Simulation und Optimierung des Wärmedämmvermögens von PUR-Hartschaum : Wärme- und Stofftransport sowie mechanische Verformung

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Vorhersage und Verbesserung der Wärmedämmwirkung geschlossenzelliger PUR-Hartschaumstoffe unter Berücksichtigung der gesamten Nutzungsdauer. Bei diesen Schaumstoffen verschlechtert sich die Wärmedämmwirkung langsam durch diffusiven Austausch von Treibmittel und Umgebungsluft. Die Simulation dieses Alterungsprozesses ermöglicht die Bereitstellung anwendungsbezogener Entscheidungshilfsmittel bei der Optimierung von Treibmittelzusammensetzung und Schaumstoffdichte. Der zeitliche Verlauf des Alterungsprozesses wird auf der Grundlage einer ausführlichen Modellbildung für unterschiedliche Zellstrukturen, Schaumstoffdichten und Treibmittel vorhergesagt. Die Modellbildung berücksichtigt den Wärme- und Stofftransport im Schaumstoff und die damit einhergehende mechanische Belastung. Darauf aufbauend wurde ein Simulationsprogramm erstellt, welches eine numerische Lösung der Modellgleichungen und eine grafische Darstellung der Simulationsergebnisse ermöglicht. Zur Bestimmung von Modellparametern sowie zur Modellvalidierung wurden verschiedene Meßverfahren entwickelt, unter anderem ein Aufbau zur Bestimmung effektiver Diffusionskoeffizienten und eine Apparatur zur Zellgasanalyse mittels Gaschromatographie. Mit dem Simulationsprogramm werden zunächst Parametervariationen durchgeführt, um die Sensibilität einzelner Modellparameter abzuschätzen und allgemeingültige Vorgaben abzuleiten. Damit lassen sich jedoch noch keine sicheren Vorgaben für die Treibmittelzusammensetzung und die Schaumdichte formulieren. Dies ist erst unter Berücksichtigung der speziellen, bei der jeweiligen Anwendung vorliegenden Temperaturen und geometrischen Randbedingungen möglich. Um diesem Umstand Rechnung zu tragen, werden die Anwendungsbeispiele Gefriertruhe, Kühlschrank und Steildachisolierung untersucht. Zielsetzung für die Optimierung ist dabei die Minimierung der zusammengefassten Kosten für die Herstellung und die Nutzungsphase. Durch Verwendung anwendungsspezifischer Kostenmodelle werden Wertepaare für die bestmögliche Treibmittelzusammensetzung und Schaumdichte ermittelt. So existieren bei Kühlmöbeln Einschränkungen für die Dämmschichtdicke. Infolgedessen dominieren dort die Energiekosten während der Nutzungsphase, so daß ein guter Schutz gegen diffusionsbedingte Alterung und Treibmittel mit niedriger Wärmeleitfähigkeit wie cyclo-Pentan zu bevorzugen sind. Im Gegensatz dazu müssen bei Anwendungen ohne Einschränkungen bei der Dämmschichtdicke, wie z.B. Dachisolierungen, die volumenbezogenen Rohstoffkosten minimiert werden. Dies ist durch Verwendung von Mischungen aus CO2 und iso-Pentan möglich, die kostengünstig sind und aufgrund geringer Kondensationsneigung kleinere Schaumdichten ermöglichen. Mischungen aus verschiedenen Pentanisomeren oder auch Sandwichkonstruktionen aus PUR-Schaumstoffen mit unterschiedlichen Treibmitteln weisen in den Simulationsrechnungen keine Vorteile gegenüber einfacheren Lösungen auf.

The present paper describes the prediction and improvement of closed cell rigid polyurethane foam thermal conductivity in consideration of the respective applications total life time. These foams show a continous thermal insulationtion deterioration affected by a diffusive exchange of blowing agent and air components. The simulation of this ageing process should provide a tool for the blowing agent composition and foam density optimization. The ageing process is predicted by detailed modelling, including different cell structure, foam density and blowing agent. As well the in foam occuring heat and mass transfer and its affects on mechanical loads and deformation is involved. On this basis different computer programs were made, providing the model equations numerical solution and a calculation results graphic display. In order to determine model parameters and to validate the model itself some measuring processes and devices have been developed, e.g. a mechanical strain based technique for determination of effective foam diffusion coefficients and a procedure for cell gas analysis by gas cromatography. In a first step parameter variations are caried out to estimate the models sensibility towards these parameters and to find general trends of their influence. Nevertheless an exact prediction of optimal blowing agent composition or foam density is only possible by consideration of the respective applications temperatures and geometry. Conseqently the applications freezer, refrigerator and roof insulation are calculated. In this calculation the optimization objective is the expense minimization of production and later on use in total sum. The optimal blowing agent composition and foam density are determined by using cost models considering the particular characteristics of the applications. For example freezer and refrigerators have dimension limitations. Therefore the costs are dominated by the expense of electric energy during use phase. Here efficient diffusion barriers against ageing and low thermal conductivity (but usualy expensive) blowing agents such as cyclo-pentane are required. In contrast with this at applications with slight or no dimension limitations, like the roof insulation, the volumetric production costs have to be minimized. This is possible by using a mixture of CO2 and iso- or n-pentane, providing low blowing agent condensation and consequently low foam density and – simultaneously – low raw material costs. Mixtures of different pentane isomers or sandwich structures of foams containing different blowing agents did not show any substantial advantages in the modeled simulations.