hansen_titk 2.86 Mb
hansen_titk 2.86 Mb
hansen_titk 2.86 Mb
Sie wollen auch ein ePaper? Erhöhen Sie die Reichweite Ihrer Titel.
YUMPU macht aus Druck-PDFs automatisch weboptimierte ePaper, die Google liebt.
Thüringisches Institut für<br />
Textil- und Kunststoff-Forschung e.V.<br />
„Polymergetragene latente Wärmespeichermaterialien<br />
– Aufbau, Funktion und Anwendungsbeispiele“<br />
i.V. Dipl.Ing. (FH) Gerrit Hansen<br />
Abt. Kunststoff-Forschung<br />
30. Nov. 2010<br />
SmartTex Weimar<br />
1
Zur Person<br />
Dr. Stefan Reinemann:<br />
• geb. am 18.03.1970 in Datteln (Ruhrgebiet)<br />
• Abitur im Mai 1989<br />
• Diplom Chemie Juni 1994<br />
• Promotionsverteidigung Dez. 1998<br />
• ab März 1999 TITK<br />
• ab Jan. 2000 Abt.Ltr. „Kunststoff-Forschung“ im TITK<br />
und „Kunststoff-Prüfung“ in der OMPGmbH<br />
2
Gliederung<br />
• Einleitung<br />
• Herstellung und Aufbau von Wärmespeichergranulaten<br />
• Eigenschaftscharakterisierung<br />
• Verbesserte Wärmeleitfähigkeiten<br />
• Anwendungsbeispiele<br />
• Rubitherm Compound GmbH, Rudolstadt<br />
3
Einleitung: Phasenwechsel- Werkstoffe<br />
Temperatur T<br />
T 2<br />
T melt<br />
T 1<br />
Zur Durchführung eines Phasenwechsels (bspw. Wasser fest, gefroren � flüssig) muss<br />
ein hoher Betrag an Energie zugeführt werden. Der Anstieg der inneren Energie während<br />
eines Phasenwechsels drückt sich aber nicht in einer Temperaturerhöhung aus. Diesen<br />
voll reversiblen, physikalischen Prozess bezeichnet man als Latente Wärmespeicherung<br />
(in [kJ/kg] oder [kWh/m³]).<br />
Einleitung<br />
Das Prinzip der latenten Wärmespeicherung<br />
fest<br />
latente Wärme<br />
Schmelzen<br />
flüssig<br />
Wärmemenge Q<br />
4
Vergleich der Wärmespeicherkapazitäten [kJ/kg]<br />
250<br />
200<br />
150<br />
100<br />
50<br />
0<br />
Einleitung<br />
Wärmespeicherkapazität<br />
in kJ / kg<br />
∆ T = 15 K<br />
Water Stone Wood Plastics Paraffin Salthydrate<br />
Spezielle Phasenwechsel-Materialien weisen bei kleinen Temperaturdifferenzen ein<br />
deutlich größeres Energiespeichervermögen als herkömmliche Materialien auf (vgl.<br />
Paraffin mit Faktor 3 im Vergleich zu reinem Wasser!)<br />
5
Vergleich der Wärmespeicherkapazitäten [kJ/kg]<br />
Temperatur T<br />
Einleitung<br />
T 2<br />
T 1<br />
Wasser<br />
PCM<br />
Q Wasser Q PCM<br />
Zeit t<br />
Bild: Temperaturverläufe u. gespeicherte Wärmemengen von PCM und Wasser<br />
6
Herstellung und Aufbau<br />
Verwendete Produkte: PCM –Paraffin RUBITHERM<br />
• hohe Wärmespeicherkapazität<br />
• ökologisch und toxikologisch unbedenklich<br />
• 100 % recyclebar<br />
• lange Produktlebensdauer<br />
• zyklenstabil<br />
• einfaches Handling<br />
• erhältlich mit Schmelzpunkten von -3 °C und 100 °C<br />
7
Herstellung und Aufbau<br />
Herstellung per Schmelzecompoundierung<br />
Polymer 1 Polymer 2 / Additive / PCM 1 PCM 1 / PCM 2<br />
( Patentauszug )<br />
8
Herstellung und Aufbau<br />
“PK”: Das neue, innovative PCM der Rubitherm Compound<br />
• gebundenes PCM auf Basis eines<br />
Polymer-Trägerwerkstoffes<br />
• auch aus nachwachsenden Paraffinen als<br />
Basis-PCM herstellbar<br />
• erhältlich in verschiedenen Arbeits-<br />
temperaturen und Geometrien<br />
9
Herstellung und Aufbau<br />
“PK”: Das neue, innovative PCM der Rubitherm Compound<br />
10
Herstellung und Aufbau<br />
Latentwärmepulver, kryogene Granulatvermahlung<br />
• Schmelztemperaturen ab 50°C bis 100°C zur<br />
Zeit möglich<br />
• trockenes Produkt, kein PCM-Austritt<br />
• 100% recyclebar<br />
• einfache Handling<br />
• lange Produkt- Lebensdauer<br />
• besonders zur Anwendung in der<br />
Wärmetherapie<br />
11
Eigenschaften des Produktes „PK“:<br />
• Kein Paraffinaustritt (auch nicht in heißem Wasser)<br />
• Große Wärmeübertragungsfläche (bis zu 1 m²/l)<br />
• Sehr hohe Ein- und Ausspeicherleistung (im Bereich kW/kg)<br />
• Zyklenstabil<br />
• Hohe Kapazität (ca. 34 Wh/kg bzw. ca. 22 Wh/l)<br />
• Keine unlösbare oder strömungsdichte Kumulation<br />
• Verschiedene Schmelzbereiche (z. B. 6 / 42 / 52 / 58 und 82 °C)<br />
• Wasser oder Luft als Wärmetransportmedium<br />
• Gesamter Querschnitt wird durchströmt, Speichergeometrie<br />
fast unerheblich<br />
• ungiftig<br />
Paraffin-Polymer-Compound<br />
Granulat „PK“<br />
Herstellung und Aufbau<br />
�<br />
�<br />
-<br />
REM Foto: Einlagerung des<br />
Wärmespeicher-Paraffins in der<br />
Polymermatrix<br />
Feste und „geschmolzene“<br />
Granulatteilchen<br />
Die Schüttung ist immer durchströmbar<br />
12
Zyklentests:<br />
Eigenschaftscharakterisierung<br />
13
Zyklentests:<br />
Einspeicherprozess geladen Ausspeicherprozess entladen<br />
• Ein Granulatspeicher (mit ca. 70% Granulat) ist 2 bis 3 mal kleiner als ein Wasserspeicher<br />
• Die Ein- und Ausspeichertemperatur sind jeweils nahezu gleich und werden von der PCM-<br />
Schmelztemperatur bestimmt<br />
Beispiele als Pufferspeicher für:<br />
• Thermische Solarkollektoren<br />
Eigenschaftscharakterisierung<br />
• Wärmepumpen (kalte und/oder warme Seite)<br />
• Feststoffbrennkessel / Öl-/ Gasbrenner / Klimaanlagen<br />
14
Zyklentests:<br />
Eigenschaftscharakterisierung<br />
15
Zyklentests:<br />
Eigenschaftscharakterisierung<br />
16
Verbesserte Wärmeleitfähigkeiten<br />
TITK Forschungsrichtung: Verwendung von Nanomaterialien<br />
Untersucht wurde die Wirkung mehrwandiger Kohlenstoff-Nanoröhren als<br />
lückenfüllendes bzw. überbrückendes Additiv zusammen mit einer weiteren<br />
Komponente auf das erreichbare Niveau der Wärmeleitfähigkeit der<br />
Polymernanokomposite.<br />
20 µm<br />
verbesserte Wärmeleitfähigkeit<br />
SEM-Aufnahmen mehrwandiger Kohlenstoff-Nanoröhren.<br />
Die MWNT (Nanocyl 7000) liegen in Form von Agglomeraten vor.<br />
2 µm<br />
1 µm<br />
20
Stationäre und dynamische Messverfahren zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit<br />
Heat Flow Meter FOX 50 der Fa. LASER COMP<br />
Wärmestrommesser<br />
Test-<br />
probe<br />
Kühlplatte<br />
Wärmestrommesser<br />
Heizplatte<br />
� k<br />
Wärme-<br />
fluss �<br />
� w<br />
verbesserte Wärmeleitfähigkeit<br />
� =<br />
� . d<br />
A( � w-� k )<br />
d - Probendicke,<br />
A - Fläche<br />
C cal- Kalibrierfaktor<br />
. Ccal<br />
Die Wärmeleitfähigkeit � wird stationär (bei konstantem<br />
Wärmefluss) nach der ASTM C518 und nach ISO 8301<br />
von 0,1 bis 10 W/mK oder nach DIN 52612 bis max. 1<br />
W/mK gemessen.<br />
Ofen<br />
Nanoflash LFA 447 der Fa. Netzsch<br />
Temperatur-<br />
signal =f (Zeit)<br />
Lichtpulse<br />
IR-Detektor<br />
Detektor-<br />
elektronik<br />
Probenwechsler<br />
System-<br />
elektronik<br />
Xenon-<br />
Blitzlichtlampe<br />
� = a (T) . ρ (T) . c p (T)<br />
Die Wärmeleitfähigkeit � wird dynamisch nach der<br />
ASTM E-1461, DIN EN 821 sowie DIN 30905 im<br />
Bereich von 0,05 bis etwa 2000 W/mK gemessen.<br />
23
verbesserte Wärmeleitfähigkeit<br />
Wärmespeichermaterialien mit wärmeleitfähiger Kunststoffmatrix<br />
Zusammensetzung Wärmeleitfähigkeit bei 23°C [W/(m x K)]<br />
PCM Granulat 0,13<br />
PCM Granulat 5% Additiv 0,29<br />
PCM Granulat 10% Additiv 0,34<br />
PCM Granulat 20% Additiv 0,37<br />
26
Anwendungsbereiche von Phasenwechselmaterialien<br />
Pharmaindustrie<br />
medical<br />
Hausgeräte<br />
household appliance<br />
Bauindustrie<br />
building industrie<br />
Nahrungsmittel<br />
food<br />
Anwendungsbeispiele<br />
Automobil<br />
automotiv<br />
Heizungs-/Klimatechnik<br />
Solar<br />
HVCA<br />
P hase<br />
C hange<br />
M aterial<br />
Textilindustrie<br />
textile industry<br />
Sicherheitssysteme<br />
savety systems<br />
Komfortprodukte<br />
convenience products<br />
Transport<br />
Kältetechnik<br />
refrigeration eng.<br />
27
PCM – RUBITHERM-PK-Compound<br />
Beispiel: PK-Pufferspeicher<br />
Bahn eines<br />
Wasserteilchens<br />
(Ausspeicherung)<br />
Anwendungsbeispiele<br />
PK-Schüttung<br />
28
PCM – RUBITHERM-PK-Compound<br />
Beispiel: Pufferspeichereinsatz<br />
Medieneintritt<br />
Wasser<br />
Anwendungsbeispiele<br />
Fußbodenheizung<br />
Niedertemperaturheizkörper<br />
46 / 66°C<br />
Latentwärmespeicher<br />
mit Polymer-PCM<br />
Medienaustritt<br />
Wasser<br />
Brauchwasser-<br />
speicher<br />
Kaltwasser<br />
Warmwasser<br />
Solarthermie<br />
Gastherme<br />
29
Luftgeführter Plattenspeicher –<br />
RUBITHERM RT, SP, CSM oder Granulatspeicher<br />
Einlass für<br />
Aussenluft<br />
Kühlgenerator<br />
Lüfter<br />
Salzhydrat-Mischungen SP in Verbindung mit unserem Kompakt-Speichermodul CSM<br />
eröffnen erstmals innovative Lösungen zur Klimatisierung von Räumen und Gebäuden<br />
mittels PCM-Technologie:<br />
• flexible Speichergrößen realisierbar<br />
• große Wärmeüberragungsflächen<br />
• hohe Speicherdichten<br />
Anwendungsbeispiele<br />
Wärmetauscher<br />
Plattenspeicher<br />
Granulatspeicher<br />
Einblasung in den Raum<br />
30
PCM- Klimatisierung - Energie- Einsparpotentiale -<br />
klassische Raumklimatisierung<br />
80%<br />
Anwendungsbeispiele<br />
20%<br />
Lüfter<br />
Kühlaggregat<br />
Durch die Ausnutzung des Tag-/Nacht-Temperaturgefälles und der zusätzlichen<br />
Zwischenspeicherung der überschüssigen Kälteenergie innerhalb des PCM´s<br />
entstehen große Energie-Einsparpotentiale!<br />
Einsparung<br />
PCM-unterstütze Klimatisierung<br />
50%<br />
30%<br />
20%<br />
31
Medizintechnik – RUBITHERM RT, PX, GR, SP, CSM<br />
Innovative & hocheffektive Produkte und Applikationen für die Wärme- und<br />
Kältespeicherung:<br />
Anwendungsbeispiele<br />
PCM – RUBITHERM Produktanwendungen<br />
• Transportlösungen bspw. für Blutkonserven, Medikamente, Organe etc.<br />
• Wärmetherapie-Produkte (als Kissen, Rollen, Gürtel)<br />
32
Warmhalteelemente –<br />
RUBITHERM RT, PX, GR, CSM oder Granulat (Plattenextrusion, Pressen)<br />
PCM-Warmhalteelemente für Speisentransport & Catering Services:<br />
• konstante & gleichmäßige Wärmeabgabe erhält die Speisentemperatur für einen<br />
langen Zeitraum<br />
Anwendungsbeispiele<br />
• kein Überhitzung und Nachkochen der Speisen<br />
Temperatur T in °C<br />
100<br />
• einfache Benutzung & komfortables Handling (Erwärmen, Reinigung etc.)<br />
90<br />
80<br />
70<br />
60<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
Speisentemperatur<br />
ohne PCM<br />
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170<br />
Zeit in min<br />
Speisentemperatur<br />
mit PCM<br />
33
Anwendungsbeispiele<br />
PCM-Lyocell-Fasern und PCM-Einlegesohlen<br />
34
- Kunststoff- Know- how<br />
- Verarbeitungstechnik<br />
Rubitherm Compound GmbH, Rudolstadt- Berlin<br />
50 50<br />
Technology GmbH<br />
- PCM- Know- how<br />
- Anwendungstechnik<br />
35
Triebkräfte der Entwicklung:<br />
• steigendes Umweltbewusstsein und Bereitschaft zur Investition in<br />
alternative Energien<br />
Rubitherm Compound GmbH, Rudolstadt- Berlin<br />
• steigende Kosten für die Nutzung fossiler Energieträger<br />
Starke Dynamik zur Nutzung von Solarenergie<br />
36
Anforderungen an Latentwärmespeichermaterialien für Solarthermieanlagen<br />
• hohe Speicherkapazität (ab 119 J/g): Erhöhte Performance des Speichers,<br />
Reduzierung des Speichervolumens im Vergleich zu Wasserspeichern<br />
• Zyklenstabilität: (bis 10.000 Zyklen und zum Teil mehr gefordert)<br />
• hohe Be- und Entladeleistung: im kW-Bereich pro Liter für mind. 1-2 Zyklen pro Tag<br />
• umweltverträglich : (keine toxischen Stoffe,wasserneutral)<br />
• auslaufsicher, auch in wässrigen Systemen<br />
• sehr gutes Preis Leistungsverhältnis<br />
Rubitherm Compound GmbH, Rudolstadt- Berlin<br />
Alleinstellungsmerkmal<br />
Rubitherm- Compound !<br />
37
Strategie:<br />
Rubitherm Compound GmbH, Rudolstadt- Berlin<br />
I Durchführung von Referenzprojekten<br />
direkter Kooperation mit ausgewählten Kunden in den Bereichen:<br />
Solarthermie<br />
Medizintechnik<br />
II Kleintonnagige Produktion am Standort Rudolstadt mit bis zu 300 To/a<br />
Realisierung über neue Compoundanlage der OMPG<br />
(Förderung durch TAB, Inbetriebnahme im Jan. 2010 erfolgt)<br />
III Produktion am Standort Rudolstadt als Geschäftsfeld der<br />
Rubitherm Compound GmbH<br />
Zielstellung 2011: 1000 To/a Schaffung 15 neuer Arbeitsplätze<br />
Zielstellung 2012: 1500 To/a 5 neue Arbeitsplätze<br />
38
Strategie:<br />
Rubitherm Compound GmbH, Rudolstadt- Berlin<br />
IV Erweiterung der Produktpalette über Nutzung der gesamten Palette der<br />
Kunststofftechnik<br />
Folien<br />
Platten<br />
Spritzgussartikel<br />
V Fertigung eigener Wärmespeicher in Kooperation mit kompetenten<br />
Partnerunternehmen aus Thüringen<br />
Bau von Demonstrationsanlagen am TITK oder OMPG<br />
(aktuelle Erweiterungspläne beinhalten bereits die Implementierung einer mit Rubitherm<br />
Compound Granulat ausgerüsteten Wärmespeicheranlage!!!)<br />
Investition in Technikums- Speicheranlagen für Optimierungsprozesse zur Auslegung<br />
von Wärmespeichern<br />
Sicherung und Schaffung zusätzlicher Arbeitsplätze in Thüringen !<br />
39
Dirk Büttner<br />
Managing Director<br />
� +49 (0)30 720004 - 64<br />
� +49 (0)30 720004 - 44<br />
Email: dirk.buettner@rubitherm.com<br />
www.rubitherm.com<br />
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!<br />
Dr. Stefan Reinemann<br />
Head of the Plastic Research Department<br />
� +49 (0)3672 379 – 400<br />
� +49 (0)3672 379 – 379<br />
Email: reinemann@<strong>titk</strong>.de<br />
www.<strong>titk</strong>.de<br />
40
Change language