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Messung und Modellierung der effektiven Wärmeleitfähigkeit von Dämmstoffschüttungen für vakuumwärmegedämmte Warmwasserspeicher
(2022) Lang, Stephan; Spindler, Klaus (apl. Prof. Dr.-Ing.)
Das Ziel dieser Arbeit ist es, hinsichtlich Dämmwirkung und Kosten geeignete schüttfähige Wärmedämmstoffe für doppelwandige Warmwasserspeicher mit Vakuumwärmedämmung zu identifizieren und eine Vorhersage über die effektive Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit von Luftdruck und Temperatur treffen zu können. Zu diesem Zweck werden expandierte Perlite unterschiedlicher mittlerer Korngrößen und Mischungen aus expandierten Perliten und pyrogener Kieselsäure untersucht. Schwerpunkt der Untersuchungen ist die Ermittlung der effektiven Wärmeleitfähigkeit bei unterschiedlichen Luftdrücken und Temperaturen. Die effektive Wärmeleitfähigkeit wird in einer eigens entwickelten Versuchsanlage, nach einem stationären Messprinzip, bei Luftdrücken zwischen 0,001 mbar und Atmosphärendruck von (960 ± 20) mbar sowie bei Probenmitteltemperaturen zwischen -5 °C und 90 °C bestimmt. Die maximale relative Messunsicherheit der Versuchsanlage beträgt < 8 % bei den geringsten und < 3 % bei den höchsten gemessenen effektiven Wärmeleitfähigkeiten. Reine feinkörnige expandierte Perlite mit Dichten der Schüttungen ≥ 182 kg/m³ erreichen bei Luftdrücken ≤ 0,1 mbar und allen gemessenen Probenmitteltemperaturen die geringsten effektiven Wärmeleitfähigkeiten. Bei einer Probenmitteltemperatur von 48 °C liegen diese bei ≤ 4,84 mW/(m·K). Mischungen aus einem vergleichsweise grobkörnigen expandierten Perlit mit einer sehr feinkörnigen und feinporigen pyrogenen Kieselsäure können hingegen, bei technisch einfacher zu handhabenden Luftdrücken von > 1 mbar, z. T. geringere effektive Wärmeleitfähigkeiten erreichen als reine expandierte Perlite. Mischungen dieser Komponenten werden in dieser Arbeit erstmals in Form einer losen Schüttung bzgl. ihrer effektiven Wärmeleitfähigkeit untersucht. Bei einer Probenmitteltemperatur von 48 °C werden in diesem Luftdruckbereich effektive Wärmeleitfähigkeiten dieser Mischungen von > 12,17 mW/(m·K) gemessen. Anhand der gemessenen effektiven Wärmeleitfähigkeiten sowie weiterer Stoffeigenschaften, werden vollständig prädiktive analytische Modelle der effektiven Wärmeleitfähigkeit entwickelt. Das Modell für Mischungen gilt für ein ausgewähltes Stoffpaar, während das Modell für expandierte Perlite für beliebige ungemahlene expandierte Perlite verwendbar ist. Es handelt sich nach Kenntnis des Autors um das erste vollständig prädiktive analytische Modell der effektiven Wärmeleitfähigkeit für expandierte Perlite, welches auch die Kopplung von Gas- und Festkörperwärmeleitung berücksichtigt und für welches lediglich drei einfach und kostengünstig zu messende Größen bestimmt werden müssen. Diese Größen sind der volumengewichtet gemittelte Korndurchmesser, die mittlere Korndichte sowie die Dichte der Schüttung des expandierten Perlits. Aus den Messwerten der effektiven Wärmeleitfähigkeit wird ein Zusammenhang von volumengewichtet gemitteltem Korndurchmesser zur Kopplung von Gas- und Festkörperwärmeleitung deutlich, der für das Modell für expandierte Perlite verwendet wird. Mit den Modellen ist es nun möglich, ohne entsprechende Messungen, die effektive Wärmeleitfähigkeit von Mischungen aus einem expandierten Perlit und einer pyrogenen Kieselsäure sowie für beliebige ungemahlene expandierte Perlite, mit zufriedenstellender bis hoher Genauigkeit vorherzusagen.