Servus, es geht um einen Aufbau zur instationären Wärmeleitfähigkeitsbestimmung bei Batteriezellen (100x100x10mm). Dabei soll durch eine Leuchtquelle die Batterie auf der einen Seite pulsartig (da instationär) erhitzt und auf der anderen Seite die Veränderung der Temperatur gemessen werden. Fragen: a) Weis jemand wie lange diese Impulserwärmung anhalten darf, damit man sicher noch im instationären Fall sich befindet? Gibts dafür eine Regel oder gar Formel? b) Welche Leistung muss eine solche Wärmeleuchte aussenden können? Hat da jemand eine Idee? Vielen Dank schon einmal im Voraus!
Sebastian Siegl schrieb: > a) Weis jemand wie lange diese Impulserwärmung anhalten darf, damit man > sicher noch im instationären Fall sich befindet? Die Pulsdauer muss deutlich unter der Zeitkonstanten für die Ableitung der Energie liegen. Es kommt also auf das Systemverhalten an. > b) Welche Leistung muss eine solche Wärmeleuchte aussenden können? Es kommt nicht auf die Leistung, sondern auf die Pulsenergie drauf an. Zusammen mit der maximal zulässigen Impulsdauer ergibt sich daraus die Leistung. Erste Frage wäre also: Welche Energie brauchst du für eine vernünftig messbare Temperaturerhöhung?
Eine kontinuierliche Testmessung mit dauerhafter Erhitzung, solange bis das System in Sättigung geht, wäre zu einfach?
Visitor schrieb: > Eine kontinuierliche Testmessung mit dauerhafter Erhitzung, solange bis > das System in Sättigung geht, wäre zu einfach? Dann guck dir mal an, was beim Differenzieren von verrauscht Messdaten passiert ... Da war doch ein kleiner Unterschied zwischen Sprungantwort und Impulsantwort.
Bei der Testmessung sollte es darum gehen, die Trägheit des Meßsystems experimentell zu bestimmen. Und daraus könnte man dann die maximale Pulsbreite ableiten, bei dem das System noch instationär ist.
Wir hatten das Ganze schon mal. Dabei scheint es auch um die Nichtlinearitaet des Systems zu gehen. Ein stueck Metall ist eine Sache, aber eine Batterie, dh eine temperaturabhaengige Chemie, eine Andere. Wie mike schon sagte. Es kommt darauf an. Die Begriffe wie Waermekapazitatet sollten schon begriffen worden zu sein. Dann leg man los. Mach'n Thermoelement dran und beleucht mal.
Das ist eine Standardmethode zur zerstörungsfreien Inspektion von z.B. Schweißverbindungen. Um die ungefähre Energie abzuschätzen: 3-10mF mit ca. 2kV aufgeladen regen eine Blitzlampe an. Eine Wärmekamera nimmt dann einige ms später das Bauteil von der Rückseite auf. So läßt sich die Qualität einer Schweißung sehr gut erkennen. Mit einer solchen Anordnung können Stähle bis ca. 6mm "durchleuchtet" werden. Mir wurde kürzlich berichtet, daß neue Systeme mit wesentlich besseren Kameras auch mit kleineren Blitzlampen auskommen.
короткое троль schrieb: > Mach'n Thermoelement dran... Wird neben Wärmekamera mit Pyrometern gemessen. Findet Anwendung in der Schichtdickenmessung von Pulver auf Objekten. Früher wurde mit Laser zur Erwärmung angeblitzt, heute mit Licht, anschliesend die Abkühlung gemessen.
Nochmal n Wort zur stationären Messung, klar wäre es mathematisch einfacher die Wärmekapazität zu bestimmen. Jedoch muss eine extrem gute Wärmedämmung erfolgen, damit die Wärmeenergie möglichst komplett durch den Probekörper geht. Wieviel Kelvin Temperaturänderung muss denn erzeugt werden für die instationäre Messung? Die Wärmekapazität kann man in Erfahrung bringen und mit einer Pulsdauer von wenigen ms auch die erforderliche Pulsleistung
Welche Temperaturerhöhung man noch messen kann, hängt vom Sensor / Messsystem ab. Da es nur um relative Änderungen, kann man da ggf. auch recht kleine Erwärmungen noch messen - was statisch ggf. so nicht geht. Andererseits gibt eine schnelle Messung auch mehr Rauschen - als Abhilfe kann man die Messung aber auch mehrmals Wiederholen und mitteln. Ich habe so etwas ähnliches mal gemacht (Zeitskala etwa 10 ms) - da hat eine Temperaturerhöhung im Bereich mK gereicht - allerdings mit vielen (teils über 1000) Wiederholungen. Bei einem anderen Versuch (mit Thermoelementen) sollte es schon in Richtung 0,1 - 1 K gehen. Ein Thermoelement ist dabei nicht unbedingt der optimale Sensor. Oft ist es auch so das Rauschen zu niedrigen Frequenzen zunimmt - schnelle Effekte kommen damit mit kleineren Temperaturerhöhungen aus, wenn man die kürzere Zeit für mehr Wiederholungen nutzt. Für eine Dicke von 10 mm wird das System schon recht langsam sein. Die wichtige Größe ist die Temperaturleitfähigkeit (= Wärmeleitfähigkeit geteilt durch Wärmekapazität pro Volumen). So grob würde ich eine Zeitskala (da geht die Dicke quadratisch ein) im Bereich 100 Sekunden schätzen - das kann man nachrechnen, wenn man die Wärmeleitfähigkeit grob kennt. Die Wärmequelle kann also ggf. schon langsamer (z.B. Halogenlampe) sein. Entsprechend muss der Sensor auch nicht so super schnell sein.
Bei einer Bestrahlungsdauer von max. 1s bräuchte ich bei 1cm Dicke und gewünschter Temperaturänderung von 1K grob 1000W Strahlungsleistung (c = 2000J/kgK, a = 1,4*10-5m^2/s). Klingen die Zahlen einigermaßen realistisch? Habe ich das so richtig verstanden: um instationär zu bleiben, muss die Bestrahlung maximal so lang sein, dass die ausbreitende Wärmefront noch nicht das andere Ende der Platte erreicht hat. Graphisch gesehen muss zunächst die pulsartige Beleuchtung erfolgen und dann nach kurzer Pause ein Temperaturanstieg am anderen Ende der Platte. Andernfalls würde das System langsam in den Sättigungsbereich übergehen.
So nach erneutem Überschlagen: Bei der zu erwärmenden Probenmasse (0,3kg) und gewünschter Temperaturdifferenz (0,5 K) benötige ich in etwa 300 J Heizleistung. Mit einer Wärmeleitfähigkeit von ca 200 W/mK komme ich auf ein t_1/2 = 0,42 s (Zeit bis etwa die Hälfte der maximal Temperatur erreicht wurde). a = 3,3*10^-5 m^2/s Dicke der Probe = 1 cm c = 2000 J/kgK Wie lange sollte dann mein Erwärmungsstahlungsimpuls andauern? Weis jemand dazu eine geeignete Beleuchtungsquelle die man auch elektronisch verschalten könnte?
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Bearbeitet durch User
Die Wärmeleitfähigkeit vom 200 W/m/K ist unrealistisch (das ist schon mehr als die meisten reinen Metalle). Entsprechend wird die Zeit länger sein. Je nach Aufbau des Akkus würde ich eher so mit 1-10 W/m/K rechnen. Entsprechend länger werden die Zeiten (dann eher 10-100s). Der "Puls" zum Aufheizen kann im Prinzip bis etwa zur Zeitkonstante lang sein, wenn man die Pulslänge in der Auswertung mit Berücksichtigt. Will man die Pulslänge nicht berücksichtigen sollte der Puls deutlich kürzer als die Zeitkonstante (etwa 1/10) sein. Als Strahlungsquellen kämen etwa viele Hochleistungs-IR LEDs oder Halogenstrahler in Frage. In beiden Fällen wird man ggf. noch eine aktive Kühlung brauchen, damit die Wärme von der Lichtquelle nicht noch nachstrahlt, bzw. um die LEDs schnell genug wieder abzukühlen.
Werner M. schrieb: > Sebastian Siegl schrieb: >> 300 J Heizleistung > > Was denn nun? Energie oder Leistung? Sorry Heizenergie
Hab nun genauere Daten für meinen Messaufbau: Bei einer gewünschten Temperaturdifferenz von ~0,5 K, brauche ich etwa 800J Wärmeenergie. mit t = 0,5x²*1/a erhalte ich Diffusionszeiten von ca 110s. Wenn man nun mit etwa 10% der Zeit beleuchtet muss ich ca 80W Heizleistung auf der Oberfläche erzeugen. Hat jemand eine Idee mit welchen Strahler man 80W auf der Oberfläche erzeugen kann?
Für 80 W Strahlung wird man so etwa 500-1000 W an Halogenlampen oder vielleicht 200 W für (IR oder ggf. gute blaue) LEDs brauchen. Den genauen Wirkungsgrad müsste man noch nachschlagen - bei den Halogenlampen ist halt auch viel IR mit dabei - so schlecht wie im sichtbaren sind die also nicht. Die LEDs sind mehr Aufwand, aber wohl auch gleichmäßiger zu kontrollieren, und vor allem sofort aus, wenn der Strom aus ist. Die LEDs wird man wohl auch gut kühlen müssen.
Die LEDs muss man kühlen, und viele LEDs (wohl Größenordnung 400 Stück, je nach Typ) zu verlöten ist auch nicht so ohne Aufwand.
Muss man des selber zusammenlöten oder kann man da was fertig kaufen?
Ich kenne jetzt keine so massiven IR LED Strahler, wie man hier brauchen würde. Es gibt kleinere für die IR Beleuchtung für Kameras, aber hier braucht man schon wirklich viel Leistung - muss dafür auch nicht für den Dauerbetrieb ausgelegt sein. Man kann versuchen was passendes zu finden, aber ich fürchte da ist selber löten angesagt.
Wäre auch ein Elektronenblitzgerät möglich? Damit könnte man die erforderliche Heizenergie schneller auf die Oberfläche übertragen und es wäre einfacher zu erwerben.
Ich kann mir nicht vorstellen, dass Dein Versuch irgendwelche, auswertbaren Ergebnisse bringen wird. Eine Batterie ist ein sehr komplexes System und dass nicht nur in elektrochemischer Hinsicht, sondern auch in Struktureller. Das fängt an mit einer, normalerweise aus Kunststoff bestehenden, Umhüllung an. Die thermischen Eigenschaften sind meist mies. Gibst Du hier einen, wie auch immer gearteten thermischen Impuls drauf, so bekommst Du eine starke Erwärmung der Oberfläche - und mehr nicht. Eine Erwärmung des "Innenlebens" findet erst garnicht statt, da die Leitfähigkeit schlecht ist. Also Abstrahlung in Richtung Strahler. Erst wenn die Kunststoffumhüllung "durchdrungen" ist erfolgt, aufgrund der schlechten Wärmeleitfähigkeit, eine Erwärmung des Inhaltes. D.h. die Innenseite wird sehr schnell aufgrund der besseren Leitfähigkeit des Elektrolytes abgekühlt. Dummerweise wird diese nicht auf die gegenüberliegende Seite "weitergereicht", sonder erst mal von der Masse des Systems übernommen. Diese Übernahme ist aber nicht spezifizierbar, da das Innenere einer Batterie naturgemäß aus mehreren Schichten besteht. Fazit: Ein sehr hoher thermischer Außenwiderstand, gefolgt von einer stark Massebehafteten, undefinierbaren Innenstruktur, gefolgt von wiederum einem hohen thermischen Außenwiderstand... Also irgendwann wird auch die gegenüberliegende Seite warm. Ob das aber an der Durchleitung der Wärme liegt oder an inneren Vorgängen - es handelt sich ja um eine Batterie - wird wohl nicht ganz einfach zu bestimmen sein. Was auch immer passiert, es wird wohl stark Masseabhängig sein.
Die Batterie soll während der Messung nicht in Betrieb sein. Wieviel Energie abgestrahlt wird ist eigentlich Nebensache. Von eigentlichen Interesse ist lediglich die Zeit die benötigt wird, um die Hälfte der max. erreichten Temperaturänderung zu erzielen. Damit lassen sich dann Rückschlüsse auf die Temperaturleitfähigkeit schließen und dadurch auf die Wärmeleitfähigkeit. Temperaturänderungen auf der anderen Seite der Batterie von 0,5-1K wären zwar schön, um dem Rauschen etwas zu entkommen, aber wenns weniger sind müssen halt mehrere Messungen gemittelt werden.
>Die Batterie soll während der Messung nicht in Betrieb sein. Üblicherweise kommt die Erwärmung einer Reihe von Batterien von "innen". Unter der Annahme, dass die Batterien alle gleich sind, sollte sogar die Temperatur in einer "unendlichen" Batteriereihe überall gleich sein. Zumindest im Innern. >Wieviel Energie abgestrahlt wird ist eigentlich Nebensache. Gerade bei extrem langsamen Prozesen, eine eher mittelprächtige Annahme. Ich finde den Gedanken, die Wärme einer Reihe von Batterien, über die äußeren abzuführen, recht abenteuerlich. Man stelle sich nur die Wärmeverteilung einer solchen Reihe von. Sinnvoll an dieser Stelle erscheinen mir Trennbleche zwischen den Batterien, die die Wärme nach Außen leiten oder ein bisschen Abstand und die gute, alte Konvektion.
Der Aufbau soll die Wärmeleitfähigkeit der Batterie bei verschiedenen Umgebungstemperaturen messen können, wobei diese nicht im Betrieb ist. Der prinzipielle Messaufbau ist hier nochmal verdeutlicht: http://www.google.de/imgres?imgurl=http%3A%2F%2Fwww.ise.fraunhofer.de%2Fbilder%2Fservicebereiche%2Fthermolab%2Fnetzsch-lfa-447-nanoflash%2Fimage_teaser&imgrefurl=http%3A%2F%2Fwww.ise.fraunhofer.de%2Fde%2Fservicebereiche%2Fthermolab-porous-materials%2Fweitere-informationen%2Fmessgeraete%2Fthermophysikalische-analyse%2F2-netzsch-lfa-447-nanoflash-xenon-flash-apparatur&h=99&w=160&tbnid=Ih6VILjG6cXnPM%3A&zoom=1&docid=pt2u38U8ZuGq3M&ei=ClRnU7CYDYX80QWCx4C4Aw&tbm=isch&client=firefox-a&iact=rc&uact=3&dur=1580&page=1&start=0&ndsp=58&ved=0CFsQrQMwAQ bzw. http://www.tprl.com/Laser_Flash.html
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