Entwicklung eines Versuchsstandes zur Untersuchung von Phasenwechselmaterialien (PCM) mit verbesserter Wärmeleitfähigkeit
Creators: name: Oberst, Björn
name: :Unav
Publisher: name: Fraunhofer-Gesellschaft
Year: 2023
Subjects: PCM
Phase Change Material
Versuchsstand
Wärmeleitfähigkeit
thermal conductivity
Instrumentationsverstärker
Schaltung
Messschaltung
Messbereichserweiterung
Messbereichserweiterungsplatine
Messsystem
Raspberry Pi
Phasenwechselmaterial

description: Im Rahmen dieser Masterarbeit ist das Ziel, einen ersten Prototyp eines Wärmestromversuchsstandes zu entwickeln, mit dem es möglich ist, eine Wärmestromdichte von bis zu ± 10.000 W/m², auf ein Phasenwechselmaterial-Objekt zu übertragen. Dabei wurde eine Leiterplatte entwickelt, mit der die Sensorspannung verstärkt und Gleichtaktstörungen gedämpft werden können. Zur Messwertaufzeichnung wurde ein offenes Computersystem benutzt, um die Weiterentwicklung und Transparenz der Messwerterfassung zu ermöglichen. Zu Beginn wurden die Leiterplatten simuliert, um die Machbarkeit und die erwartbaren Ergebnisse abschätzen zu können. Eine Berechnung der erwartbaren Messunsicherheit wurde durchgeführt. Die Leiterplatten wurden aufgebaut, wie auch das Gesamtsystem. Anschließend wurde mit einer Konstantspannungsquelle die Messsignale von den Messkarten erfasst und ausgewertet. Im nächsten Schritt wurden die Wärmeflusssensoren mit einem kalibrierten Folienheizer und die daraus gewonnenen Messergebnisse in Bezug auf die Messabweichungen interpretiert. Abschließend wurde mit einer Probe die entstehende Wärmestromdichte bestimmt und aus dem Messaufbau die Wärmeleitung bestimmt. Der Versuchsstand ist daher in der Lage aus der Wärmestromdichte die Wärmespeicherkapazität und die Wärmeleitfähigkeit bestimmen zu können. Für die Zukunft sollte das Messsystem regelmäßig auf Stabilität der Messwerterfassung hin geprüft werden. Weiterhin muss der Probenbereich thermisch besser isoliert werden, um Energieverluste aus dem Messaufbau zu reduzieren und so Einflüsse aus der Umwelt zu reduzieren. Durch die Offenheit dieses Systems lässt sich die Anwendungsmöglichkeiten erweitern. Beispielsweise kann das System mithilfe einer Server-Client-Architektur die Messdaten automatisch einem Forschungsdatenmanagement zugeführt werden.
description: Within the scope of this master thesis, the aim is to develop a prototype of a heat flux test rig which can transfer a heat flux density up to ± 10,000 W/m² to a phase change material object. In the process, a printed circuit board was developed to amplify the sensor voltage and attenuate common-mode noise. An open computer system was used to record the measured values to enable fur-ther development and transparency of the measured value recording. Initially the circuit boards were simulated to estimate feasibility and expected results. A calculation of the expected measurement uncertainty was performed. The printed circuit boards were set up, as was the overall system. A constant voltage source was then used to acquire and evaluate the measurement signals from the measurement boards. In the next step, the heat flux sensors were calibrated using a calibrated foil heater. The measurement results obtained from this were interpreted in terms of the measurement deviations. Finally, the resulting heat flux density was determined with a sample and the heat conduction was determined from the measurement setup. The test stand is therefore able to determine the heat storage capacity and thermal conductivity from the heat flux density. For the future, the measuring system should be regularly checked for stability of the measured value acquisition. Furthermore, the sample area must be thermally better insulated to reduce energy losses from the measurement setup and thus reduce influences from the environment. Theopenness of this system allows the range of applications to be extended. For example, using a server-client architecture, the system can automatically feed the measurement data to a research data management system.