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PCM – Phasenwechselmaterial


Phasenwechselmaterial

Ein zweites Wärmereservoir ist die einfache Erhöhung der Temperatur ohne Phasenwechsel. Für solche Anwendungen sollten die spezifische Wärmekapazität des Speichermaterials sowie seine Dichte hoch sein, um ein Maximum an Wärme auf einem Minimum an Material/Raum (Speicherkapazität) zu speichern. Dieser Effekt wird für die Klimatisierung von Gebäuden und deren thermische Behaglichkeit genutzt. Um gut Energie vom PCM an die Umgebung zu übertragen, sollte es zudem auch eine hohe Wärmeleitfähigkeit haben.

Phasenwechselmaterialien sollten daher folgende Eigenschaften aufweisen:

  • eine hohe Speicherkapazität oder latente Wärme pro Volumen. Dies wird erreicht, wenn die molare Schmelzwärme hoch ist und gleichzeitig eine hohe Dichte und eine hohe spezifische Wärmekapazität vorliegt.
  • eine hohe Wärmeleitfähigkeit für einen schnellen Wärmeaustausch zwischen dem PCM und der Umgebung
  • eine hohe Keimbildungsrate, um Unterkühlung zu vermeiden und den Phasenwechsel bei der Betriebstemperatur zu erreichen.
  • eine geringe Volumenänderung während des Phasenübergangs, um mechanische Belastungen der Behälter und Risse in der festen Phase zu vermeiden.
  • niedrige Kosten pro gespeicherter Energie und gute Verfügbarkeit
  • hohe chemische Stabilität ohne Zersetzung, so dass viele Schmelz-/Gefrierzyklen möglich sind.

PCM können in zwei Gruppen unterteilt werden: organische und anorganische Stoffe. Organische Materialien (hauptsächlich Kohlenwasserstoffe, Paraffine und Fette, aber auch Kohlenhydrate) haben niedrigere Betriebstemperaturen als anorganische Stoffe und einige andere Vorteile wie ihre thermische und chemische Stabilität. Die Nachteile von organischen Materialien im Vergleich zu anorganischen sind jedoch die Entflammbarkeit, die relativ geringe Wärmespeicherkapazität und die niedrige Wärmeleitfähigkeit. Anorganische PCM sind hauptsächlich Salzhydrate und Salze. Die meisten von ihnen haben hohe Betriebstemperaturen und sind zu niedrigen Kosten erhältlich. Nachteilig ist, dass sie korrosiv sein können und oft eine große Volumenänderung erfahren.

Verschiedene Anwendungen erfordern unterschiedliche Betriebstemperaturen, die dem Schmelzpunkt des PCMs entsprechen. Die Betriebstemperaturen können von Temperaturen nahe der Raumtemperatur (für die meisten organischen PCM, aber auch für einige anorganische wie hydratisiertes Lithiumnitrat (LiNO3*3 H2O)) bis zu einigen hundert Grad Celsius (für anorganische wie Alkalimetallsalze) reichen.

Die Thermische Analyse ist ein sehr leistungsfähiges Instrument zur Entwicklung und Charakterisierung von PCMs:

Die Thermogravimetrie (TGA) wird zur Untersuchung der thermischen Stabilität oder der Zersetzung eingesetzt. Die Differential-Scanning-Kalorimetrie (DSC) wird nicht nur zur Messung der Schmelztemperatur (Betriebstemperatur) und der Schmelzenthalpie verwendet, die nützliche Informationen über die Speicherkapazität liefern, sondern auch zur Messung der spezifischen Wärmekapazität (Cp).

Es sind zudem zahlreiche Techniken zur Messung der Wärmeleitfähigkeit bekannt, wobei die Heizdrahtmethode die leistungsfähigste für PCM-Anwendungen ist. Andere Methoden sind Wärmeflussverfahren und die Laser-Flash-Methode. Bei allen Methoden der Wärmeleitfähigkeitsmessung ist die besondere Herausforderung, genau während des Phasenwechsels eines PCM verlässliche Daten zu erhalten, weswegen die schnelle Heizdrahtmethode hier entscheidende Vorteile hat.