Untersuchung der Wärmeleitfähigkeit poröser Dämmstoffe unter den gekoppelten Einflüssen von Porengröße und Gasdruck (10-8 bis 10+2 bar)

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ziel dieses Vorhabens war die experimentelle Untersuchung der effektiven Wärmeleitfähigkeit poröser Dämmstoffe mit unterschiedlicher Porengrößenverteilung, die sich von Makrobereich (< 500 μm) bis hin zum Nanobereich (> 8 nm) erstreckt. Dabei wurden verschiedene Gasatmosphären (Argon, Stickstoff und Helium) bei Temperaturen bis zu 1000 °C unter Normaldruck, sowie im Überdruckbereich (bis zu 100 bar) und im Unterdruckbereich (bis zu 10-8 bar) verwendet. Um dies zu ermöglichen, wurde eine Messapparatur nach dem guarded-hot-plate Prinzip entwickelt, gebaut, in Betrieb genommen, erprobt und verifiziert. Die so entstandene Anlage enthält umfangreiche Heiz-, Schutzheiz-, Mess-, Steuerungs-, Regelungs- und Sicherheitseinrichtungen. Mit der neuen Versuchanlage können die gekoppelten Einflüsse von Gasatmosphäre, Gasdruck und Porengröße sowie deren Verteilung detailliert in sehr weiten Parameterbereichen untersucht werden. Erste Ergebnisse zeigen das bekannte Absinken der effektiven Wärmeleitfähigkeit bei zunehmender Knudsen-Zahl (Smoluchowski-Effekt), wobei sich abhängig von der Charakteristik der Porengrößenverteilung unterschiedliche Phänomene ergeben. Zur Klassifizierung der untersuchten Materialien im Hinblick auf den Knudsen-Effekt mit den gekoppelten Einflüssen von Gasdruck und Gas-Atmosphäre wurde ein neuer Parameter eingeführt, der Knudsen-Quotient. Diese Kennzahl ist von großer Bedeutung bei Analyse und Modellierung solcher poröser Dämmstoffe. So konnten Wärmetransport-Phänomene in porösen Medien erkannt und nachgewiesen werden, die bislang anderen Wissenschaftlern verschlossen blieben. Infolge der Vielzahl der untersuchten Einflussgrößen wurden weitere Zusammenhänge beobachtet, für die derzeit noch keine Erklärung möglich ist und deshalb einer nachfolgenden Untersuchung bedürfen. So ergab sich beispielsweise, dass bei verschiedenen porösen Medien die effektive Wärmeleitfähigkeit im Überdruckbereich ab einem bestimmten Gasdruck sehr stark zunimmt. Ein Verfahren zur Umrechnung der effektiven Wärmeleitfähigkeit poröser Materialien bei veränderter Gasatmosphäre unter Normaldruck wurde erarbeitet. Hierfür wurde ein Modell auf der Grundlage der Theorie verdünnter Gase (Knudsen Theorie) entwickelt. Es beinhaltet einen Korrekturfaktor, der die Art der Porengrößenverteilung (eng oder weit), den Knudsen- Quotienten sowie den thermischen Akkommodationskoeffizienten berücksichtigt.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Review on Gas Thermal Conductivity in Porous Materials and Knudsen Effect. in: Thermal Conductivity 29, DEStech Publ., Lancester, Pennsylvania, USA, ISBN No. 978-1-932078-72-5, 2008, 357-373
  K. Raed, U. Gross
  
• Modeling of Influence of Gas Atmosphere and Pore-Size Distribution on the Effective Thermal Conductivity of Knudsen and Non-Knudsen Porous Materials. Int. J. Thermophysics 30, 2009, 1343-1356
  K. Raed, U. Gross
  
• Study on the Effective Thermal Conductivity of Macro, Micro and Nano Porous Materials in the Light of Knudsen Conduction/ Radiation Coupling Effect. Proc. Int. Heat Transfer Conf., IHTC14, August 8-13, 2010, Washington, DC, USA
  U. Gross, K. Raed
  
• New Guarded Hot Plate Facility for Temperatures up to 1000 °C and Pressures from 10-8 to 10+2 bar, 31th Int. Thermal Conductivity Conf. & 19th Int. Thermal Expansion Symposium, June 26–30, 2011, Saguenay, Quebec, Kanada
  K. Raed, U. Gross
  
• Application of Laser-Flash Method to Porous Media-Problems and Challenges, Thermal Conductivity 31, DEStech Publ., Lancester, Pennsylvania, USA, ISBN No. 978-1-60595-055-6, 2013, 67-80
  K. Raed, U. Gross
  
• Investigation of Knudsen and Gas-Atmosphere Effects on Effective Thermal Conductivity of Porous Media, Diss., TU Bergakademie Freiberg 2013
  K. Raed