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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.

22.06.2015 Forschungsinstitut für Wärmeschutz e.V. München | Lochhamer Schlag 4 | 82166 Gräfelfing

http://www.fiw-muenchen.de/

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Schüttungen

Modellierung - Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit

Arten der Wärmeübertragung

Allgemein

Schüttungen

Wärmetransfer in Schüttungen (Beispiel Blähglas)

Fazit

Übersicht



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



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



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



Allgemein

Wärmeleitung

Gasphase

Festkörper

Strahlung

Konvektion

Schüttungen

Porosität

Strahlungstransport

Keine Konvektion

Kopplungseffekt

Arten des Wärmetransportes



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



Festkörperkontakt (evakuiert, Blähglas)

0,004 W/(m·K)

Festkörperkontakt

Strahlung

Quelle: ZAE Bayern



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



Wärmestrahlung

Wechselwirkung der Strahlung mit Materie

Absorption (Aufnahme)

Emission (Abstrahlung)

Streuung (Brechung, Beugung, Reflektion)

Extinktion = Streuung + Absorption (Strahlungsabschwächung)

I0 I1



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.



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



Reflektor (verspiegelt)

Strahlung zwischen Objektwänden

Niedriger Emissionsgrad

Große Partikel

Hohe Porosität

Keinen Dickeneffekt

Ganzmetalldämmungen

Infrarot-Blocker (Emission, Geometrie)



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)



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



Wärmetransfer in Dämmstoffen / Schüttungen

Parzinger, Stephan. Dissertation: Analytische Modellierung der temperatur-und

gasdruckabhängigen effektiven Wärmeleitfähigkeit von Pulvern. Verlag Dr. Hut, 2014.



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



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)



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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