Värmepumpsdemonstrator med grafenbelagd keramisk matris för ökad effekttäthet (avslutat)

Grafenbelagd keramisk matris

Grafenbelagd keramisk matris

Syfte och mål
Syftet med projektet var att utveckla en tillverkningsmetod för grafenbeläggning av en fibermatris för värmepumpar, utvärdera och verifiera testresultaten genom verifiering och validering i en demonstrator. Projektmålet var att höja den termiska konduktiviteten inom befintlig teknologi. Vid en ökning av matrisens effekt- och energidensitet jämfört med nuvarande produktapplikationer, kommer Climatewells teknologi att kunna användas i nya slutapplikationer. Projektet tror att en framgångsrik utveckling av en sådan beläggningsprocess är nyckeln till att grafen ska kunna ta sig in i andra industrisegment i Sverige, såsom textilindustrin.

Planerat upplägg och genomförande
Climatewell AB har expertis inom termokemiska system, Chalmers Industriteknik bidrog med kunskap och erfarenhet inom kolbaserad nanoteknik och Chalmers tekniska högskola bidrog med den expertis som krävs för att göra korrekta termiska karakteriseringar. Projektet utfördes i 5 arbetspaket:

1. Utveckling av lämpligt grafenbläck (graphene ink)
2. Beläggning av den keramiska fibermatrisen
3. Termisk karakterisering av den belagda matrisen
4. Saltdispergering och post-dispersionsinspektion
5. Testning, verifiering av in-situtestning och validering av den belagda matrisen integrerad i en demonstrator

Effekter och resultat
Under projektet utvecklades en mycket kostnadseffektiv tillverkningsmetod av grafensuspension. Två olika huvudgrupper av grafenintegration identifierades för utvärdering:

  • Ytbeläggning av fast matrismaterial
    Ytbeläggningen genomfördes med tre olika metoder: ”dip and dry”, ”soak and dry” samt spray coating. För alla ytbeläggningsförsök enligt ”soak and dry” samt ”dip and dry” på fast matris är det tydligt att penetrationen av grafensuspensionen är mycket viktigt att monitorera. Både ökad termisk och elektrisk konduktivitet uppmättes för den belagda matrisen. Referensprover som inte var belagda uppvisade inte någon konduktivitetsökning. ”Soak and dry”-metoden var den som erhöll mest signifikant konduktivitetsökning. ”Spray coating” behöver optimeras ytterligare för att få en god penetration av grafen in i matrisstrukturen.
  • Integrering av grafen i vätskematris
    När grafen integrerades i vätskematris förbättrades värmeöverföringsförmågan, jämfört med referens utan grafenintregrering, då temperaturdifferensen mellan primär- och sekundärsidan av värmeväxlaren minskade från ett medelvärde på 6°C till ett medelvärde på 3°C. Under laddning med referenslösning samt grafenintegrerade matrisen erhölls en laddningseffekt på 100 W/°C respektive 167 W/°C, vilket innebär en förbättring på 67 %.

Vid projektstart var huvudmålen att:

  1. Ta fram en tillverkningsmetod för grafenbeläggning av ClimateWell Technologys (ClimateWell) nuvarande keramiska matris.
    En skräddarsydd grafenbläckslösning skulle utvecklas för beläggning av fibermatris samt valda matrismaterial skulle beläggas med grafennanopartiklar (ur den utvecklade grafensuspensionen) för att öka den termiska konduktiviteten i vald matris. Vid projektstarten bestod ClimateWells matris av en keramisk fiber. Detta matrismaterial har nu ersatts av en icke-keramisk fiberstruktur, vilket även introducerades i detta projekt. En kostnadseffektiv tillverkningsmetod av en skräddarsydd grafensuspension har utvecklats varefter två grafenbeläggningsmetoder har utvärderats (fast substrat samt vätskematris). Termisk konduktivitetsökning erhölls för både fibermatris samt vätskematris.
  2. Utvärdera och verifiera de resultat som erhölls då de utvalda beläggningsmetoderna genomfördes på valda substrat.
    Utvärdering av termisk konduktivitet för den belagda fasta matrisen har genomförts med Sheetresistance-mätningar och SEM-bilder. Karakteriseringen ockulärbesiktigades med optiskt mikroskop och elektrisk konduktivitet mättes. Utvärdering av termisk konduktivitet av vätskematrisen genomfördes genom att mäta värmeväxlartemperaturer på primär- och sekundärsida.
    All utvärdering genomfördes enligt plan.
  3. Integrera, verifiera och validera i demonstrator
    Under utvärderingen av beläggningsteknikerna, med avseende på ökad konduktivitet, visade det sig att ökad fokus behövde läggas på efterbehandling av fibermatrisen innan saltet kunde dispergeras. Ytterligare härdningstester genomfördes efter ”dip and dry coating”. I samband med att en lämplig härdningsmetodik för AlOx-fibermatrisen togs fram så uppvisade de utvalda demonstratorprojekten problematik med AlOx-fibern. Att påbörja dispergeringsförsök med en fibermatris som uppvisade problem i slutapplikationen var inte i enlighet med projektets huvudmål. Beslut togs att ett demonstratorprojekt med vätskematris skulle väljas eftersom saltdispergering då kunde genomföras enligt väl inarbetade metoder. Verifieringskörningar genomfördes i en prototyp byggd i 25% skala. Validering i fullskaleprototyp har inte kunnat genomföras beroende på att ny demonstrator valdes. Validering kommer att genomföras utanför projektet under Q4 2016-Q3 2017.

De viktigaste grafenrelaterade insikterna innefattar vikten av nätverkande mellan olika kompetenser inom grafenforskningen. För att få en helhetsbild måste förståelse och konvergens upparbetas både inom suspensionsframtagning, karakterisering samt integrering. ClimateWell fortsätter att prioritera arbetet med grafenintegrering i sina komponenter i samarbete med de upparbetade kontakterna i projektet. Fokus kommer ligga på tillverknings- och efterhärdningsprocessen. Den första storskaliga prototypen beräknas köras fullt ut under Q3 2017.

De expertisområden ClimateWell ser som fokusområden innefattar beläggning av grafen, inkluderande efterbehandling (värmehärdning), samt integrering av grafen i salt.

Abstract in english

The purpose of the project was to develop a manufacturing method for graphene coating of a fibre matrix for heat pumps, and evaluating and verifying the test results through verification and validation in a demonstrator. The goal was to increase thermal conductivity within existing technology.

Effects and results

A very cost-effective production method of graphene suspension was developed. Two main groups of graphene integration were evaluated:

• Surface coating of solid matrix material. Three different methods were carried out: "dip and dry", "soak and dry" and "spray coating". For all surface soak and dry coatings as well as dip and dry on solid matrix it is clear that the penetration of the graphene suspension is very important to monitor. Both increased thermal and electrical conductivity were measured for the coated matrix. Reference samples that were not coated did not show any conductivity increase. The soak and dry method received the most significant conductivity increase. Spray coating needs further optimization to get a good penetration of the graphene into the matrix structure.

• Integration of graphene in liquid matrix - the heat transferability improved, compared to a reference without graphene integration, when the temperature difference between the primary and secondary sides of the heat exchanger decreased from an average of 6° C to an average of 3° C. During charging with reference solution and graphene integrated matrix, we achieved a charge power of 100 W / ° C and 167 W / ° C, respectively, which represents an improvement of 67 %.

A cost-effective manufacturing method of a tailored graphene suspension has been developed. Two graphene coating methods have been evaluated (solid substrate and liquid matrix). Thermal conductivity increase was obtained for both fiber matrix and liquid matrix. During the evaluation of coating techniques, with respect to increased conductivity, it appeared that increased focus had to be applied to post-treatment of the fiber matrix before the salt could be dispersed. Additional hardening tests were conducted after dip and dry coating. When a suitable cure method for the AlOx fiber matrix was developed, the selected demonstrator projects showed problems with the AlOx fiber. Initiating dispersion attempts with a fiber matrix that showed problems in the final application was not in accordance with the main objectives of the project. It was decided that a demonstration project with liquid matrix would be chosen because salt dispersion could then be carried out according to well-established methods. Verification runs were conducted in a prototype built on a 25% scale. Full-scale prototype validation has not been possible due to the selection of a new demonstrator. Validation will be carried out outside the project during Q4 2016-Q3 2017.

The main insights include the importance of networking between different skills within the graphene research. To get an overall picture, understanding and convergence must be worked out both in suspension, characterization and integration. ClimateWell continues to prioritize the work on graphene integration into its Components. The focus will be on the manufacturing and after-hardening process. The first large-scale prototype is expected to run fully in Q3 2017. The areas of expertise ClimateWell sees as focus areas, include coating of graphene, including finishing (heat setting), and integration of graphene in salt.

Utlysning:
Förstudieprojekt samt Forsknings- och Innovationsprojekt 2015

Projektpartners: Climatewell AB, Chalmers Industriteknik, Chalmers

Projektledare: Ulrika Tornerefelt, Climatewell AB

E-mail: ulrika.tornerefelt@climatewell.com

Bidrag: 912 915 kr

Projektets löptid: 2015 – 2016

Relaterade styrkeområden:

Med stöd från: