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Open Access
Effektive Wärmeleitfähigkeit von Metallhydrid-Materialien zur Speicherung von Wasserstoff
(1994) Kallweit, Jörg; Hahne, Erich (Prof. Dr.-Ing.)
Aufbauend auf dem Modell der Einheitszelle von Zehner, Bauer und Schlünder für pulverförmige Stoffe mit inerten Füllgasen wird ein erweitertes Modell zur Berechnung der effektiven Wärmeleitfähigkeit λe für Schüttungen mit Reaktion zwischen Feststoff und Füllgas erstellt. Maßnahmen zur Erhöhung von λe wie das Einbringen einer metallischen Wärmeleitmatrix oder das Aufbringen einer zusatzlichen äußeren Last können mit diesem erweiterten Modell ebenfalls berücksichtigt werden. Ein Vergleich zwischen den gemessenen und berechneten Werten der effektiven Wärmeleitfähigkeit sehr unterschiedlicher Metallhydrid-Materialien zeigt eine gute Übereinstimmung. Experimentelle Untersuchungen erfolgen am Niedertemperatur-Metallhydrid HWT 5800 und am Mitteltemperatur-Metallhydrid LaNi4,7Al0,3Hx bei Temperaturen und Drücken im Bereich -80 < ϑ < 140 °C bzw. 10-6 < p < 60 bar. Die Porosität des nicht hydrierten Metallpulvers wird zwischen 0,445 und 0,6 variiert. Die Versuchsanlage arbeitet nach dem transienten Heißdrahtverfahren. Als Haupteinflußgröße für die effektive Wärmeleitfähigkeit erweist sich der anliegende Wasserstoffdruck, während die Temperatur nur indirekt einen Einfluß zeigt. Im Bereich des jeweiligen Druckplateaus der Konzentrations-Druck-Isothermen (KDI) wird der für Schüttungen typische Smoluchowski-Verlauf von einem zusätzlichen Effekt überlagert: Die Einlagerung von Wasserstoffatomen auf Zwischengitterplätzen im Metallgitter bewirkt einen Phasenwechsel, der eine Volumendehnung der Partikel nach sich zieht. Die damit verbundene zusätzliche Pressung der Partikel verursacht eine Vergrößerung des Kontaktflächenanteils und damit eine Erhöhung von λe. Dem entgegen wirkt die Abnahme der Feststoffwärmeleitfähigkeit mit zunehmender Hydrierung. Ergänzend wird im erweiterten Modell für reagierende Schüttungen der während der ersten Be- und Entladezyklen stattfindende Partikelzerfall berücksichtigt, der die anfänglich polydisperse Schüttung in Richtung monodispers verschiebt. Die mittlere freie Weglänge der Wasserstoffmoleküle erreicht aufgrund des Partikelzerfalls auch im technisch noch relevanten Druckbereich eine mit den Porenabmessungen vergleichbare Größenordnung.
Open Access
Experimentelle Untersuchung zur freien Konvektion an Rohren in einer Kies/Wasser-Schüttung
(2001) Chang, Wen-Shih; Hahne, Erich (Prof. Dr.-Ing.)
In Rahmen dieser Arbeit wurde der Wärmeübergang an horizontalen Einzelrohren, drei übereinander liegenden und sieben versetzt angeordneten Rohren, sowohl in Wasser allein als auch in der Kies/Wasser-Schüttung in Abhängigkeit von der Wärmestromdichte experimentell untersucht. Als Schüttgut wurden drei verschiedene Steingrößen eingesetzt, mit der Korngrößenverteilung von 4 bis 8, 8 bis 16 und 16 bis 32 mm (Kies 4/8, Kies 8/16 und Kies 16/32). Die Messungen an Einzelrohren in der Kies/Wasser-Schüttung ergaben drei unterschiedliche Strömungsgebiete: Darcy-Strömung, Forchheimer-Strömung und Turbulente Strömung. Bei der Berechnung der maximalen Grashof-Zahl ist die nicht wandkorrigierte Porosität einzusetzen. Der Wärmeübergang nimmt mit steigender Wärmestromdichte und größer werdender Korngröße des Kieses zu. Es konnten drei neue Korrelationsgleichungen für den Wärmeübergang ermittelt werden. Sie geben die Meßwerte mit einer mittleren Abweichung von 10 % wieder. Bei den Versuchen mit sieben versetzt angeordneten Rohren, erhält man außer bei den Messungen mit Kies 8/16 beim Teilungsverhältnis S/D = 5 immer eine Verringerung der mittleren Nusselt-Zahl gegenüber dem Einzelrohr (Bezug auf Zuströmtemperatur). Mit steigender Wärmestromdichte nimmt die normierte mittlere Nusselt-Zahl zu. In Wasser tritt die größte mittlere Nusselt-Zahl bei S/D = 5 auf, während sich in der Kies/Wasser-Schüttung die größte mittlere Nusselt-Zahl zwischen den Verhältnissen S'/d = 1,47 und S'/d = 2,95 zeigt. Die Versuche mit drei übereinander liegenden Rohren ergaben ähnliche Ergebnisse wie mit den sieben versetzt angeordneten Rohren. Es wurde eine Erhöhung der mittleren Nusselt-Zahl gegenüber den sieben versetzt angeordneten Rohren festgestellt. Die mittlere Erhöhung liegt zwischen 2,4 % und 19,8 %.