Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Thermodynamic Assessment of Binary Erythritol-Xylitol Phase Diagram for Phase Change Materials Design
KTH, School of Industrial Engineering and Management (ITM), Energy Technology, Heat and Power Technology. (Thermal Energy Storage (TES))ORCID iD: 0000-0002-1806-9749
KTH, School of Industrial Engineering and Management (ITM), Materials Science and Engineering.ORCID iD: 0000-0002-8493-9802
KTH, School of Industrial Engineering and Management (ITM), Materials Science and Engineering.
KTH, School of Industrial Engineering and Management (ITM), Energy Technology, Heat and Power Technology. (Thermal Energy Storage)ORCID iD: 0000-0001-6982-2879
Show others and affiliations
(English)Manuscript (preprint) (Other academic)
Abstract [en]

Here, the experimental phase equilibrium data of the erythritol-xylitol system were thermodynamically optimized, to explore compositions suitable as phase change materials (PCMs) for thermal energy storage (TES). A previous experimental study revealed that erythritol-xylitol was a partially isomorphous system with a eutectic. In the thermodynamic evaluation, the CALPHAD method was employed coupling the phase diagram and thermodynamic property information. There, both unary and binary systems’ experimental data were taken into account, and all phases were described using the substitutional solution model. Finally, a self-consistent thermodynamic description for the erythritol-xylitol system was achieved. The calculated eutectic point is at 76.7 °C and 26.8 mol% erythritol, agreeing well with the experimental data. The calculated phase diagram better-verifies the systems’ solidus and the solvus, disclosing the stable phase relations. Based on the Gibbs energy minimization, phase diagrams can be predicted for the binary and higher order systems, provided the component subsystems are thermodynamically assessed beforehand. In conclusion, to move forward beyond e.g. non-isomorphous simple eutectic systems, methods using Gibbs free energy minimization from a fundamental point-of-view such as CALPHAD are essential.

Keywords [en]
thermal energy storage (TES); phase change material (PCM); erythritol-xylitol phase diagram; Gibbs free energy minimization; thermodynamic optimization; CALPHAD
National Category
Energy Systems
Research subject
Energy Technology; Materials Science and Engineering; Chemical Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-212438OAI: oai:DiVA.org:kth-212438DiVA, id: diva2:1134969
Funder
Swedish Energy Agency, 34948-1
Note

This is a submitted manuscript (CALPHA_2017_96) under review in the journal Calphad.

QC 20170825

Available from: 2017-08-22 Created: 2017-08-22 Last updated: 2017-10-06Bibliographically approved
In thesis
1. Phase Equilibrium-aided Design of Phase Change Materials from Blends: For Thermal Energy Storage
Open this publication in new window or tab >>Phase Equilibrium-aided Design of Phase Change Materials from Blends: For Thermal Energy Storage
2017 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

Climate change is no longer imminent but eminent. To combat climate change, effective, efficient and smart energy use is imperative. Thermal energy storage (TES) with phase change materials (PCMs) is one attractive choice to realize this. Besides suitable phase change temperatures and enthalpies, the PCMs should also be robust, non-toxic, environmental-friendly and cost-effective. Cost-effective PCMs can be realized in bulk blends. Blends however do not have robust phase change unless chosen articulately. This thesis links bulk blends and robust, cost-effective PCMs via the systematic design of blends as PCMs involving phase equilibrium evaluations. The key fundamental phase equilibrium knowledge vital to accurately select robust PCMs within blends is established here. A congruent melting composition is the most PCM-ideal among blends. Eutectics are nearly ideal if supercooling is absent. Any incongruent melting composition, including peritectics, are unsuitable as PCMs. A comprehensive state-of-the-art evaluation of the phase equilibrium-based PCM design exposed the underinvestigated categories: congruent melting compositions, metal alloys, polyols and fats.

Here the methods and conditions essential for a comprehensive and transparent phase equilibrium assessment for designing PCMs in blends are specified. The phase diagrams of the systems erythritol-xylitol and dodecane-tridecane with PCM potential are comprehensively evaluated. The erythritol-xylitol system contains a eutectic in a partially isomorphous system unlike in a non-isomorphous system as previous literature proposed. The dodecane-tridecane system forms a probable congruent minimum-melting solid solution, but not a maximum-melting liquidus or a eutectic as was previously proposed. The sustainability aspects of a PCM-based TES system are also investigated. Erythritol becomes cost-effective if produced using glycerol from bio-diesel production. Olive oil is cost-effective and has potential PCM compositions for cold storage. A critical need exists in the standardization of methods and transparent results reporting of the phase equilibrium investigations in the PCM-context. This can be achieved e.g. through international TES collaboration platforms.

Abstract [sv]

Energi är en integrerad del av samhället men energiprocesser leder till miljöbelastning, och klimatförändringar. Därför är effektiv energianvändning, ökad energieffektivitet och smart energihantering nödvändigt. Värmeenergilagring (TES) är ett attraktivt val för att bemöta detta behov, där ett lagringsalternativ med hög densitet är s.k. fasomvandlingsmaterial (PCM). Ett exempel på ett billigt, vanligt förekommande PCM är systemet vatten-is, vilket har använts av människor i tusentals år. För att tillgodose de många värme- och kylbehov som idag uppstår inom ett brett temperaturintervall, är det viktigt med innovativ design av PCM. Förutom lämplig fasförändringstemperaturer, entalpi och andra termofysikaliska egenskaper, bör PCM också ha robust fasändring, vara miljövänlig och kostnadseffektiv.

För att förverkliga storskaliga TES system med PCM, är måste kostnadseffektivitet och robust funktion under många cykler bland de viktigaste utmaningarna. Kostnadseffektiva PCM kan bäst erhållas från naturliga eller industriella material i bulkskala, vilket i huvudsak leder till materialblandningar, snarare än rena ämnen. Blandningar uppvisar dock komplexa fasförändringsförlopp, underkylning och/eller inkongruent smältprocess som leder till fasseparation. Denna doktorsavhandling ger ny kunskap som möjliggör att bulkblandningar kan bli kostnadseffektiva och robusta PCM-material, med hjälp av den systematiskutvärdering av fasjämvikt och fasdiagram. Arbetet visar att detta kräver förståelse av relevanta grundläggande fasjämviktsteorier, omfattande termiska och fysikalisk-kemiska karakteriseringar, och allmänt tillämpliga teoretiska utvärderingar.

Denna avhandling specificerar befintlig fasjämviktsteori för PCM-sammanhang, men sikte på att kunna välja robusta PCM blandningar med specifika egenskaper, beroende på tillämpning. Analysen visar att blandningar med en sammansättning som leder till kongruent smältande, där faser i jämvikt har samma sammansättning, är ideala bland PCM-blandningar. Kongruent smältande fasta faser som utgör föreningar eller fasta lösningar av ingående komponenter är därför ideala. Eutektiska blandningar är nästan lika bra som PCM, så länge underkylning inte förekommer. Därmed finns en stor potential för att finna och karakterisera PCM-ideala blandningar som bildar kongruent smältande föreningar eller fasta lösningar. Därigenom kan blandningar med en skarp, reversibel fasändring och utan fasseparation erhållas – egenskaper som liknar rena materialens fasändringsprocess. Vidare kan man, via fasdiagram, påvisa de blandningar som är inkongruent smältande, inklusive peritektiska blandningar, som är direkt olämpliga som PCM. Denna avhandling ger grundläggande kunskap som är en förutsättning för att designa PCM i blandningar. Genom en omfattande state-of-the-art utvärdering av fas-jämviktsbaserad PCM-design lyfter arbetet de PCM-idealiska blandningarna som hittills inte fått någon uppmärksamhet, såsom kongruenta smältande blandningar, och materialkategorierna metallegeringar, polyoler och fetter. Resultatet av arbetet visar dessutom att vissa PCM-material som ibland föreslås är direkt olämpliga då fasdiagram undersöks, bl a pga underkylning och även peritektiska system med fasseparation och degradering av kapaciteten (t ex Glauber-salt och natriumacetat-trihydrat).

Denna avhandling specificerar och upprättar grundläggande teori samt tekniker, tillvägagångssätt och förhållanden som är nödvändiga för en omfattande och genomsynlig fasjämviktsbedömning, för utformning av PCM från blandningar för energilagering. Med detta som bas har följande fasdiagramtagits fram fullständigt: för erytritol-xylitol och för dodekan-tridekan, med PCM-potential för låg temperaturuppvärmning (60-120 °C) respektive frysning (-10 °C till -20 °C) utvärderas fullständigt. Erytritol-xylitol systemet har funnits vara eutektiskt i ett delvis isomorft system, snarare än ett icke-isomorft system vilket har föreslagits tidigare litteratur. Dodekan-tridekan systemet bildar ett system med kongruent smältande fast lösning (idealisk som en PCM) vid en minimumtemperatur, till skillnad från tidigare litteratur som föreslagt en maximumtemperatur, eller ett eutektiskt system.

Teoretisk modellering av fasjämvikt har också genomförts för att komplettera det experimentella fasdiagrammet för systemet erytritol-xylitol. Efter granskning av de metoder som använts tidigare i PCM-litteraturen har här valts ett generiskt tillvägagångssätt (CALPHAD-metoden). Denna generiska metod kan bedöma vilken typ av material och fasändring som helst, till skillnad från en tidigare använda metoder som är specifika för materialtyper eller kemiska egenskaper. Denna teoretiska studie bekräftar termodynamiskt solvus, solidus, eutektisk punkt och erytritol-xylitol fasdiagrammet i sin helhet.

Vad gäller hållbarhetsaspekter med PCM-baserad TES, lyfter denna avhandling fokus på förnybara och kostnadseffektiva material (t.ex. polyoler och fetter) som PCM. Som exempel har här undersökts erytritol och olivolja, med förnybart ursprung. Erytritol skulle kunna bli ett kostnadseffektivt PCM (163 USD/kWh), om det produceras av glycerol vilket är en biprodukt från biodiesel/bioetanolframställning. Olivolja är ännu ett kostnadseffektivt material (144 USD/kWh), och som här har påvisats innehålla potentiella PCM sammansättningar med lämpliga fasändringsegenskaper för kylatillämpningar.

En övergripande slutsats från denna avhandling är att det finns ett behov av att standardisera tekniker, metoder och transparent resultatrapportering när det gäller undersökningar av fasjämvikt och fasdiagram i PCM-sammanhang. Internationella samarbetsplattformar för TES är en väg att koordinera arbetet.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2017. p. 150
Series
TRITA-KRV ; Report 17/05
Keywords
thermal energy storage (TES), phase change material (PCM), phase diagram, congruent melting, compound, solid solution, eutectic, peritectic
National Category
Energy Systems
Research subject
Energy Technology; Materials Science and Engineering; Chemical Engineering
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-212440 (URN)978-91-7729-484-9 (ISBN)
Public defence
2017-09-22, B1, Brinellvägen 23, KTH Royal Institute of Technology, Stockholm, 13:00 (English)
Opponent
Supervisors
Funder
Swedish Energy Agency, 34948-1
Note

QC 20170830

Available from: 2017-08-30 Created: 2017-08-24 Last updated: 2017-08-30Bibliographically approved

Open Access in DiVA

Er-Xy thermodynamic phase diagram study- CALPHA_2017_96- Submitted Manuscript(747 kB)448 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 747 kBChecksum SHA-512
439ae1345e94fd9cba2721e0ebc83f02ec1d17fe644792f26d3f6a26f94f9c22ed04cef519080ce2515c72e95ce955b3324ee2500fc63fc03811053095bc4edc
Type fulltextMimetype application/pdf

Authority records BETA

Gunasekara, Samman NimaliMao, HuahaiChiu, Justin NingWeiMartin, Viktoria

Search in DiVA

By author/editor
Gunasekara, Samman NimaliMao, HuahaiBigdeli, SedighehChiu, Justin NingWeiMartin, Viktoria
By organisation
Heat and Power TechnologyMaterials Science and Engineering
Energy Systems

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 448 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 153 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf