22.06.2015 Forschungsinstitut für Wärmeschutz e.V. München | Lochhamer Schlag 4 | 82166 Gräfelfing
Modellierung des Wärmetransports in
Schüttungen im erweiterten Temperaturbereich
Dipl.-Ing. Roland Schreiner
Robert Hofmockel, M.Sc.
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Schüttungen
Modellierung - Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit
Arten der Wärmeübertragung
Allgemein
Schüttungen
Wärmetransfer in Schüttungen (Beispiel Blähglas)
Fazit
Übersicht
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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
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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. 2000 kg/m³
Schüttungen
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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)
Modellierung - Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit
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Allgemein
Wärmeleitung
Gasphase
Festkörper
Strahlung
Konvektion
Schüttungen
Porosität
Strahlungstransport
Keine Konvektion
Kopplungseffekt
Arten des Wärmetransportes
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Effektive Wärmeleitfähigkeit eff
Festkörperkontakt Festkontakt Messung
Gasleitung Gas Formel (VDI 2055)
Strahlung Strahlung Modell
Kopplungseffekt Kopplung Messung
eff () = Festkontakt + Gas() + Strahlung() + Kopplung ()
Wärmetransport - effektive Wärmeleitfähigkeit
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Festkörperkontakt (evakuiert, Blähglas)
0,004 W/(m·K)
Festkörperkontakt
Strahlung
Quelle: ZAE Bayern
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Festkörperkontakt (evakuiert, Blähglas)
1000 mbar
+0,005 W/(m·K)
Festkörperkontakt bei 1000 mbar =
0,004 + 0,005 = 0,009 W/(m·K)
Quelle: ZAE Bayern
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Wärmestrahlung
Wechselwirkung der Strahlung mit Materie
Absorption (Aufnahme)
Emission (Abstrahlung)
Streuung (Brechung, Beugung, Reflektion)
Extinktion = Streuung + Absorption (Strahlungsabschwächung)
I0 I1
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Geometrische Optik
Geometrie und Emissionsgrad der Partikel
Strahlungsaustausch von Oberflächen
Modell für Schüttungen nach William Schotte*
Strahlungsdurchlässigkeit gering, da optisch dick
Wärmestrahlung in Schüttungen
*Schotte, William. "Thermal conductivity of packed beds." AIChE Journal 6.1 (1960): 63-67.
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Wärmestrahlung (Blähglas)
1,0E-06
1,0E-05
1,0E-04
1,0E-03
1,0E-02
1,0E-01
1,0E+00
1,0E+02 1,0E+03 1,0E+04 1,0E+05
Dic
ke in
m
Extinktionskoeffizient in 1/m
Schüttungen sind ab 3 mm Probendicke optisch dick
Optisch dünn
Optisch dick
3 mm
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Reflektor (verspiegelt)
Strahlung zwischen Objektwänden
Niedriger Emissionsgrad
Große Partikel
Hohe Porosität
Keinen Dickeneffekt
Ganzmetalldämmungen
Infrarot-Blocker (Emission, Geometrie)
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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
Infrarot-Blocker (Extinktion)
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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
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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
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Wärmetransfer in Dämmstoffen / Schüttungen
Parzinger, Stephan. Dissertation: Analytische Modellierung der temperatur-und
gasdruckabhängigen effektiven Wärmeleitfähigkeit von Pulvern. Verlag Dr. Hut, 2014.
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Wärmetransfer in Dämmstoffen / Schüttungen
Parzinger, Stephan. Dissertation: Analytische Modellierung der temperatur-und
gasdruckabhängigen effektiven Wärmeleitfähigkeit von Pulvern. Verlag Dr. Hut, 2014.
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Wärmetransfer in Schüttungen, Blähglas
0,000
0,010
0,020
0,030
0,040
0,050
0,060
0,070
0,080
0,090
0,100
0,110
0,120
0,130
0,140
0,150
0,160
0,170
0,180
0,190
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550
Wä
rme
leit
fäh
igk
eit
W/(
mK
)
Temperatur in °C
VDI/Keymark Referenzkurve (eff. Wärmeleitfähigkeit)
Summe Leitung (Luft, Festkörper) + Strahlung
Strahlung (Modell Schotte)
Festkörperkontakt
Luft Leitung
Kopplungseffekt
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Wärmetransfer in Schüttungen, Blähglas (Anteile)
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550
An
teil
Wä
rme
tra
ns
fer
Temperatur in °C
Festkörperkontakt
Kopplungseffekt
Luft Leitung
Strahlung (Modell Schotte)
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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.
Fazit
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