Method Development and Data-Driven Analysis for Thermal Management and Heat Monitoring

Titelangaben

Tran, Thomas:
Method Development and Data-Driven Analysis for Thermal Management and Heat Monitoring.
Bayreuth , 2023 . - 207 S. . - XI, 207
( Dissertation, 2023 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00007210

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Abstract

Scientific progress relies on the reproducible preparation and accurate characterization of novel materials. In today's laboratories, research would not be possible without harnessing the power of modern computers. Still, chemists spend a lot of time manually carrying out repetitious tasks and analyzing data. As a Ph.D. candidate, I utilized modern frameworks to automate experimental setups and streamline the subsequent data analysis. By doing so, I made previously impossible projects viable and expanded the methods present in our group.

All of the projects I worked on revolved around heat transport and its resulting effects. I established two new characterization methods investigating thermal diffusivity and passive cooling behavior. The thorough investigation of thermal properties enables the design of materials for thermal management. In addition, I refined a time-temperature integrator, allowing its evaluation based on single photographs taken with a smartphone camera. Thus, monitoring temperature events is possible either to control the thermal management systems or to detect events when management strategies are infeasible. In the following paragraphs, I will shortly present the results of each project.

Passive daytime cooling is a promising candidate to reduce global CO2 emissions. It is based on devices with tailored optical properties to direct heat flow. A method is required to compare the characterization results of passive cooling materials measured at different times and locations. My colleagues and I developed an indoor measurement instrument able to characterize the cooling performance of investigated samples with outstanding reproducibility. It is a cornerstone for future research because it enables the characterization of new materials independent of weather and climate. We used our instrument to demonstrate the potential application of post-consumer waste as a passive cooling material. Polymer-coated aluminum laminate spontaneously cools below ambient temperatures. Our simulations estimate that large-scale employment can reduce the energy consumption of a four-story building by tens of GJ per year.

Besides tailoring the radiative properties, another possibility to manipulate heat transport is to control the thermal conduction of materials. Lock-in thermography is an established method to characterize the thermal diffusivity of 2D and 3D samples. However, little work has been done on the characterization of 1D samples. We created a measurement setup for fibers with diameters of a few micrometers and exhaustively investigated the impact of different measurement parameters. We proved that the investigation of samples smaller than the pixel resolution of the deployed camera system is possible, even if the investigated fiber is not aligned with the detector orientation. Furthermore, we investigated the effect of different heating powers and how they introduce measurement errors. Our results facilitate the robust measurement of micrometer-sized fibers and filaments.

Fiber-reinforced composites are an example of a system benefitting from the characterization of single fibers. In cooperation with the engineering department, we investigated different fiber types embedded in a polymer matrix. The composite material exhibits anisotropic properties by aligning the fibers in one direction. Our research shows how the thermal properties of the composite material correlate with these of the fibers and their mechanical strength. We attribute the correlation of thermal and mechanical properties to the microstructure of the fibers.

Structures on yet smaller length scales are the basis for my final two publications. They introduce monitoring systems for temperature events. In the first project, we demonstrated the fabrication of a colloidal crystal assembled from a continuous gradient of different nanoparticles. The resulting structure is a time-temperature integrator, i.e., it records the thermal history by irreversibly changing its optical properties. In a follow-up publication, we built upon this concept and created an array of colloidal crystals with different compositions. By automating the fabrication process, we could measure large amounts of data that we analyzed with an artificial neural network. The evaluation of the sensor is based solely on photographs and is thus accessible to non-specialists. Our sensor enables a fast and tamper-proof way of analyzing the thermal history of an object. Possible applications include monitoring perishable goods such as food and medicine and technical applications for batteries.

Abstract in weiterer Sprache

Wissenschaftlicher Fortschritt basiert auf der reproduzierbaren Herstellung und genauen Charakterisierung neuer Materialien. Heutzutage wäre Forschung ohne die Leistung moderner Computer undenkbar. Nichtsdestotrotz verbringen Chemiker viel Zeit damit, manuell monotone Aufgaben zu bearbeiten und Daten zu analysieren. Als Doktorand habe ich moderne Frameworks eingesetzt, um Messaufbauten zu automatisieren und die anschließende Datenanalyse zu vereinfachen. Dadurch habe ich vorher unmögliche Projekte machbar gemacht und die in unserer Gruppe vorhandenen Methoden erweitert.

Die von mir bearbeiteten Projekte drehten sich um Wärmetransport und den damit verbundenen Auswirkungen. Ich habe zwei neue Messapparate entwickelt, um die thermische Diffusivität und das passive Kühlverhalten zu charakterisieren. Eine umfassende Charakterisierung der thermischen Eigenschaften ermöglicht es, Materialien für das Wärmemanagement zu entwickeln. Außerdem habe ich Zeit-Temperatur-Integratoren weiterentwickelt und es ermöglicht, ihre Auswertung anhand einzelner Fotos eines Smartphones durchzuführen. Dies ermöglicht die Überwachung von Temperaturereignissen, um das eingesetzte Wärmemanagement zu kontrollieren oder Systeme zu überprüfen, bei denen Wärmemanagement nicht praktikabel sind. In den folgenden Absätzen werde ich kurz die Ergebnisse meiner Projekte vorstellen.

Passive Tageskühlung ist ein vielversprechender Kandidat, um die globalen CO2-Emissionen zu verringern. Sie basiert auf Systemen mit maßgeschneiderten optischen Eigenschaften, die den Wärmefluss gezielt lenken. Um das optimale Material zu finden, wird eine Methode benötigt, um Messergebnisse von verschiedenen Orten und Zeiten vergleichbar zu machen. Daher haben meine Kollegen und ich ein Laborinstrument entwickelt, das die Kühlleistung mit herausragender Reproduzierbarkeit messen kann. Es legt den Grundstein für zukünftige Forschung, weil es die Charakterisierung neuer Materialien unabhängig von Wetter und Klima ermöglicht. Wir haben unser Instrument benutzt, um die potenzielle Anwendung von Post-Consumer-Abfällen als passive Kühlelemente zu demonstrieren. Polymerbeschichtetes Aluminiumlaminat kühlt spontan unter Raumtemperatur. Unsere Simulation zeigen, dass eine großflächige Anwendung den Energiebedarf eines vierstöckigen Gebäudes um einige Dutzend GJ pro Jahr senken kann.

Neben Strahlungseigenschaften ist die gezielte Kontrolle von Wärmeleitung eine weitere Möglichkeit, den Wärmefluss zu manipulieren. Lock-in-Thermografie ist eine etablierte Methode, um die thermische Diffusivität von 2D- und 3D-Proben zu bestimmen. Bis jetzt wurde die Charakterisierung von 1D-Materialien jedoch wenig untersucht. Wir haben einen Messaufbau für Fasern mit wenigen Mikrometern Durchmesser entwickelt und ausführlich den Einfluss unterschiedlicher Messparameter untersucht. Wir konnten zeigen, dass die Charakterisierung von Proben kleiner als der Pixelgröße der Kamera möglich ist, selbst wenn die Faser nicht parallel zum Detektor ausgerichtet ist. Außerdem haben wir experimentell den Einfluss unterschiedlicher Laserleistungen und die damit verbundenen Messungenauigkeiten untersucht. Unsere Ergebnisse sind ein Beitrag zur robusten Messung mikrometergroßer Fasern und Filamente.

Faserverbundwerkstoffe sind ein Beispiel für Systeme, die von einer besseren Charakterisierung von Fasern profitieren. In Kooperation mit dem Lehrstuhl für Polymere Werkstoffe haben wir unterschiedliche Fasern und ihre Matrixkomposite untersucht. Wenn die Fasern orientiert sind, haben die Komposite anisotrope Eigenschaften. Unsere Forschung hat gezeigt, wie die thermischen Eigenschaften der Komposite mit denen der Fasern und deren mechanischen Eigenschaften korrelieren. Wir führen die Korrelation der thermischen und mechanischen Eigenschaften auf die Mikrostruktur der Fasern zurück.

Strukturen auf noch kleineren Längenskalen sind die Grundlage meiner letzten beiden Veröffentlichungen. Sie stellen Sensoren für Temperaturereignisse vor. Im ersten Projekt haben wir die Herstellung eines Kolloidkristalls demonstriert, der aus einem kontinuierlichen Gradienten einer binären Nanopartikelmischung besteht. Die entstehende Struktur ist ein Zeit-Temperatur-Integrator, d. h., dass sie die thermische Historie aufzeichnet, indem sie irreversibel ihre optischen Eigenschaften ändert. In einer Folgeveröffentlichung haben wir auf diesem Konzept aufgebaut und eine Matrix von Kolloidkristallen unterschiedlicher Zusammensetzungen präsentiert. Durch die Automatisierung des Herstellungsprozesses konnten wir große Mengen an Daten messen, die wir mit Hilfe eines künstlichen neuronalen Netzwerks analysiert haben. Die Auswertung unseres Sensors basiert ausschließlich auf Fotos und ist somit auch Fachfremden zugänglich. Unser Sensor ermöglicht eine schnelle und manipulationssichere Auswertung der thermischen Historie. Mögliche Anwendungen sind die Überwachung verderblicher Güter wie Lebensmittel und Medikamente sowie der technische Einsatz für Batterien.