Show simple item record

dc.contributor.advisorTangstad, Merete
dc.contributor.advisorSafarian, Jafar
dc.contributor.authorSellevoll, Kathrine
dc.date.accessioned2019-10-19T14:02:14Z
dc.date.available2019-10-19T14:02:14Z
dc.date.issued2019
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11250/2623359
dc.description.abstractArbeidet i denne avhandlingen har vært en del av EU-prosjektet AMADEUS, som undersøker nye faseendrende materialer (PCM) for "Latent Heat Thermal Energy Storage" (LHTES) systemer. Det overordnede målet for AMADEUS-prosjektet er å designe et nytt LHTES system med større potensial til å lagre termisk energi ved høyere temperaturer enn dagens LHTES systemer. For å oppnå dette har legeringer med høye smeltepunkt og høye smelteenthalpier blitt undersøkt som mulige PCM kandidater. Eutektisk FeSiB legering med 64.2 wt% Fe, 26.4 wt% Si og 9.4 wt% B er undersøkt og etablert som den mest lovende PCM legeringen for den tiltenkte anvendelsen i LHTES systemer. AMADEUS-prosjektet avsluttes i 2019, og hovedmålene i denne studien har vært: - Å undersøke forskjellige FeSi legeringer som alternative kandidater til eutektisk FeSiB legering, som PCM legering i grafittdigler. Dette på grunn av den høye prisen på bor som råmateriale. - Å undersøke om ulike forbehandlinger ville påvirke interaksjonene mellom eutektisk FeSiB legering og grafittdigler. - Å produsere en 5 kg prototype PCM legering i en spesiallaget grafittdigel som blir testet i et prototype LHTES system hos vår prosjektpartner og AMADEUS prosjektkoordinator, Instituto de Energía Solar - Universidad Politecnica de Madrid (IES-UPM). Tre forskjellige FeSi legeringer ble valgt ut for å bli undersøkt som mulige PCM legeringer, basert på deres høye smeltetemperaturer og smelteentalpier. Legeringene var Fe-21.89Si, Fe-33.54Si og Fe-50.80Si, hvor tallet x i Fe-xSi representerer wt% silisium i legeringen. Eksperimenter som simulerer LHTES systemer med temperatursykluser over og under legerings smeltepunkt ble gjennomført. Deretter ble mikrostrukturen av legeringene i grafittdiglene undersøkt med "Electron Probe Microanalysis" (EPMA), og "Light Optical Microscopy" (LOM) ble brukt for å undersøke gjennomtrengelsen av silisium i grafittdiglene. SiC partikler ble oppdaget i mikrostrukturen og ble funnet nesten overalt i alle prøvene. Ulike fasesammensetninger enn forutsett av Fe-Si fasediagrammet, ble funnet i alle prøvene med FeSi legering. Siden SiC hadde blitt produsert ved reaksjonen mellom flytende silisium i FeSi legeringen og karbonet i grafittdigelen, hadde alle sammensetninger av de tre FeSi legeringene blitt forskjøvet til en mer jernrik sammensetning i Fe-Si fasediagrammet. Fe-21.89Si var den kjemisk mest stabile FeSi legeringen av de tre undersøkte legeringene, med minst mengde SiC i prøvene og nærmest den antatte fasesammensetningen. Analysen fra LOM viste at nesten alle FeSi legeringer hadde fuktet og gjennomtrengt grafittdigelen. Jo høyere silisiuminnhold i FeSi legeringen, jo mer vil legeringen fukte og trenge inn i grafittdigelen. Fe-50.80Si legeringen var dermed den legeringen som fuktet og gjennomtrengte grafittdiglene mest. Det antas at en digel laget av SiC eller en grafittdigel med et SiC belegg på innsiden, kan hindre legeringene i å interagere med digelen. Fe-33.54Si har vist seg å være den mest lovende FeSi legeringen til applikasjonen som PCM, basert på dens høye smeltentalpi og smeltetemperatur. Avvikende observasjoner ble gjort av interaksjonene mellom eutektisk FeSiB legering og grafittdiglene av NTNU og vår prosjektpartner, the Foundry Research Institute (FRI) i Krakow. Undersøkelser ble gjennomført for å undersøke om ulike forbehandlinger kunne påvirke resultatene. Både forvarming av grafittdigelen og syrevasking av legeringen ble utført, i forkant av forsøkene med temperatursykluser. Imidlertid kan ingen sammenheng mellom forskjellige forbehandlinger og mengden av interaksjoner observeres. Naturlig variasjon i legeringens sammensetning eller i grafittdiglene kan være årsaken til avvikende resultater. Ukjente fremgangsmåter i drift under eksperimentene kan også være en mulig årsak. Forsker Sethulakshmy Jayakumari (NTNU) og forfatteren produserte prototype PCM legeringer i digler som skal sendes til prosjektkoordinatoren IES-UPM, for endelig testing i prototype LHTES systemet. Digelen vil fungere som beholder rundt PCM legeringen i det endelige LHTES systemet. De fire prototyper som ble produsert i denne avhandlingen var: - Eutektisk FeSiB legering i en grafittdigel - Eutektisk FeSiB legering i en grafittdigel med et indre belegg av SiC - Fe-33.54Si legering i en grafittdigel - Fe-33.54Si legering i en grafittdigel med et indre belegg av SiC Produksjonen av prototyper ble ansett som vellykket, og FeSiB legerings mikrostruktur ble undersøkt med EPMA. Mikrostrukturen samsvarer med mikrostrukturen som ble funnet i de små skala FeSiB legeringseksperimentene utført av tre andre forskere fra NTNU. Eutektisk FeSiB-legering med 64.2 wt% Fe, 26.4 wt% Si og 9.4 wt% B er den mest lovende kandidaten som PCM for bruk i LHTES systemene. Fe-33.54Si har også egenskaper som gjør legeringen til en mulig kandidat for den aktuelle applikasjonen. Interaksjonene observert mellom Fe-33.54Si legeringen og grafittdigelen kan muligens reduseres ved å bytte grafittdigelen ut med en digel av SiC eller en grafittdigel med et indre belegg av SiC.
dc.description.abstractThe work in this thesis has been a part of the EU-project AMADEUS, which is investigating new phase change materials (PCMs) for latent heat thermal energy storage (LHTES) systems. The overall objective for the AMADEUS project is to design a new LHTES system with greater thermal energy storage potential at higher temperatures, than today's LHTES systems. In order to achieve this, alloys with high melting points and high enthalpies of fusion have been investigated as possible PCM candidates. Eutectic FeSiB alloy with 64.2 wt% Fe, 26.4 wt% Si and 9.4 wt% B has been investigated and established as the most promising PCM alloy for the intended application. The AMADEUS project is coming to an end in 2019, and the main objectives in this thesis have been: - To investigate different FeSi alloys as possible and alternative candidates to eutectic FeSiB alloy as a PCM alloy in graphite crucibles, due to the high price of boron. - To investigate if different pretreatments would affect the interaction between eutectic FeSiB alloy and graphite crucibles. - To produce a 5 kg prototype PCM alloy in a crucible that will be tested in the prototype LHTES system at our partner institute and AMADEUS project coordinator Instituto de Energía Solar - Universidad Politécnica de Madrid (IES-UPM). Three different FeSi alloys were selected to be investigated as possible PCM alloys, based on their high melting temperatures and enthalpies of fusion. The alloys were Fe-21.89Si, Fe-33.54Si and Fe-50.80Si, where the number x in Fe-xSi represent the wt% silicon in the alloy. Experiments simulating LHTES systems with temperature cycles over and under the alloys' melting points where conducted. Then, the microstructure of the alloys in the graphite crucibles were investigated using Electron Probe Microanalysis (EPMA), and Light Optical Microscopy (LOM) was used to investigate the silicon penetration in the graphite crucibles. The microstructure revealed that SiC particles had been produced and was found almost everywhere in all samples. Different phase compositions than predicted by the Fe-Si phase diagram were found in all FeSi alloy samples. Since SiC had been produced by the reaction between liquid silicon in the FeSi alloy and the carbon in the graphite crucible, all compositions of the three FeSi alloys had shifted to a more iron rich composition in the Fe-Si phase diagram. Fe-21.89Si was found to be the chemical most stable FeSi alloy out of the three, with least amount of SiC in the samples and closest to the predicted composition. The analysis from LOM revealed that almost all FeSi alloys had wet and penetrated the graphite crucible. The higher silicon content in the FeSi alloy, the more will the alloy wet and penetrated the graphite crucible. Hence, Fe-50.80Si was the alloy that wet and penetrated the graphite crucibles the most. It is believed that a SiC crucible or a SiC coated graphite crucible could prevent the alloys from interacting with the crucible. The Fe-33.54Si was determined to be the most promising FeSi alloy in the application as a PCM, due to its high enthalpy of fusion and melting temperature. Deviating observations regarding the interactions between eutectic FeSiB alloy and graphite crucibles were made by NTNU and our partner institute, the Foundry Research Institute (FRI) in Krakow. Investigations were conducted in order to investigate if different pretreatments could affect the results. Both preheating of the crucible and leaching of the alloy were conducted, prior to temperature cycle experiments. However, no correlation between different pretreatments and the amount of interactions could be found. Natural variation in the alloy's composition or in the graphite crucibles could be the reason for the deviating results. Undiscovered differences in operation during experiments could also be a possible reason. Researcher Sethulakshmy Jayakumari (NTNU) and the author produced prototype PCM alloys in crucibles that will be sent to the project coordinator, IES-UPM, for final testing in the prototype LHTES system. The crucible will function as the vessel unit in the finished LHTES system. The four prototypes produced in this thesis were: - Eutectic FeSiB alloy in a graphite crucible - Eutectic FeSiB alloy in a graphite crucible with an inner coating of SiC - Fe-33.54Si alloy in a graphite crucible - Fe-33.54Si alloy in a graphite crucible with an inner coating of SiC The production of the prototypes was considered successful, and the FeSiB alloy's microstructure was investigated with EPMA. The microstructure match the microstructure found in the small scale FeSiB alloy experiments conducted by three other researchers from NTNU. Eutectic FeSiB alloy with 64.2 wt% Fe, 26.4 wt% Si and 9.4 wt% B is the most promising candidate as a PCM for the application in the LHTES systems. Fe-33.54Si has also properties that make this alloy a possible candidate for this application. The interactions observed between the Fe-33.54Si alloy and the graphite crucible can possibly be reduced by changing from a graphite crucible to a SiC crucible, or a SiC coated graphite crucible.
dc.languageeng
dc.publisherNTNU
dc.titleInteractions of FeSi Alloys with Graphite Crucibles
dc.typeMaster thesis


Files in this item

Thumbnail

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record