Modellierung des Wärmetransports in Schüttungen im erweiterten Temperaturbereich Dipl.-Ing. Roland Schreiner Robert Hofmockel, M.Sc. Forschungsinstitut für Wärmeschutz e.V. München | Lochhamer Schlag 4 | 82166 Gräfelfing 22.06.2015 Übersicht Schüttungen Modellierung - Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit Arten der Wärmeübertragung Allgemein Schüttungen Wärmetransfer in Schüttungen (Beispiel Blähglas) Fazit Forschungsinstitut für Wärmeschutz e.V. München | Lochhamer Schlag 4 | 82166 Gräfelfing 2 22.06.2015 Schüttungen Stoff Porosität (Anteil Fluid) Partikeldurchmesser Wärmedämmstoffe > 0,8 < 0,5 mm Pulver < 0,8 < 1 mm Schüttungen < 0,8 > 1 mm 0,48 /0,32 /0,26 - Kugelschüttungen sc bcc fcc Forschungsinstitut für Wärmeschutz e.V. München | Lochhamer Schlag 4 | 82166 Gräfelfing 3 22.06.2015 Schüttungen Blähglas- oder Blähtonpartikel (Porosität ca. 0,8) Porosität ca. 0,4 Emissionsgrad ca. 0,9 Partikel 1 bis 10 mm (Blähglas 1 bis 2 mm Schüttdichte 200 bis 300 kg/m³ 220 kg/m³) Feststoffdichte ca. 2000 kg/m³ Forschungsinstitut für Wärmeschutz e.V. München | Lochhamer Schlag 4 | 82166 Gräfelfing 4 22.06.2015 Modellierung - Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit Temperaturabhängige Messungen Mathematische Ausgleichskurven (z.B. Polynome) Parameterbestimmung mit mathematischer Bedeutung Physikalische Ausgleichskurven Parameterbestimmung mit physikalischer Bedeutung FE-Methoden, Kopplung aller Wärmeübertragungsmethoden Analytische Modelle Bestimmung von Stoffeigenschaften nötig Messung der Wärmeleitfähigkeit Andere Messverfahren (Emissionsgrad) Forschungsinstitut für Wärmeschutz e.V. München | Lochhamer Schlag 4 | 82166 Gräfelfing 5 22.06.2015 Arten des Wärmetransportes Allgemein Wärmeleitung Gasphase Festkörper Strahlung Konvektion Schüttungen Porosität Strahlungstransport Keine Konvektion Kopplungseffekt Forschungsinstitut für Wärmeschutz e.V. München | Lochhamer Schlag 4 | 82166 Gräfelfing 6 22.06.2015 Wärmetransport - effektive Wärmeleitfähigkeit Effektive Wärmeleitfähigkeit eff Festkörperkontakt Festkontakt Messung Gas Formel (VDI 2055) Strahlung Strahlung Modell Kopplung Messung Gasleitung Kopplungseffekt eff () = Festkontakt + Gas() + Strahlung() + Kopplung () Forschungsinstitut für Wärmeschutz e.V. München | Lochhamer Schlag 4 | 82166 Gräfelfing 7 22.06.2015 Festkörperkontakt (evakuiert, Blähglas) Strahlung 0,004 W/(m·K) Festkörperkontakt Quelle: ZAE Bayern Forschungsinstitut für Wärmeschutz e.V. München | Lochhamer Schlag 4 | 82166 Gräfelfing 8 22.06.2015 Festkörperkontakt (evakuiert, Blähglas) Festkörperkontakt bei 1000 mbar = 0,004 + 0,005 = 0,009 W/(m·K) +0,005 W/(m·K) 1000 mbar Quelle: ZAE Bayern Forschungsinstitut für Wärmeschutz e.V. München | Lochhamer Schlag 4 | 82166 Gräfelfing 9 22.06.2015 Wärmestrahlung Wechselwirkung der Strahlung mit Materie Absorption (Aufnahme) Emission (Abstrahlung) Streuung (Brechung, Beugung, Reflektion) Extinktion = Streuung + Absorption (Strahlungsabschwächung) I0 Forschungsinstitut für Wärmeschutz e.V. München | Lochhamer Schlag 4 | 82166 Gräfelfing I1 10 22.06.2015 Wärmestrahlung in Schüttungen Geometrische Optik Geometrie und Emissionsgrad der Partikel Strahlungsaustausch von Oberflächen Modell für Schüttungen nach William Schotte* Strahlungsdurchlässigkeit gering, da optisch dick *Schotte, William. "Thermal conductivity of packed beds." AIChE Journal 6.1 (1960): 63-67. Forschungsinstitut für Wärmeschutz e.V. München | Lochhamer Schlag 4 | 82166 Gräfelfing 11 22.06.2015 Wärmestrahlung (Blähglas) 1,0E+00 1,0E-01 Optisch dick Schüttungen sind ab 3 mm Probendicke optisch dick Dicke in m 1,0E-02 3 mm 1,0E-03 1,0E-04 Optisch dünn 1,0E-05 1,0E-06 1,0E+02 1,0E+03 1,0E+04 1,0E+05 Extinktionskoeffizient in 1/m Forschungsinstitut für Wärmeschutz e.V. München | Lochhamer Schlag 4 | 82166 Gräfelfing 12 22.06.2015 Infrarot-Blocker (Emission, Geometrie) Reflektor (verspiegelt) Strahlung zwischen Objektwänden Niedriger Emissionsgrad Große Partikel Hohe Porosität Keinen Dickeneffekt Ganzmetalldämmungen Forschungsinstitut für Wärmeschutz e.V. München | Lochhamer Schlag 4 | 82166 Gräfelfing 13 22.06.2015 Infrarot-Blocker (Extinktion) Absorption (Graphit, schwarz) Durchgehende Strahlung durch Zellwände Hoher Emissionsgrad Erhöhung der Absorption Streuung (Aluminiumflitter) Niedriger Emissionsgrad Erhöhung der Streuung Dickeneffekt Dämmstoffe mit hoher Porosität EPS Forschungsinstitut für Wärmeschutz e.V. München | Lochhamer Schlag 4 | 82166 Gräfelfing 14 22.06.2015 Kopplungseffekt bei Raumtemperatur, Blähglas Festkörperkontakt (evakuiert, externer Druck: 1000 mbar) = 0,009 W/(m·K) Luft einkoppeln, 1000 mbar Festkörper + Luft 0,009 + 0,025 = 0,034 W/(m·K) Blähglas (300 K) = 0,070 W/(mK) Kopplungseffekt = 0,030 W/(m·K) Quelle: ZAE Bayern Forschungsinstitut für Wärmeschutz e.V. München | Lochhamer Schlag 4 | 82166 Gräfelfing 15 22.06.2015 Kopplungseffekt bei Raumtemperatur, Blähglas Festkörperkontakt (evakuiert, externer Druck: 1000 mbar) = 0,009 W/(m·K) Luft einkoppeln, 1000 mbar Festkörper + Luft 0,009 + 0,025 = 0,034 W/(m·K) Blähglas (300 K) = 0,070 W/(mK) Kopplungseffekt = 0,030 W/(m·K) Quelle: ZAE Bayern Forschungsinstitut für Wärmeschutz e.V. München | Lochhamer Schlag 4 | 82166 Gräfelfing 16 22.06.2015 Wärmetransfer in Dämmstoffen / Schüttungen Parzinger, Stephan. Dissertation: Analytische Modellierung der temperatur-und gasdruckabhängigen effektiven Wärmeleitfähigkeit von Pulvern. Verlag Dr. Hut, 2014. Forschungsinstitut für Wärmeschutz e.V. München | Lochhamer Schlag 4 | 82166 Gräfelfing 17 22.06.2015 Wärmetransfer in Dämmstoffen / Schüttungen Parzinger, Stephan. Dissertation: Analytische Modellierung der temperatur-und gasdruckabhängigen effektiven Wärmeleitfähigkeit von Pulvern. Verlag Dr. Hut, 2014. Forschungsinstitut für Wärmeschutz e.V. München | Lochhamer Schlag 4 | 82166 Gräfelfing 18 22.06.2015 Wärmeleitfähigkeit W/(mK) Wärmetransfer in Schüttungen, Blähglas 0,190 0,180 0,170 0,160 0,150 0,140 0,130 0,120 0,110 0,100 0,090 0,080 0,070 0,060 0,050 0,040 0,030 0,020 0,010 0,000 VDI/Keymark Referenzkurve (eff. Wärmeleitfähigkeit) Summe Leitung (Luft, Festkörper) + Strahlung Strahlung (Modell Schotte) Festkörperkontakt Luft Leitung Kopplungseffekt 0 50 100 150 200 250 300 350 Temperatur in °C 400 Forschungsinstitut für Wärmeschutz e.V. München | Lochhamer Schlag 4 | 82166 Gräfelfing 450 500 550 19 22.06.2015 Wärmetransfer in Schüttungen, Blähglas (Anteile) 100% 90% Strahlung (Modell Schotte) 80% Anteil Wärmetransfer 70% 60% Kopplungseffekt 50% 40% Luft Leitung 30% 20% 10% Festkörperkontakt 0% 0 50 100 150 200 250 300 350 Temperatur in °C 400 Forschungsinstitut für Wärmeschutz e.V. München | Lochhamer Schlag 4 | 82166 Gräfelfing 450 500 550 20 22.06.2015 Fazit Verständnis des Wärmetransports in Schüttungen vertieft Minimierung der effektiven Wärmeleitfähigkeit Wirksamkeit von Infrarot-Blocker Kopplungseffekt quantifiziert Ausblick: Modellierung der Geometrie von Schüttungen sowie alle Methoden des Wärmetransports durch Finite-Elemente möglich. Forschungsinstitut für Wärmeschutz e.V. München | Lochhamer Schlag 4 | 82166 Gräfelfing 21 22.06.2015
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