden und die Kristallisation beobachtet werden. Mit den Material-verträglichkeits-Experimenten, konnte bestimmt werden wie die Materialien sich in Kombination mit Kupfer Stahl und Aluminium verhalten. Zusätzlich wurde ein Prüfstand für zukünftige Zyklenstabilitätsmessungen ausgelegt und aufgebaut.
Es zeigte sich, dass die eutektischen Salzwasser-Lösungen die besten thermophysikalischen Eigenschaften wie Phasenwechselenthalpie und spezifische Wärmekapizität aufweisen. Die Verträglichkeit der Salzwasser-Lösungen mit Metallen ist mangelhaft. Die organischen Verbindungen besitzen gute thermophysikalische Eigenschaften. Die Verträglichkeit mit Aluminium ist gut. Bei Kupfer und Stahl ist die Verträglichkeit von dem Material abhängig.

Urheberrechtshinweis