Sononucleation of inorganic phase change materials [Elektronische Ressource] / Eva Doris Günther

Eva Günther

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• Publié par: technische_universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 62
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 26 Mo

Extrait

Sononucleation
of Inorganic
Phase Change Materials
Dissertation
von
Eva Günther
Physik-DepartmentTECHNISCHE UNIVERSITÄT MÜNCHEN
Lehrstuhl E19, Physik-Department
Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e. V.
Sononucleation of inorganic phase
change materials
Eva Doris Günther
Vollständiger Abdruck der von der Fakultät für Physik der Technischen Universität
München zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.)
genehmigten Dissertation.
Vorsitzender:
Univ.-Prof. Dr. Martin Zacharias
Prüfer der Dissertation:
1. Univ.-Prof. Dr. Ulrich Stimming
2. Univ.-Prof. Dr. Wolfgang Voigt, Technische Universität Bergakademie Freiberg
Die Dissertation wurde am 25.08.2009 bei der Technischen Universität München
eingereicht und durch die Fakultät für Physik am 20.01.2011 angenommen.Abstract – Kurzfassung
Abstract
Many inorganic phase change materials, and particularly salt hydrates, show strong
subcooling, which has negative effects on their performance as heat or cold storage
materials. In this work, a suggested reduction of subcooling by ultrasonic treatment
(“sononucleation”) was investigated. The nucleation temperature as function of pres-
sure was experimentally quantified up to 800 MPa for three salt hydrates. Various
experiments showed that sononucleation is an effective, robust and reliable technique
for solidifying water, but ineffective for solidifying salt hydrates. Contrary to what is
proposed in literature, it is shown that peak pressures during cavitation in the ultra-
sonic field cannot be made responsible for sononucleation. Instead, sononucleation
could be explained by a surface mechanism, which is effective in pure substances or
solutions, but not in salt hydrates.
Kurzfassung
Viele anorganische Phasenwechselmaterialien, insbesondere Salyhydrate, zeigen deut-
liche Unterkühlung. Unterkühlung verzögert die Kristallisation und behindert den
Einsatz der Materialien als Energiespeichermedien. In dieser Arbeit wurde die Aus-
lösung der Kristallisation mit Hilfe von Ultraschall (Sononukleation) untersucht. Die
Nukleationsdruckkurve T (p) der Salzhydrate wurde experimentell im Bereich bisn
800 MPa quantifiziert. Ultraschall wurde im Experiment als effektive und robuste
Nukleationsmethode für Wasser bestätigt, aber als wirkungslos für die Salzhydrate
befunden. Es wurde gezeigt, dass die durch Kavitation im Ultraschallfeld erzeugte
Druckspitzen die Sononukleation im Wasser nicht auslösen können. Ein Oberflächen-
mechanismus kann aber die experimentellen Beobachtungen in den verschiedenen
Stoffsystemen zufriedenstellend erklären.
iContents
Contents
1. Background and motivation 1
1.1. Thermal energy storage (TES) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1. Relevance of TES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.2. Sensible and latent heat storage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2. Phase change materials (PCM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.1. Organic PCM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.2. Inorganic PCM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3. Subcooling and nucleation in latent heat storages . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3.1. Effect of subcooling on storage performance . . . . . . . . . . . . . 7
1.3.2. Reduction of subcooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3.3. Aim of this work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2. Theory and context 11
2.1. Theory of phase change and nucleation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.1. Stable phases – equilibrium thermodynamics . . . . . . . . . . . . 11
2.1.2. Subcooling – stabilizing the mother phase . . . . . . . . . . . . . . 16
2.1.3. Nucleation 1 – general concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.1.4. Nucleation 2 – more types of nucleation . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.1.5. Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.2. Context . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2.1. Melting and nucleation temperatures . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2.2. Nucleation mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.2.3. Physical conditions in insonicated liquids . . . . . . . . . . . . . . 38
2.2.4. Investigations of sononucleation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.2.5. Summary of the scientific context of this work . . . . . . . . . . . . 48
3. Experimental work 49
3.1. General considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.1.1. Sample substances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.1.2. Containers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.1.3. Time scales in nucleation experiments . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.2. Determination of the nucleation temperature at normal pressure . . . . 62
3.2.1. Setup and procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.2.2. Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
iiiContents
3.3. Determination of melting and nucleation temperatures at high pressures 69
3.3.1. Setup and procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.3.2. Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.4. Observation of the samples under ultrasonic treatment . . . . . . . . . . 77
3.4.1. Setup and procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.4.2. Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.5. Determination of the speed of solidification . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.5.1. Setup and procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.5.2. Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4. Discussion 93
4.1. General limitations of theory and experiment . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.1.1. Small clusters and the early stage of nucleation . . . . . . . . . . . 93
4.1.2. Application of nucleation theory to inorganic PCM . . . . . . . . . 98
4.1.3. Interpretation of nucleation experiments . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.2. Discussion of new experimental data from this work . . . . . . . . . . . . 107
4.2.1. General issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.2.2. Nucleation by static pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4.2.3. Nucleation under ultrasonic irradiation . . . . . . . . . . . . . . . . 118
4.3. New insights in sononucleation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.3.1. Statistics in static nucleation and sononucleation . . . . . . . . . . 123
4.3.2. Theory of nucleation by a direct pressure mechanism . . . . . . . 126
4.3.3. Other mechanisms that could explain sononucleation . . . . . . . 132
4.4. Conclusions and outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
4.4.1. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
4.4.2. Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
5. Summary 139
6. Acknowledgements 141
A. Indexes A-1
A.1. Publications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-1
A.2. Nomenclature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-2
A.3. Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-5
B. Appendix B-1
B.1. Are quantum effects relevant? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-1
B.2. Pressure dependency of the critical radius . . . . . . . . . . . . . . . . . . B-3
B.3. Analysis of high pressure melting and nucleation curves . . . . . . . . . . B-5
B.4. Effect of variable compressibility on adiabatic heating . . . . . . . . . . . B-8
B.5. Effect of evaporative cooling during cavitation . . . . . . . . . . . . . . . . B-12
B.6. Details of the observations of solidifying salt hydrates . . . . . . . . . . . B-14
iv1. Background and motivation
In this chapter, the background and motivation of this work is presented. First, thermal
energy storage as an important technology in the energy supply and demand system is
introduced. The advantage of latent heat storage compared to sensible heat storage
is explained next. Then, materials used as latent heat storage media are introduced
with their specific advantages and limitations. In particular, the problem of subcooling
and nucleation in inorganic phase change materials is presented, and the need for new
solutions is demonstrated.
1.1. Thermal energy storage (TES)
Energy storage is a main approach to manage mismatch between power demand and
supply. The storage of energy in form of heat or cold is called thermal energy storage.
Although other forms of energy storage such as electro-chemical (e.g. in batteries),
electrical (e.g. in capacitors) or potential (e.g. in reservoirs for hydropower plants)
are more widely-used and well-known today, thermal energy storage is an important
technology and a key concept in energy efficient systems.
1.1.1. Relevance of TES
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