Institutsbericht 2020
Institute of Computational Physics
Entwicklung eines Prüfstands zur Bestimmung von Wärmeleitfähigkeiten Computersimulationen von Wärme- und Stoffflüssen sind in der Entwicklung thermisch angeregter Systeme heutzutage nicht mehr wegzudenken. Entscheidend für deren Genauigkeit sind die darin verwendeten Stoffparameter. Speziell Wärmeleitfähigkeiten zur Beschreibung von Wärmeleitungsphänomenen sind häufig nur grob und nur bei Raumtemperatur bekannt. Deshalb entwickeln wir einen Prüfstand, der Wärmeleitfähigkeiten von Feststoffen und Verbundanordnungen über einen grossen T-Bereich misst. Mitwirkende: Partner: Finanzierung: Dauer:
S. Ehrat, T. Hocker ZHAW-IMPE: Team D. Penner & Team C. Brändli, Georg Fischer Piping Systems Innosuisse 2018–2021
In unseren F&E-Projekten spielen Wärmeleitungsphänomene eine wichtige Rolle. Die zur Optimierung solcher Systeme eingesetzten Computermodelle werden in ihrer Aussagekraft und Genauigkeit durch die im Modell verwendeten Wärmeleitfähigkeiten eingeschränkt. Letztere zeigen meist eine starke Temperaturabhängigkeit und hängen bei mikrostrukturierten Materialien zudem von deren Porosität ab. Weitere Unsicherheiten ergeben sich durch thermische Kontaktwiderstände zwischen verschiedenen Materialschichten, die nur über Wärmeleitungsmessungen der ganzen Verbundanordnung ermittelt werden können. Aus diesen Gründen haben wir uns dazu entschieden, einen Prüfstand zur Bestimmung von Wärmeleitfähigkeiten von Feststoffen zu entwickeln.
trahieren, muss zusätzlich die Emissivität der untersuchten Proben bestimmt werden. Eine elektrische Widerstandsheizung ist in eine MICA-Folie eingebettet (braun), welche Temperaturen bis 500 °C erreicht. Für die Auslegung der thermischen Isolation sind CFD-Simulationen zum Zuge gekommen. Als optimale Isolationslösung ergab sich eine Verbundanordnung verschiedener Dämmmaterialen. Als erste Isolationsschicht kommt eine nanoporöse Dämmplatte auf Basis von Siliciumdioxid zum Einsatz. Auf diese Dämmung folgt eine Schicht aus Steinwolle und eine abschliessende XPS-Dämmplatte. Die Abbildung 2 zeigt die stationäre Temperaturverteilung dieser Anordnung auf. In der Bildmitte sind der beheizte Kupferblock und die darüber platzierte Probe zu erkennen. Diese Bauteile sind von der nanoporösen Dämmung umgeben. Diese Dämmschicht ist nur 3 cm dick, reduziert aber die Temperatur um 300-400 °C. Die Oberseite ist gegen die Umgebung offen und somit luftgekühlt. Dies ist in der Abbildung anhand der über Naturkonvektion aufsteigenden heissen Luft zu sehen.
Abb. 1: CAD-Darstellung des Prüfstandes mit Probenmaterial in Blau, Kupferblock in Rot, Heizfolie in Braun, sowie Thermoelementen (Grün, Weiss) und erste Isolationsschicht (Transparent).
Umgebung
Abbildung 1 zeigt den simplen Aufbau des geplanten Prüfstands. Die Probe (blau) wird mittels eines beheizten Kupferblockes (rot) auf die gewünschte Temperatur gebracht und dort gehalten. Mit der gemessenen Temperaturdifferenz zwischen der Ober- und Unterseite der Probe im stationären Zustand sowie der bekannten Heizleistung und der Probendicke kann die Wärmeleitfähigkeit der Probe berechnet werden. Die Temperaturen an der Probenunterseite werden mittels Thermoelemente vom Typ K gemessen, während eine Wärmebildkamera für die Temperaturmessung an der Oberseite vorgesehen ist. Um aus den Wärmebildern möglichst genaue T-Werte zu ex-
Zürcher Fachhochschule
Dämmung
Abb. 2: CFD-Simulation der Temperaturverteilung im Prüfstand. Die höchsten Temperaturen herrschen im beheizten Kupferblock (violett). Ausserdem erkennt man den Effekt der Naturkonvektion in der Umgebungsluft oberhalb der Probe.
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