PCM-Handwärmer
Hotpack aus Natrium-Acetat

Wasserbett Kimasoft
Prospekt Klimasoft / Original-Bilder
PCM-Detail-Erklärungen

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Anleitung zum Aufladen Hotpack / Taschenwärmer


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Aqua Dynamic-Hotpack / grosses Bild

Inhalt / Zusammensetzung: Natriumacetat, Wasser. Nicht gefährlich, nicht giftig.

Anleitung "aufladen" des Hotpack / Thermo-Pad

Normale Methode: Hotpack in Microwelle legen und ca. 2 Minuten bei Stufe AUFTAUEN (ca. 350W). Nach ca. 1 Minute unterbrechen und durchkneten, nach 2 Minuten schütteln bis völlig transparent. Es muss verhindert werden, dass der Rand der zuerst flüssig wird, überhitzt und und die Aussenhülle schmilzt! Ev. nochmals 10-20 Sekunden in den Mikro legen. Erst stoppen und abkühlen lassen wenn alle Kristalle geschmolzen sind!

Schnelle Methode: Hotpack in Microwelle legen und ca. 20 Sekunden bei höchster Stufe. Herausnehmen und durchkneten. Es muss verhindert werden, dass der Rand der zuerst flüssig wird überhitzt und und die Aussenhülle schmilzt! Wieder 20 Sek. Micro, durchkneten etc. erst stoppen und abkühlen lassen wenn alle Kristalle geschmolzen sind, wenn völlig transparent!

Sichere Methode / ohne Mikrowelle: In Pfanne ca. 4 Minuten kochen, Stoff / Tuch auf den Pfannenboden legen da Hotpack-Hülle sonst am heissen Pfannenboden schmelzen könnte und zerstört würde.
Dann abkühlen lassen.

Aufbewahren: Das Thermo-Pad sollte im flüssigen Zustand gelagert werden. Ansonsten findet eine leichte Konzentration der Flüssigkeit durch Verdunsten statt. Die Wirksamkeit nimmt dadurch ab.

Auslösen / Aktivieren: Das Keramik-Stäbchen etwas knicken und der Kristallisations-Vorgang beginnt.
[Andere Modelle: Metallscheibe durchdrücken wodurch ein Knackgeräusch erzeugt wird. Die Schallwelle verdichtet die Flüssigkeit und löst den Kristallisations-Vorgang aus. Andere Theorie: Beim Biegen werden Mikrorisse im Material erzeugt die den Vorgang auslösen.]

Das Hot-Pack kann auch als Cool-Pack verwendet werden, da es bis -9°C flüssig bleibt !

Funktionsweise / Material / Auslösemechanismus

Thermo-Pad / Sodium Acetat - supercool liquid, 54°C / 130°F. Es handelt sich um durch PCM (phase change material) freigesetzte Energie. Mit dem Thermo-Pad kann das Prinzip des PCM auf dramatische Weise vermittelt werden.

PCM-Material ist ein Bestandteil von Tafelsalz/Essig (Sodium Acetat Trihydrate) welches bei 54°C / 130°F fest wird.

Durch die Verpackung wird das Kristalisieren jedoch verhindert und die Flüssigkeit kann zu einer superkalten Flüssigkeit werden, dh. unter den "Gefrierpunkt" sinken. Erst bei ca. -9°C / 23°F wird der Vorgang durch die Temperatur selbst ausgelöst. Bei wärmeren Temperaturen wird ein äusserer Einfluss, z.B. knicken eines Keramik-Stiftes oder der Metallscheibe zur Auslösung des Vorganges benötigt. Da dieser Wechsel von flüssig zu fest immer bei 54°C stattfindet erwärmt sich die Materie auf diese Temperatur.

Aehnliches kann festgestellt werden wenn eine geschlossene Cola auf einige Minusgrade gekühlt wird und dabei oft nicht gefriert. Beim Oeffnen des Behälters gefriert die Cola dann sofort und wird dabei 0°C "warm".

Das Hotpack wird ansonsten z.B. als Körperwärmer (z.B. auch beim Tauchen), Babyfood-Wärmer, Muskelpackung etc. angewandt und ist in div. Grössen und Formen erhältlich.

In der Natur wird auch ganz selten folgendes Phänomen festgestellt: Die Temperatur eines kleinen Sees sinkt auf Minusgrade ohne dass das Wasser gefriert, weil ein Kristallisierungs-Auslöser fehlte (Wasserbewegungen/Objekte im Wasser etc.). Jemand schlägt nun mit eine Stock ins Wasser etc. und der See gefriert innerhalb von Sekunden komplett zu.

Bei Defekt der Aussenhülle: PCM fest werden lassen, Hülle dann mit kleinem Flick und einem Tropfen Leim (Wasserbett-PVC-Flickset) reparieren.

Kosten Hotpack SFr. 5.- (nur über den Fachhandel)


Wo sind die Gemeinsamkeiten des Taschenwärmers und des Klimasoft-Wasserbettes

1. Die grosse Energie-Aufnahme und Energie-Abgabe beim Schmelz- und Verfestigungs-Vorgang (Gefrieren) [ = PCM-Effekt ]
Das Hotpack bleibt bis zu 1 Stunde warm, da die ganze "Gefrier-Energie" bei 54°C abgegeben wird.
Der Klimasoft kann bei 32-37°C grosse Mengen an überschüssiger Wärme aufnehmen ohne spürbar wärmer zu werden wirkt so als Temperaturpuffer und verhindert dadurch ein Schwitzen.

2. Der Vorgang lässt sich endlos wiederholen, nutzt sich nicht ab = extrem ökologisch
Das Hotpack kann wieder aufgeladen werden indem das Salz bei über 60°C im Mikro geschmolzen wird.
Der Klimasoft macht das Aufladen sogar automatisch ohne Energiezufuhr, da er, wenn der (zu) warme Körper von ihm entfernt wird (Verlagerungen, Aufstehen etc.), sich bei unter 32° selber wieder auflädt / fest wird, und so zum erneuten Schmelzvorgang bereit ist.

Der PCM-Effekt = die latente Phase

Grosses Bild: Temperaturverhalten
Die Energie der latenten Phase (beim Hotpack das rückgängig gemachte Schmelzen von flüssig zurück auf fest) wird als Wärme zurückgegeben.

Latente Phase = grosse Energie-Aufnahme / -Abgabe ohne Temperatur-Veränderung die in beiden Temperatur-Richtungen funktioniert (verfestigen und verflüssigen).
Die Energie wird benötigt um das Molekular-Gitter von fest auf flüssig aufzusprengen bzw. die Wärme wird beim erstarren von flüssig auf fest wieder frei.

Durch die latente Phase sind z.B. auch Eiswürfel sehr effiziente Kühl-Objekte. Sie müssen durch grosse Energiemengen zum Schmelzen "gezwungen" werden und kühlen so ein Getränk etc.
Mehr Details zu PCM


Das Hotpack / Taschenwärmer (Latent-Wärmespeicher)

Gitter des Kochsalzes und seine ElementarzelleGitter des Kochsalzes und seine ElementarzelleTrotz eisiger Kälte warme Hände: Kristallisationswärme von Salzen macht es möglich. Wie funktionieren solche Taschenwärmer, die man ganz leicht im Schullabor nachbauen könnte?

Salze sind aus Ionen aufgebaut, etwa das gut bekannte Kochsalz (= Natriumchlorid) aus Natriumionen Na+ und Chloridionen Cl-. Im festen Zustand bilden Salze so genannte Ionengitter aus, in denen sich positive und negative Ionen regelmäßig anordnen. Aufgrund der elektrostatischen Anziehungskräfte zwischen positiven und negativen Ionen sind solche Gitter außerordentlich stabil.

Ionengitterenergie, um das Ionengitter zu zerstörenDas Molekular-Gitter
Wenn man ein Salz durch Erwärmen zum schmelzen bringt, muss man daher beträchtliche Mengen an Energie aufwenden, die sogenannte Ionengitterenergie, um das Ionengitter zu zerstören. Umgekehrt wird die Ionengitterenergie in Form von Wärme frei, wenn ein Salz vom flüssigen zum festen Zustand erstarrt.

Unterkühlte Schmelzen

Eine Schmelze erstarrt normalerweise an ihrem Schmelzpunkt, etwa Wasser bei 0°C. Viele Flüssigkeiten kann man aber auch deutlich unterhalb ihres Schmelzpunkts abkühlen, ohne dass sie fest werden. Solche unterkühlten Schmelzen bezeichnet man als metastabil, da ihr Erstarren plötzlich einsetzen kann. Oftmals kann das Erstarren auch gezielt ausgelöst werden, etwa dadurch, dass man einen Kristallisationskeim - manchmal genügt ein Staubkorn - der Schmelze hinzufügt.

Natriumacetat, eine unterkühlte Salzschmelze als Taschenwärmer

Die Kombination der oben beschriebenen Effekte, Freisetzung von Ionengitterenergie beim Erstarren eines Salzes und Unterkühlung von Schmelzen, kann man auf einfache, aber sehr effektive Weise für die Konstruktion einer Taschenheizung nutzen, die ohne Strom oder Feuer auskommt. Festes Natriumacetat, das Natriumsalz von gewöhnlichem Essig, wird bei 54°C flüssig, doch kann die Schmelze bis auf etwa -10°C abgekühlt werden, ohne dass sie wieder fest wird. Setzt der Erstarrvorgang jedoch ein, wird die Ionengitterenergie frei, und die Schmelze erwärmt sich bis zu ihrem Schmelzpunkt von 54°C und hält auch diese Temperatur, bis sie komplett erstarrt ist.

Der "Knackfrosch", Keramikstäbchen oder Feder als Auslöser

Der entscheidende Trick bestand noch darin, einen Auslöser für das Erstarren des unterkühlten Natriumacetats zu finden, damit man die Heizung auch nach Belieben anstellen kann. Dies wird dadurch erreicht, dass in der Natriumacetatschmelze ein Stahlplättchen vorhanden ist, das beim Knicken ein Geräusch macht, wie man es von den als Kinderspielzeugen gebräuchlichen Knackfröschen kennt. Durch das Knicken entsteht also eine akustische Welle, die durch die Schmelze läuft und sie für einen kurzen Moment verdichtet. Dies genügt, um einen Kristallisationskeim zu erzeugen und das Erstarren der Schmelze auszulösen.

Eine andere Meinung ist, dass Mikrorisse im Metall den Vorgang auslösen.
Ebenfalls gibt es als weitere Auslöser kleine längliche Metallfedern mit Kunststoffhülle oder ein kleiner Keramikstift mit Kunststoffhülle (ideal für Mikrowelle - ohne Metall) die geknickt werden müssen.

Dabei steigt die Temperatur, wie oben erklärt, auf wohlige 54°C für die Dauer des Erstarrvorgangs an, der bei den im Handel befindlichen, handgroßen Taschenheizungen etwa ein bis zwei Stunden in Anspruch nimmt. Der Taschenwärmer kann immer wieder benutzt werden: Bringt man das Natriumacetat durch Erwärmen in kochendem Wasser wieder zum Schmelzen, wird er wieder aktiviert. Beim Schmelzen wird das Natriumacetat in sein Trihydrat umgewandelt.

In jedem Schullabor findet sich Natriumacetat, so dass in Schulversuchen leicht unterkühlte Schmelzen hieraus hergestellt und die hier beschriebenen Effekte beobachtet werden können. Bei Temperaturen von -10°C darf man die Taschenheizung nicht in der Kälte liegen lassen, da der Erstarrvorgang sonst von alleine beginnt.

Quellen
Taschenheizung aus dem Schullabor, von Professor Oliver Reiser
Prof. Dr. Blume, Fakultät Chemie (Didaktik) der Universität Bielefeld
Temperatur-Verlauf (Grafik der Wärmeabgabe)
Telekolleg Chemie des Bayerischen Rundfunks


Die latente Wärmespeicherung
http://www.rubitherm.com/deutsch/pages/04a_waermespeicherung.htm

Es handelt sich um ein bekanntes, rein physikalisches Prinzip. Schmelzen und Verfestigen von Materialien [so genannter Wechsel des Aggregatzustandes] benötigt riesige Energiemengen, ohne dass sich die Temperatur massgeblich verändert. Will man zum Beispiel Eis bei 0 °C zu Wasser von 0 °C schmelzen, benötigt man die gleiche Energiemenge, wie wenn das Wasser von 0 °C auf 80 °C erhitzt werden soll. Im Klimasoft werden Mikrokapseln auf Paraffinbasis verwendet. Die Energieaufnahme dieser wachsähnlichen Paraffine, die bei 32 - 37 °C gestaffelt zu schmelzen beginnen, ist dreimal so hoch wie die von Wasser.

PCM

Phasenwechsel
Führt man einem festen PCM Wärme zu, so beginnt dieses bei Erreichen seiner Schmelztemperatur seinen Aggregatzustand von fest nach flüssig zu ändern. Während dieses Phasenwechsels absorbiert das PCM eine bestimmte Wärmemenge, die sogenannte Schmelzwärme. Da sich hierbei die Temperatur des PCMs trotz Wärmezufuhr nicht ändert, spricht man auch von latenter (versteckter) Wärme. Gleichermaßen wird im umgekehrten Phasenwechsel, von flüssig nach fest, die gespeicherte Latentwärme wieder bei konstanten Temperaturen abgegeben.

Vorteile latenter Wärme

Viele Wärmespeicher wie z. B. der klassische Warmwasserspeicher nutzen nur die sogenannte sensible Wärme, d. h. die durch eine Temperaturänderung fühlbare Wärme. Die Wärmekapazität eines solchen Speichers kann durch die folgende Gleichung bestimmt werden: Q = m · cp · delta T

PCM

Wärmespeicherkapazität

Der Vorteil eines PCMs liegt in der Nutzung der latenten Wärme während des Phasenwechsels.
Ein geringerer, aber nicht zu vernachlässigender Teil, wird als sogenannte sensible (fühlbare) Wärme gespeichert. Daher sollte ein PCM auch gleichzeitig über eine hohe spez. Wärmespeicherkapazität verfügen. Die spez. Wärmekapazität von Wärmeparaffinen liegt bei etwa 2,1 kJ/(kg·K). Zusammen mit der Schmelzenthalpie von 180 bis 230 kJ/kg ergeben sich für organische Stoffe sehr gute Wärmespeichereigenschaften.

Ökologie

In den letzten Jahren hat sich das Umweltbewusstsein der Menschen sehr stark gewandelt und die Kunden schauen vermehrt auch auf die ökologischen Eigenschaften eines Produktes. Wärmeparaffine sind ökologisch unbedenkliche Stoffe und nicht wassergefährdend gemäß Anhang I VwVws (KBwS-Liste, Kenn-Nr. 268), ehemals Wassergefährdungsklasse 0. Sie sind weder toxisch noch gesundheitsschädlich. Sie sind recycelbar und biologisch abbaubar. Vollraffinierte Paraffine entsprechen den deutschen (BgVV) und amerikanischen (FDA) Reinheitsvorschriften für Produkte, die mit Lebensmitteln in Kontakt kommen. Aus den genannten Gründen werden sie auch in der Lebensmittelindustrie (z. B. als Käseumhüllung rote "Babybel" etc.) oder als Grundmaterial für Cremes und Salben eingesetzt.


Der Handwärmer mit Natriumacetattrihydrat
(Formel: NaCH3CO2 · 3H2O ; Dichte g/cm3)
Kommt das unterkühlte Trihydrat mit einem Kristall des Tryhydrats oder mit Luft in Verbindung, kristallisiert es. Beim Kristallisieren wird Energie in Form von Wärme frei (160J/g). Die Temperatur steigt bis zum Schmelzpunkt von 58°C. Im Handwärmer sind etwa 110g Trihydrat enthalten, d.h. es werden etwa 110g x 160J/g = 18000 Joule nutzbare Energie frei. Vermutlich initiieren Mikrorisse im Metallplättchen den Kristallisationsprozess.
Beim Schmelzen wird das Natriumacetat in sein Trihydrat umgewandelt.
http://www.physik.tu-muenchen.de:81/~kressier/Versuche/ver4166.html

Weitere gut unterkühlbare Substanzen
Fixiersalz (Natriumthiosulfat): schmilzt bei 48 °C und lässt sich auf etwa 25 °C unterkühlen.
Glaubersalz (Natriumsulfat): schmilzt bei 32,5 °C. Die Wärmeausbeute ist wegen des niedrigeren Schmelzpunktes gering.
Magnesiumnitrat-Hexahydrat Mg(NO3)2 · 6 H2O: mit einem Zusatz von Lithiumnitrat liegt der Schmelzpunkt dieser Mischung bei 70-80 °C und einer Wärmedichte von 182 J/cm3. Dies reicht aus, um nach Auslösen der Kristallisation den Innenraum eines Autos samt Frontscheibe, und manchmal sogar den Motor, aufzuheizen.
siehe http://dc2.uni-bielefeld.de/dc2/tip/01_99.htm

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