| dc.description.abstract | Et økende energiforbruk har ført termisk energilagring i rampelyset. Blant ulike tilnærminger i termisk energilagring skiller latent varmelagring seg ut, der varmen lagres ved hjelp av en reversibel faseovergang i et fasovergangsmateriale. I denne avhandlingen diskuteres latent varmelagring i sammenheng med et termisk batteri som brukes til å drive en nyutviklet kokeplate. Gjennom studien diskuteres materialeegenskaper som er essensielle for latent varmelagring, og det fast-fast faseovergangsmaterialet og organiske polyalkoholet pentaerytritol (C5H12O4) vurderes som en potensiell kandidat for applikasjonen.
To eksperimentelle tilnærminger ble brukt for å danne en forståelse av materialets egenskaper innenfor latent varmelagring. Den første tilnærmingen involverte karakterisering av grunnleggende varmelagringsegenskaper som spesifikk varmekapasitet, termisk konduktivitet og termisk ekspansjon av materialet. Her ble teknikker som differensial sveip-kalorimetri, termisk diffusivitets laserflash og røntgendiffraksjon benyttet. Den andre eksperimentelle tilnærmingen besto av tre eksperimentelle veier som undersøkte termisk nedbrytning av materialet og effekten dette hadde på latent varmelagringsevne.
De to første veiene i den andre eksperimentelle tilnærmingen involverte undersøkelse av hvordan atmosfæriske forhold og smelte- og resolidifiseringsprosessen, samt materialets renhet påvirket termisk nedbrytning, latent varmelagringsevne og egenskapene til faseovergangsmaterialet. Eksperimentelle metoder som differensiell skanning kalorimetri, termogravimetrisk analyse med massespektrometri og Raman-spektroskopi ble benyttet. Den tredje og siste eksperimentelle veien undersøkte hvordan varmebehandling ved maksimal driftstemperatur på 220°C i 7 dager påvirket latent varmelagringsevne og egenskapene til faseovergangen. Målet var å bestemme om materialegenskapene ble svekket. For varmebehandlingseksperimentet ble differensial sveip-kalorimetri, Raman-spektroskopi og røntgendiffraksjon benyttet.
Resultatene fra undersøkelsene av pentaerytritol viste en maksimal endoterm faseovergangsentalpi på 311.56 J/g, der faseovergangen startet ved 184.51°C. Spesifikk varmekapasitet ble bestemt til å være mellom 1.43-2.06 J/gK i temperaturområdet 40-160°C. Termisk konduktivitet ble bestemt til å være mellom 0.93-0.56 W/mK i temperaturområdet 25-175°C. Ved hjelp av røntgendiffraksjon ble romtemperaturfasen identifisert som romgruppen I\Bar{4}, og lineære termiske ekspansjonskoeffisienter α_a = 1.72 ⋅ 10^-5 og α_c = 15.39 ⋅
10^-5 ble funnet. Smeltepunktet for materialet ble bestemt til å være 256.2°C i syntetisk luft og 260.0°C i argon. Termisk sykling av materialet viste at høyere materialrenhet og en inert driftsatmosfære var gunstig for høyest varmelagringsevne og minst nedbrytning. Det ble også observert at materialet er svært sårbart for nedbrytning under smelting. Videre resulterte en isotermisk varmebehandling ved 220°C i 7 dager i betydelig nedbrytning av materialet, noe som indikerer at den maksimale temperaturen under drift er avgjørende for materialets ytelse i latent varmelagring.
Denne studien evaluerte innflytelsen av driftsatmosfære, maksimal driftstemperatur og renhet på latent varmelagringsegenskapene til pentaerytritol. Resultatene identifiserte atmosfæren og maksimal driftstemperatur som de to viktigste faktorene som påvirker levetiden og ytelsen, mens renhet spilte en mindre betydelig rolle. | |
| dc.description.abstract | The growing demand for energy consumption has brought thermal energy storage into the spotlight. Among its various approaches, latent heat storage stands out, where the heat is stored using the reversible phase transition of a phase change material. In this thesis, the mode of latent heat storage is discussed in the context of a thermal battery used to power a newly developed cooking stove. Throughout the study, material properties essential to latent heat storage are discussed, and the solid-solid phase change material and organic polyalcohol pentaerythritol (C5H12O4) is considered as a potential candidate for the application.
Two experimental approaches were taken in order to form an understanding of the material's LHS properties. The first approach involved characterizing basic LHS properties such as specific heat capacity, thermal conductivity, and thermal expansion of the material. Here, differential scanning calorimetry, thermal diffusivity laserflash, and X-ray diffraction were utilized. The second experimental approach consisted of three paths investigating the thermal degradation of the material and the effect this had on the LHS properties.
The first two paths of the second experimental approach involved investigating how the atmospheric operating conditions and melting and resolidification process as well as the material's purity would affect thermal degradation, latent heat storage capacity, and the characteristics of the solid-solid phase change of the material. Differential scanning calorimetry, thermogravimetric analysis with mass spectrometry, and Raman spectroscopy were the experimental techniques chosen. The third and final experimental path studied how holding the material at the maximum operating temperature of 220°C for 7 days would affect the latent heat storage capacity and the characteristics of the solid-solid phase transition. The goal was to determine if the material properties were degrading. For the temperature hold experiment, it was made use of differential scanning calorimetry, Raman spectroscopy, and X-ray diffraction were utilized.
The findings from the investigations of pentaerythritol show a maximum enthalpy of change for the endothermic phase change of 311.56 J/g, with the phase transition starting at 184.51\degree C. The specific heat capacity was determined to be between 1.43-2.06 J/gK in the temperature range 40-160°C. The thermal conductivity was determined to be between 0.93-0.56 W/mK in the temperature range 25-175\degree°C. With XRD, the space group I\Bar{4}, and linear thermal expansion coefficients α_a = 1.72 ⋅ 10^-5 and α_c = 15.39 ⋅ 10^-5 were found for the room temperature phase. The melting point of the material was determined to be 256.2°C in synthetic air, and 260.0°C in argon. Thermal cycling of the material showed that the highest purity material and an inert operating atmosphere are favorable for the highest heat capacity, and the least degradation. It was also observed that the material is highly susceptible to degradation during melting. Furthermore, an isothermal hold at 220°C for 7 days resulted in significant degradation of the material, indicating that the maximum temperature during operation is critical to the material's performance in LHS.
This study evaluated the influence of the operating atmosphere, maximum operating temperature, and purity on the latent heat storage properties of pentaerythritol. The findings identified that the atmosphere and maximum operating temperature as the two most critical factors affecting the lifetime and performance, with purity also playing a less significant role. | |
