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CT Temperiervorrichtung

Cyrill Waser

Titel

CT Temperiervorrichtung

Autor/in

Datierung

09.06.2023

Beschreibung

Die Untersuchung der Schmelz -und Erstarrungsverhalten von Phasenwechselmaterialien (Phasechange-
materials, PCM) spielt in der Forschung von thermischen Energiespeichern (TES) eine
bedeutende Rolle. Um ein PCM beim Erstarren und Schmelzen zu untersuchen, verwendet man an
der Hochschule Luzern Technik & Architektur unter anderem einen Röntgen-Computertomographen
(CT). Dank des CT-Instruments hat man die Möglichkeit die PCM-Probe in digitalen 3DRekonstruktion
darzustellen, um damit beispielsweise Lufteinschlüsse oder die Orientierung der
gebildeten Kristalle zu bestimmen.
Die Problemstellung dieser Arbeit ist, dass der Innenraum des CTs eine Temperatur von 20°C hat,
und eine PCM-Probe im CT somit immer den Aggregatszustand bei 20°C anstrebt. Dieser Prozess
kann mittels Isolation zwar verlangsamt, jedoch nicht gestoppt werden. Wenn man z.B. das PCM
Natriumacetate-Trihydrate (SAT) mit einem Schmelzpunkt von 58°C untersuchen möchte kann man
es ausserhalb des CTs erwärmen auf über 58°C, bis es geschmolzen ist. Sobald man die
Wärmezufuhr aber stoppt und die SAT-Probe in den CT stellt, wird sich das SAT unweigerlich den
20°C angleichen und wieder erstarren. Um das zu verhindern und der Probe aktiv Wärme zu -oder
abzuführen, wird im Rahmen dieser Arbeit eine CT-Temperiervorrichtung entwickelt, um die
beschriebene Problematik zu lösen.
Im Laufe des Entwicklungsprozesses ist eine der wichtigsten Fragestellungen, wie die
Wärmeerzeugung und Kältebereitstellung realisiert wird. Auf Grund der Vor- und Nachteile der
verschiedenen Möglichkeiten entscheidet man sich für die Verwendung von Peltier-Elementen. Es
werden zwei unterschiedliche Peltier-Elemente Verwendet. Zum einen ein 118 W Peltier-Element mit
einer sehr guten Kühl-performance aber einer maximalen Verwendungstemperatur von 100°C und
zum anderen ein 204 W Peltier-Element, das sich als besser geeignet für Heizprozesse herausstellt.
Das 204 W Peltier-Element hat zudem eine maximale Verwendungstemperatur von 160°C. Aufgrund
der Temperaturbereiche werden, zwei Vorrichtungen hergestellt. Eine Vorrichtung für den
Temperaturbereich von -30 bis 100°C mit den 118 W Peltier-Elementen sowie eine Vorrichtung für
den Heizbetrieb bis 160°C mit den 204 W Peltier-Elementen.
Um die Grenzen und Möglichkeiten der Vorrichtungen sowie die Performance während einer CTUntersuchung
zu evaluieren, werden diverse Tests durchgeführt. Die Testversuche zeigen, dass die
Vorrichtungen funktionieren und es möglich ist PCM-Proben im Bereich von -30 bis 160°C zum
Schmelzen und Erstarren zu bringen. Die maximale Kühlleistung, die bei -30°C
Vorrichtungstemperatur von den beiden Peltier-Elementen erbracht wird, beträgt 36 W. Die
Heizleistung ist bedeutend grösser, da diese aus einem Grossteil der elektrischen Leistung besteht.
Die während den Tests maximal erreichte Heizleistung beträgt ca. 240 W. Die Testversuche haben
ebenfalls gezeigt, dass sich die Kühlleistung verbessert, umso besser die Wärme an der «heissen»
Peltier-Element Seite abgeführt werden kann. Je nach Temperatur, können die Messungen bis zu 2h
dauern. Eine lange Messzeit ist dabei nicht zwingend ein Nachteil. Um möglichst
qualitative/kontrastreiche CT-Rekonstruktionen zu kriegen ist es von Vorteil, wenn der
Phasenwechsel langsam voranschreitet.
Um den Phasenwechsel des PCMs möglichst genau anzusteuern, und dem zufolge untersuchen zu
können, wäre es ideal, wenn die Peltier-Elemente auf die PCM-Temperatur geregelt werden könnten.
Dies Stellt sich im Verlauf der Arbeit als eine der grössten Herausforderungen dar, denn es gibt
innerhalb der Vorrichtung eine zeitliche Temperaturdifferenz zwischen der Vorrichtungstemperatur
nahe der Peltier-Elemente, und der Temperatur des PCMs. Bei der Temperaturregelung der Peltier-
Elemente auf die Temperatur der Vorrichtung nahe der Probe, beginnt die Regelung stark zu Unter
-und Überschwingen. Es ist nicht möglich die Regelung befriedigend einzustellen. Diese Problematik
kann in der vorliegenden Arbeit leider noch nicht gelöst werden und zeigt, wo es unteranderem noch
Verbesserungspotenzial gibt.

The investigation of the melting and solidification behaviour of phase change materials (PCMs) plays
a significant role in the research of thermal energy storage (TES). At the Lucerne University of
Applied Sci-ences and Arts, the X-ray computed tomography (CT) is used, among other methods, to
examine a PCM during its solidification and melting processes. With the CT instrument, it is possible
to represent the PCM sample in a digital 3D reconstruction, allowing for the determination of air
inclusions or the orientation of formed crystals, for example.
The problem addressed in this work is that the interior of the CT has a temperature of 20°C, and
therefore, the PCM always tends to reach its state at 20°C. While insulation can slow down this
process, it cannot stop it. For instance, if one wants to investigate the PCM sodium acetate trihydrate
(SAT) with a melting point of 58°C, it can be heated outside the CT to a temperature above 58°C
until it is melted. However, once the heat supply is stopped, and the SAT sample is placed in the CT,
it will inevitably adjust to 20°C and solidify again. To prevent this and actively transfer heat to or
from the sample, a CT temperature control device is being developed within the scope of this work to
address the described issue.
During the development process, one of the most important questions is how to realize heat
generation and cooling provision. Considering the advantages and disadvantages of various
possibilities, the decision is made to use Peltier-elements. Two different Peltier-elements are being
used: a 118 W Peltier-element with excellent cooling performance but a maximum operating
temperature of 100°C, and a 204 W Peltier-element that proves to be more suitable for heating
processes. The 204 W Peltier-element also has a maximum operating temperature of 160°C. Due to
these temperature ranges, two devices are constructed: one for the temperature range of -30 to
100°C utilizing the 118 W Peltier-elements, and another for heating operations up to 160°C using the
204 W Peltier-elements. To evaluate the limits, capabilities, and performance of the devices during a CT examination, several
tests are conducted. The test experiments demonstrate that the devices work and make it possible to
melt and solidify PCM samples in the range of -30 to 160°C. The maximum cooling power provided
by both Peltier-elements at a device temperature of -30°C amounts to 36 W. The heating power is
significantly higher as it constitutes a majority of the electrical power. The maximum heating power
achieved during the tests is approximately 240 W. The test experiments also show that the cooling
performance improves when heat can be dissipated more effectively at the "hot" side of the Peltier
element. Depending on the temperature, the measurements can take up to 2 hours. A long
measurement time is not necessarily a disadvantage, as a slow phase change progression is
advantageous for obtaining qualitative and high-contrast CT reconstruc-tions.
In order to precisely control the phase change of the PCMs and investigate them accordingly, it would
be ideal to regulate the Peltier elements to the temperature of the PCM. However, this proves to be
one of the greatest challenges throughout the work because there is a temporal temperature
difference within the device between the temperature near the Peltier-elements and the temperature
of the PCM. When attempting to regulate the Peltier-elements to the temperature of the device near
the sample, the regulation starts to oscillate significantly, leading to undershooting and overshooting.
Satisfactorily adjusting the regulation is not possible. Unfortunately, this issue cannot be resolved in
this present work, highlighting areas for potential improvement.

Urheberrechtshinweis