Modellierung des Wärmetransports in Schüttungen im erweiterten Temperaturbereich Dipl.-Ing. Roland Schreiner Robert Hofmockel, M.Sc.

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1 Modellierung des Wärmetransports in Schüttungen im erweiterten Temperaturbereich Dipl.-Ing. Roland Schreiner Robert Hofmockel, M.Sc. Forschungsinstitut für Wärmeschutz e.v. München Lochhamer Schlag Gräfelfing

2 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 Gräfelfing 2

3 Schüttungen Stoff Porosität (Anteil Fluid) Partikeldurchmesser Wärmedämmstoffe > 0,8 < 0,5 mm Pulver < 0,8 < 1 mm Schüttungen < 0,8 > 1 mm Kugelschüttungen 0,48 /0,32 /0,26 - sc bcc fcc Forschungsinstitut für Wärmeschutz e.v. München Lochhamer Schlag Gräfelfing 3

4 Schüttungen Blähglas- oder Blähtonpartikel (Porosität ca. 0,8) Porosität ca. 0,4 Emissionsgrad ca. 0,9 (Blähglas Partikel 1 bis 10 mm 1 bis 2 mm Schüttdichte 200 bis 300 kg/m³ 220 kg/m³) Feststoffdichte ca kg/m³ Forschungsinstitut für Wärmeschutz e.v. München Lochhamer Schlag Gräfelfing 4

5 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 Gräfelfing 5

6 Arten des Wärmetransportes Allgemein Wärmeleitung Gasphase Festkörper Strahlung Konvektion Schüttungen Porosität Strahlungstransport Keine Konvektion Kopplungseffekt Forschungsinstitut für Wärmeschutz e.v. München Lochhamer Schlag Gräfelfing 6

7 Wärmetransport - effektive Wärmeleitfähigkeit Effektive Wärmeleitfähigkeit eff Festkörperkontakt Festkontakt Messung Gasleitung Gas Formel (VDI 2055) Strahlung Strahlung Modell Kopplungseffekt Kopplung Messung eff ( ) = Festkontakt + Gas ( ) + Strahlung ( ) + Kopplung ( ) Forschungsinstitut für Wärmeschutz e.v. München Lochhamer Schlag Gräfelfing 7

8 Festkörperkontakt (evakuiert, Blähglas) Strahlung 0,004 W/(m K) Festkörperkontakt Quelle: ZAE Bayern Forschungsinstitut für Wärmeschutz e.v. München Lochhamer Schlag Gräfelfing 8

9 Festkörperkontakt (evakuiert, Blähglas) Festkörperkontakt bei 1000 mbar = 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 Gräfelfing 9

10 Wärmestrahlung Wechselwirkung der Strahlung mit Materie Absorption (Aufnahme) Emission (Abstrahlung) Streuung (Brechung, Beugung, Reflektion) Extinktion = Streuung + Absorption (Strahlungsabschwächung) I 0 I 1 Forschungsinstitut für Wärmeschutz e.v. München Lochhamer Schlag Gräfelfing 10

11 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): Forschungsinstitut für Wärmeschutz e.v. München Lochhamer Schlag Gräfelfing 11

12 Dicke in m Wärmestrahlung (Blähglas) 1,0E+00 1,0E-01 1,0E-02 Optisch dick Schüttungen sind ab 3 mm Probendicke optisch dick 3 mm 1,0E-03 1,0E-04 1,0E-05 Optisch dünn 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 Gräfelfing 12

13 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 Gräfelfing 13

14 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 Gräfelfing 14

15 Kopplungseffekt bei Raumtemperatur, Blähglas Festkörperkontakt (evakuiert, externer Druck: 1000 mbar) = 0,009 W/(m K) Luft einkoppeln, 1000 mbar Festkörper + Luft 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 Gräfelfing 15

16 Kopplungseffekt bei Raumtemperatur, Blähglas Festkörperkontakt (evakuiert, externer Druck: 1000 mbar) = 0,009 W/(m K) Luft einkoppeln, 1000 mbar Festkörper + Luft 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 Gräfelfing 16

17 Wärmetransfer in Dämmstoffen / Schüttungen Parzinger, Stephan. Dissertation: Analytische Modellierung der temperatur-und gasdruckabhängigen effektiven Wärmeleitfähigkeit von Pulvern. Verlag Dr. Hut, Forschungsinstitut für Wärmeschutz e.v. München Lochhamer Schlag Gräfelfing 17

18 Wärmetransfer in Dämmstoffen / Schüttungen Parzinger, Stephan. Dissertation: Analytische Modellierung der temperatur-und gasdruckabhängigen effektiven Wärmeleitfähigkeit von Pulvern. Verlag Dr. Hut, Forschungsinstitut für Wärmeschutz e.v. München Lochhamer Schlag Gräfelfing 18

19 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 Temperatur in C Forschungsinstitut für Wärmeschutz e.v. München Lochhamer Schlag Gräfelfing 19

20 Anteil Wärmetransfer Wärmetransfer in Schüttungen, Blähglas (Anteile) 100% 90% 80% Strahlung (Modell Schotte) 70% 60% Kopplungseffekt 50% 40% 30% Luft Leitung 20% 10% 0% Festkörperkontakt Temperatur in C Forschungsinstitut für Wärmeschutz e.v. München Lochhamer Schlag Gräfelfing 20

21 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 Gräfelfing 21